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Polymere und elektrischer Strom – keine Widerspruch!

In der Nutzung regenerativer, sauberer Quellen liegt die Zukunft unserer Energieversorgung. Eine neue Möglichkeit, „sauberen Strom“ zu produzieren, haben Forscher nun im Meer entdeckt. Um die neue Quelle sprudeln zu lassen, bedarf es der Wellenbewegung, eines speziellen, oberflächenmodifizierten Polymermaterials und der Kräfte der Physik.

Für die Gewinnung elektrischen Stroms bilden Sonne und Windkraft inzwischen eine wichtige Grundlage. Aus den sogenannten regenerativen Quellen fließt schlicht „sauberer“ Strom, das heißt, ohne die Umwelt mit Schadstoffemissionen zu belasten. Auch die Energie, die man aus Wasser zieht, wenn es von einem Staudamm herabfließ oder im Gezeitenkraftwerk Stromgeneratoren antreibt, lässt sich als „sauber“ bezeichnen.

Wasser bietet noch weitere Angriffsflächen, um Strom zu produzieren, wie US-amerikanische Wissenschaftler jüngst herausgefunden haben. Der Schlüssel zum Erfolg liegt in der Trennung elektrisch geladener Teilchen. In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellen die Forscher in diesem Zusammenhang den Prototypen eines sogenannten triboelektrischen Nanogenerators vor, den sie zur Energiegewinnung nutzen.

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Stromgewinnung mit der Wellenbewegung des Meeres: Ein Prototyp amerikanischer Wissenschaftler nutzt hierzu den triboelektrischen Effekt. (Link zu einer höher aufgelösten Darstellung der Abbildung am Ende des Beitrags.) Quelle: Wiley-VCH

Der triboelektrische Effekt lässt sich beobachten, wenn man sich einen Pullover an- oder auszieht – wenn es im Gewebe leuchtet und knistert. Dieser Effekt entsteht durch Kontakt und Trennung unterschiedlicher Materialien und der dabei erfolgten Verschiebung elektrisch geladener Teilchen – eine Grundvoraussetzung für elektrischen Stromfluss.

Wissenschaftler des Institute of Technology in Atlanta im US-amerikanischen Bundesstaat Georgia haben bereits einen triboelektrischen Nanogenerator unter Einsatz von Festkörpern entwickelt, mit dem sich ein Mobiltelefon-Akku erfolgreich laden lässt. Das funktioniert jedoch nur dann zuverlässig, wenn die Luftfeuchtigkeit nicht zu hoch ist. Interessanter Weise scheint dieses Problem nebensächlich, findet das Treiben unmittelbar im Wasser statt.

Der triboelektrische Effekt ist nicht allein auf Festkörper beschränkt, sondern funktioniert auch bei Flüssigkeiten, wenn sie mit einem geeigneten Feststoff in Berührung kommen. Vorausgesetzt, die elektronischen Energieniveaus beider Stoffe liegen günstig zueinander. Dies ist zum Beispiel der Fall bei Wasser und einigen Kunststoffen wie Polydimethylsiloxan (PDMS). Das für den triboelektrischen Effekt Notwendige findet sich auf Nanomaßstab reduziert auf der Oberflächenstruktur des PDMS, die an eine Pyramidenlandschaft erinnert.



Wie gingen die Forscher vor? Den Prototypen ihres triboelektrischen Generators bauten sie unter Einsatz eines isolierten Kunststoff-Tanks, an dessen Deckel und Boden Kupferfolie als Elektroden befestigt sind. Auf der Deckelinnenseite wurde eine PDMS-Schicht aufgetragen.

Kommen nun die PDMS-Nanopyramiden durch Absenken des Deckels mit dem Wasser in Berührung, werden Atomgruppen des PDMS ionisiert und negativ aufgeladen. Im Gegenzug entsteht eine positiv geladene Schicht auf der Wasseroberfläche. Wird die PDMS-Schicht aus dem Wasser gehoben, bleiben die elektrischen Ladungen erhalten, was heißt, dass eine elektrische Spannung zwischen PDMS und Wasser entsteht; der resultierende Unterschied im elektrischen Potenzial ist Grundvoraussetzung für einen Stromfluss.

Damit möglichst wenig Wasser haften bleibt, was die Spannung mindern würde, wurde PDMS als hydrophobes, sprich: wasserabweisendes Polymer gewählt, und die Pyramidenform, weil Wasser davon gut abtropfen kann. Periodisches Heben und Senken des Deckels und das Verbinden der Elektroden über einen Gleichrichter und einen Kondensator führt zu einem Gleichstrom, mit dem 60 LEDs zum Leuchten gebracht werden konnten. Ein periodischer Kontakt mit Wasser kann auch durch Wellen zustande kommen. Tests mit Salzwasser zeigten, dass der Generator weniger Output liefert, prinzipiell aber mit und im Meerwasser betrieben werden kann. GDeußing

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