Kleinvieh macht auch Mist. Das gilt selbst beim Thema Energie. Wer Strom effizient nutzt oder gar selbst erzeugt – zum Beispiel aus dem Sonnenlicht oder ganz nebenbei aus Bewegung – hilft, manches Kraftwerk überflüssig zu machen. Die Forscher haben dazu ein paar pfiffige Ideen.
TRICK : Zucker in die Batterie
Nach ausdauernder sportliche Betätigung bekommt man leicht wackelige Knie. Was dann hilft, ist ein Stück Zucker. Aber lässt sich auch eine elektrische Batterie mit einem Schuss Zuckerlösung wieder aufladen – ähnlich wie man die Patrone des Tintenstrahldruckers befüllt?
An dieser Vision arbeitet Y. H. Percival Zhang von der Abteilung Verfahrenstechnik biologischer Systeme an der Virginia- Tech-Universität in Blacksburg (USA). Der Biotechnologe hat eine Brennstoffzelle entwickelt, in der rund ein Dutzend Enzyme nach einem von ihm entworfenen synthetischen Stoffwechselweg das Molekül Maltodextrin verarbeiten, ein Abbauprodukt der Stärke.
Ein sogenannter Akzeptor in der Zelle nimmt Elektronen auf und gibt sie an der Anode wieder ab. Als elektrischer Strom fließen die Elektronen dann zur Kathode und betreiben auf dem Weg dorthin elektrische Geräte. An der Kathode verleiben sich Sauerstoff-Moleküle die Elektronen ein. Zusammen mit Protonen aus der Zuckerlösung entsteht dabei Wasser.
Grundlegend neu ist das Konzept zwar nicht, doch Zhang gelang es erstmals, damit eine ausreichend große Energiedichte zu erreichen. Bis die Zucker-Brennstoffzelle die Lithium-Ionenbatterien im Smartphone ersetzen kann, ist jedoch noch weitere Forschung nötig. Denn ihre Spannung liegt nur bei etwa 0,5 Volt, und die Leistung geht bereits mit dem ersten Wiederaufladen in die Knie. Allerdings ist die anfängliche Energiedichte mit fast 600 Amperestunden rund zehn Mal so groß wie bei einer Lithium-Ionenbatterie. Und umweltverträglicher als herkömmliche Kraftpakete ist die Zucker-Zelle auch.
TRICK : Hauptsache Licht
So ein Smartphone ist eine feine Sache. Wer eines besitzt, zieht es bei jeder Gelegenheit aus der Tasche. Ein leichter Daumendruck auf eines der vielen Symbole auf dem Touchscreen verrät, ob eine neue Nachricht eingetroffen ist, ob es am Nachmittag regnen wird oder wie es zum Bahnhof geht. Vielleicht wird es sich bald lohnen, den flachen Informationsmanager auch hervorzuholen, wenn man nichts dergleichen wissen will – Hauptsache, Licht fällt auf den Bildschirm, um den Akku aufzuladen.
Bei häufigem Zücken des Handys soll sich so die Standzeit der Batterie um 20 Prozent verlängern lassen. Einfachere Mobiltelefone könnten künftig sogar ganz ohne Ladegerät auskommen. So sieht es der französische Photovoltaik-Modulhersteller SunPartner aus Aix- en-Provence vor.
Das Unternehmen hat ein nur 0,5 Millimeter dünnes Modul mit einer elektrischen Leistung von fünf Milliwatt pro Quadratzentimeter entwickelt, das – ins Display eines Smartphones integriert – Strom aus dem Sonnenlicht gewinnen und in den Akku leiten kann. Dank verbesserter Technik soll bald sogar eine doppelt so große Leistung möglich sein.
Montiert wird der Energielieferant unter- oder oberhalb des Touchscreens. Damit der Blick auf den Bildschirm möglichst wenig beeinträchtigt wird, ist das Modul zu 90 Prozent lichtdurchlässig. Laut Hersteller spielt es dabei keine Rolle, ob das Licht von der Sonne oder einer Schreibtischlampe kommt. Auch für die Displays von Notebooks und Fensterscheiben soll die Technik geeignet sein.
