Turbine, Rotor, Fahrraddynamo… Neben den üblichen Möglichkeiten zur Erzeugung von elektrischer Energie aus mechanischen Prozessen gibt es eine weitere interessante Alternative: Sogenannte piezoelektrische Elemente können Verformungsenergie in Elektrizität verwandeln. Durch Druck verlagert sich dabei in Festkörpern der positive und negative Ladungsschwerpunkt. Dadurch entsteht elektrische Spannung, die zur Energiegewinnung genutzt werden kann. Vor allem macht man sich das Phänomen aber bisher in der Messtechnik zunutze: Piezoelektrische Elemente können als Sensoren für mechanische Belastungen dienen. Neben der Technik bietet dies auch Anwendungspotenzial in der Medizin.
Spannung durch Verformung
Doch die üblichen Piezo-Elemente bestehen meist aus Blei-Zirkonat-Titanat, das sich durch den Bleianteil nicht für den Einsatz in Verbindung mit Körpergeweben eignet. Außerdem ist die Entsorgung der herkömmlichen Piezoelemente problematisch. Deshalb sind biologisch und ökologisch verträgliche Alternativen gefragt. So rückte das Holz in den Fokus der Forscher um Ingo Burgert von der Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) bei Zürich. Es ist bereits seit langem bekannt, dass auch bei der Druckbelastung dieses natürlichen Feststoffes ein piezoelektrischer Effekt auftritt. Durch die geringe Verformbarkeit entsteht bei herkömmlichem Holz aber nur eine sehr geringe Spannung, die sich kaum nutzen lässt.
Um dieses Problem zu lösen, wenden die Forscher ein Verfahren an, das dem Holz die Härte nehmen kann: die Delignifizierung. Wie sie erklären, bestehen Holzzellwände aus drei Grundstoffen: Lignin, Hemizellulosen und Zellulose. „Das Lignin benötigt ein Baum vor allem, um weit in die Höhe wachsen zu können. Ohne Lignin als stabilisierenden Stoff, der die Zellen verbindet und das Ausknicken der zugsteifen Zellulosefibrillen verhindert, wäre das nicht möglich“, erklärt Burgert. Durch das Herauslösen des Lignins lässt sich Holz somit im Umkehrschluss in ein verformbares Material umwandeln. Und genau das ist auch möglich, zeigen die Forscher. Zunächst beseitigten sie das Lignin, indem sie Balsaholz in eine Suspension aus Wasserstoffperoxid und Essigsäure einlegten. Die Chemikalien lösen das Lignin aus dem Material – übrig bleibt dann ein weißliches Gerüst aus elastischen Zelluloseschichten.
„Pilzbefall“ macht ebenfalls elastisch
Um das Konzept rundum natürlich zu machen, fanden die Forscher allerdings auch eine Möglichkeit, ohne die aggressiven Chemikalien auszukommen: Bei dem biologischen Lignin-Entferner handelt es sich um den Pilz Ganoderma applanatum, der als Verursacher der sogenannten Weissfäulnis im Holz bekannt ist. „Dieser Pilz baut das Lignin im Holz besonders schonend ab“, erklärt Co-Autor Javier Ribera von der Empa. Zudem lässt sich der Prozess im Labor gut steuern, wodurch er sich als eine ökologische Alternative zur Chemikalienbehandlung erwies.
