Schritt für Schritt zum aufgeladenen Smartphone-Akku

Die Energie, die Menschen täglich durch ihre Bewegungen umsetzen, bleibt normalerweise technisch ungenutzt. Das liegt vor allem daran, dass es schwierig ist, auf diese Weise brauchbare Mengen von Strom in nutzbarer Form zu gewinnen. Zuletzt hat es auf dem Gebiet aber einige Fortschritte gegeben. “Wir können schon Geräte auf diese Weise mit Energie versorgen. Wir werden unsere Mobiltelefone schon bald durch Gehen aufladen können”, sagt Zhong Lin Wang vom Georgia Institute of Technology gegenüber der futurezone. Die Umwandlung der Bewegungsenergie in elektrischen Strom funktioniert mithilfe des triboelektrischen Effekts, bei dem durch den Kontakt und die anschließende Trennung bestimmter Materialen ein Wechselstrom fließt.

Wangs Forschungsgruppe hat ein System entwickelt, das es ermöglicht, die biomechanische Energie, die bei der Bewegung des menschlichen Körpers entsteht, so effizient zu nutzen, dass der Betrieb von sparsamen Geräten wie Sensoren, Taschenrechnern oder Digitaluhren ohne weitere Energiequellen ermöglicht wird. Die Wissenschaftler haben es geschafft, die sporadischen Wechselstromimpulse, die bei Bewegungen freigesetzt werden, sehr effizient in Gleichstrom zu verwandeln. Die Energie kann dann in Akkus gespeichert werden, um Elektrogeräte zu betreiben. Die Umwandlung erreicht eine Effizienz von 60 Prozent. “Wir glauben, dass wir diesen Wert durch weitere Optimierung auf 70 Prozent steigern können”, sagt Wang.

Verbesserte Systeme

Mit Prototypen konnten die Forscher im Labor kontinuierlich 1,044 Milliwatt Gleichstrom in verwertbarer Form zur Verfügung stellen, allerdings nicht durch Gehen, sondern durch wiederholten Druck mit der Handfläche auf ein triboelektrisches Element. Wearables oder WLAN-Module können so unbegrenzt mit Energie versorgt werden, solange die Akkus durch Bewegung regelmäßig aufgeladen werden.

Die triboelektrischen Nanogeneratoren (TENG), die von der Forschern verwendet wurden, sind eine Neuerung. Sie erzeugen mehr Energie, als bisherige Ansätze. Die Nanogeneratoren bestehen aus einem dünnen Film aus Polyimid, auf dem Schichten aus Aluminium, Kupfer und Perfluorethylenpropylen aufgebracht werden. Der triboelektrische Effekt tritt zwischen der Aluminium- und der Perfluorethylenpropylenlage auf. Die Lagen aus Kupfer und Aluminium dienen als Elektroden. Wird das System durch Druck komprimiert, werden die triboelektrischen Materialien aufeinandergepresst. Bei Nachlassen des Drucks werden die Folien wieder getrennt. Aufgrund der unterschiedlichen Austrittsarbeit für Elektronen in den Materialien fließt Strom.

Schicht für Schicht

Die von den Forschern entwickelten TENGs sind platzsparend und leicht. Um die Ausbeute zu verbessern, können mehrere energieliefernde Lagen übereinander geschichtet werden. Ein TENG mit 15 Schichten misst 5,7 x 5,2 x 2,4 Zentimeter und wiegt 43,6 Gramm. Die Perfluorethylenpropylenlage in dem Generator ist lediglich 125 Mikrometer dick. Durch eine Strukturierung der Kontaktflächen kann die Leistung noch verbessert werden. Das System ist laut den Forschern äußerst robust. Im Labor konnte auch nach 180.000 Belastungszyklen keine nennenswerte Abnutzung festgestellt werden. Gegen Feuchtigkeit sind TENGS ebenfalls unempfindlich.

“In ein bis zwei Jahren wollen wir unser System auf den Markt bringen”, sagt Wang. Smartphones werden vorerst aber wohl weiterhin in regelmäßigen Abständen an die Steckdose müssen, da die Optimierung der TENGS noch einige Zeit in Anspruch nehmen wird. Längerfristig schließen die Forscher selbst den Betrieb noch größerer Geräte mit TENGS nicht aus. Tablets und sogar Computer könnten auf diese Weise versorgt werden, heißt es in der Publikation der Forscher. Dazu müssten allerdings höherfrequente Bewegungen auf die Generatoren einwirken als der menschliche Gang.