Reibung lädt Handy

Ein kostengünstiger Nanogenerator soll mechanische Energie ernten und damit genügend Strom produzieren, um Mobilgeräte zu versorgen.

Forscher am Georgia Institute of Technology haben ein Verfahren entwickelt, bei dem statische Elektrizität verwendet wird, um aus bislang ungenutzter Bewegungsenergie Strom zu gewinnen. Die Idee: Ein Handy, das sich in einer Hosentasche befindet, könnte künftig allein durch das Laufen seines Besitzers geladen werden.

Es ist eine Herausforderung, auch minimale Bewegungen in nutzbare Elektrizität umzuwandeln. Zhong Lin Wang, Professor für Materialwissenschaften an der Hochschule, arbeitet schon seit mehreren Jahren an dem Problem und konzentrierte sich dabei anfangs vor allem auf piezoelektrische Materialien, die Ladung aus mechanischem Stress generieren. Wang und seine Kollegen verstärkten den Effekt, indem sie die Komponenten auf Nanoebene besser strukturierten. Bislang waren die so erzielbaren Strommengen jedoch noch klein.

Aus diesem Grund hat Wangs Gruppe nun einen neuen Ansatz verfolgt, der vielversprechender sein könnte: statische Elektrizität und Reibung. Der bekannte Effekt tritt beispielsweise auf, wenn man sich mit einem Plastikkamm an einem trockenen Tag durch die Haare fährt und diese dann in alle Richtungen stehen. Dieses Ladungsphänomen, Reibungselektrizität genannt, kann genutzt werden, um Strom zu erzeugen.

Dazu verwendeten die Georgia-Tech-Forscher einen Kunststoff, das Polyethylen-Terephthalat, und ein Metall. Werden diese Materialien in Dünnfilmstärke in Kontakt miteinander gebracht, entsteht Ladung. Biege- und Knickbewegungen sorgen wiederum dafür, dass ein Strom zwischen beiden fließt, was dann beispielsweise zum Laden einer Batterie verwendet werden kann. Sind die beiden Oberflächen mit einer Nanostruktur versehen, erhöht sich die Oberfläche signifikant, so dass die Reibung zwischen den Materialien und die möglichen Energiemengen zunehmen.

Mit der aktuellen Versuchstechnik lassen sich immerhin 10 bis 15 Prozent der Energie mechanischer Bewegungen in Strom umwandeln, dünnere Materialien könnten gar 40 Prozent erreichen, sagt Wang. Ein fingernagelgroßes Quadrat aus dem Material kann immerhin acht Milliwatt erzeugen, wenn es bearbeitet wird – das reicht etwa für einen Herzschrittmacher aus. Eine Fläche von fünf mal fünf Zentimetern betreibt bis zu 600 LEDs gleichzeitig und kann eine Lithium-Ionen-Batterie für ein Handy laden.

"Die Auswahl an Materialien ist groß und die Herstellung des Geräts sehr einfach", sagt Wang. Rund 50 häufig verwendete Kunststoff- und Metallarten sowie weitere Materialien könnten genutzt werden. "Ich bin von der Energiedichte beeindruckt", sagt auch Shashank Priya, Direktor des Center for Energy Harvesting Materials and Systems an der Virginia Tech. Andere "smarte" Materialien hätten bislang nie genug Strom für praktische Anwendungen erzeugt.

Ob der neue Nanogenerator auch außerhalb des Labors arbeitet, bleibt allerdings abzuwarten. "Die Gruppe muss zeigen, dass das System Energie aus mechanischen Vibrationen unter Echtweltbedingungen erzeugen kann", sagt Jiangyu Li, Professor für Maschinenbau an der University of Washington in Seattle. Dazu muss der Nanogenerator Bewegungen nutzen können, die die meiste Energie versprechen, sonst dauert das Laden zu lange. Wang zufolge gibt es bereits Gespräche mit Firmen, die die Technik für eigene Anwendungen kommerzialisieren wollen. Eine mögliche Idee ist ein Ladearmband. (bsc)