TRICK : Joggen, bis der Akku voll ist
Manchmal steckt das Grundprinzip nützlicher und origineller Entwicklungen in einem simplen Experiment. Ein Beispiel: Reibt man ein Lineal aus Plastik kräftig an einem Pullover und hält es dann wenige Zentimeter über ein Fetzchen Papier, fliegt der Schnipsel nach oben zu dem Zeicheninstrument. Denn durch die Reibung wandern Elektronen aus dem Textil in den Kunststoff, der nun gegenüber dem Papier negativ geladen ist. Aufgrund der unterschiedlichen Ladung entsteht eine Anziehungskraft – und eine elektrische Spannung. In großem Maßstab lassen sich durch diese sogenannte Reibungs- oder Triboelektrizität mit Bandgeneratoren sehr hohe Potenziale generieren.
Interessant sind auch die kleinen Dimensionen: Der US-amerikanische Materialforscher Zhong Lin Wang vom Georgia-Institut für Technologie in Atlanta nutzt das Phänomen, um Körperbewegungen, zum Beispiel beim Gehen, in elektrische Energie umzuwandeln. Einer seiner triboelektrischen Nanogeneratoren erzeugt dabei Spannungen bis zu 100 Volt und Ströme bis 7 Mikroampere.
In Größe und Aussehen ähnelt der Generator einer Christbaumkugel. Tatsächlich handelt es sich um zwei Hohlkugeln aus verschiedenen Kunststoffen, wobei die innere beweglich in der äußeren aufgehängt ist. Während die innere Kugel außen mit Kupferfolie überzogen ist, trägt die äußere Kugel auf der Innenseite eine elektrisch leitende Schicht.
Pendelt die verborgene Kugel hin und her, reiben die beiden unterschiedlichen Flächen kurz aneinander. Dabei entstehen Spannungsimpulse, die Elektroden einer Lithium-Ionenbatterie zuführen. Sogar aus der Reibung zwischen der Haut auf einer Fingerspitze und der Oberfläche eines Mousepads hat der findige Wissenschaftler angeblich schon Energie gewonnen.
TRICK : Schwingen im Gleichtakt
Noch ein Lineal-Experiment: Klemmen Sie einmal ein Kunststofflineal mit einem Ende an einer Tischkante fest und biegen dann das freie Ende nach oben. Nach dem Loslassen schwingt es einige Zeit. Würde es aus einem piezoelektrischen Kristall bestehen, so entstünde in dem Kristallgitter durch die Bewegung der Atome eine elektrische Spannung.
In Motoren kommt es oft zu Schwingungen. Würden die Spezialkristalle an eine vibrierende Fläche dort fixiert, ließen sie sich nutzen, um etwa Strom für einen Sensor zu erzeugen. Christoph Eichhorn, Forscher am Institut für Mikrosystemtechnik der Uni Freiburg, entwickelt solche Mini-Generatoren. Er konnte dabei ein wesentliches Hindernis aus dem Weg räumen: Die Mini-Kraftwerke liefern nur dann maximale Energie, wenn der Kristall mit der gleichen Frequenz schwingt wie die vibrierende Fläche. Zwar erzeugen Motoren bei Drehzahländerungen viele verschiedene Schwingungen – doch ein Mechanismus für die Anpassung der Frequenz darf nur wenig Energie verbrauchen, damit genug Strom für die Anwendung bleibt.
Eichhorns Lösung: In seinem Mini-Kraftwerk sind die Enden eines wenige Zentimeter langen Kristallstabs fixiert. Ändert sich die Schwingung in der Umgebung, wird der Stab ausgelenkt, bis er durch seine Steifigkeit die Schwingungen optimal aufnimmt. •
von Klaus Wagner
