Aus Druck wird Licht
Forscher am Georgia Institute of Technology hat aus piezoelektrischen Nanodrähten einen winzigen Generator gefertigt, der erstmals nutzbare Leistungswerte erreicht.
- Katherine Bourzac
Eine Gruppe am Georgia Institute of Technology hat aus piezoelektrischen Nanodrähten einen winzigen Generator gefertigt, der erstmals nutzbare Leistungswerte erreicht.
Die Idee ist bestechend: Statt das Smartphone ständig an die Steckdose zu hängen, zapft man mit Hilfe von piezoelektrischen Nanogeneratoren einfach die Bewegungsenergie des Menschen an, die sowieso ständig anfällt. Bislang haben sich Forscher aber damit schwer getan, solche Generatoren robust und effizient genug zu machen. Eine Gruppe am Georgia Institute of Technology erreicht nun mit Hilfe von Zinkoxid-Nanodrähten erstmals nutzbare Leistungswerte.
Der piezoelektrische Effekt besteht darin, dass bestimmte Materialien unter mechanischem Druck eine elektrische Spannung aufbauen, weil sich in der verformten Kristallstruktur viele kleine Dipole bilden. Diese Spannung lässt sich dann nutzen, um Strom fließen zu lassen. Umgekehrt funktioniert der Effekt auch: Legt man an einen Piezokristall eine Spannung an, zieht er sich zusammen. Eingesetzt werden diese Materialien bereits in Mikrophonen, Sensoren oder Uhren. Für größere Nanogeneratoren wären aber elastische, piezoelektrische Polymere erforderlich. Die gibt es zwar, nur sind sie nicht besonders effizient.
Zhon Lin Wang, der das Center for Nanostructure Characterization am Georgia Institute of Technology leitet, verfolgt daher einen anderen Ansatz: Er bettet Nanodrähte aus einem piezoelektrischen Material in einen elastischen Träger ein. Bereits 2005 konnte er erstmals das Prinzip eines Nanogenerators demonstrieren. Seitdem arbeitet er beharrlich an der Verbesserung der Technologie weiter.
In dem neuen Verfahren beginnt Wang mit einer dünnen Gold-Chrom-Elektrode. Auf die trägt er wiederholt eine Polymerschicht und eine Lösung aus Zinkoxid-Nanodrähte auf. Auf diese Weise entstehen mehrere Schichten, die das piezoelektrische Material enthalten. Auf eine letzte Polymerschicht folgt dann eine zweite Elektrode.
(Bild:Â Nano Letters)
Auch wenn der Prototyp nur 1,5 Zentimeter lang und 2 Zentimeter breit, erzeugt er bereits eine brauchbare Energiemenge: Drückt man das Piezo-Sandwich nun in einer Sekunde um vier Prozent zusammen, entsteht eine Spannung von zwei Volt. „Unsere früheren Prototypen schafften nur 50 Millivolt – jetzt haben wir eine Verbesserung auf das 20-fache“, freut sich Wang. Dieser Wert genügt bereits, um das Flüssigkristall-Display etwa eines Taschenrechners zu betreiben.
(Bild:Â Wang Group, Georgia Institute of Technology)
Betrachtet man die elektrische Leistungsdichte, bringt es der neue Nanogenerator auf rund zehn Milliwatt pro Kubikzentimeter – genug, um auch eine Leuchtdiode (LED) zu betreiben. Ein Herzschrittmacher brauche nur fünf Milliwatt, während ein iPod 80 Milliwatt ziehe, sagt Wang. Sein Resümee: „Wir haben es fast geschafft.“
„Die Georgia-Tech-Gruppe stößt mit ihren Geräten langsam in einen Bereich mit einem interessanten Output vor“, bestätigt auch Michael McAlpine, Ingenieur an der Princeton University, der selbst Piezo-Nanogeneratoren entwickelt. Es sei nun eine Frage der Skalierung, wirklich hohe Werte bei der Stromerzeugung zu erreichen. Wang selbst hält Leistungsdichten von einem Watt pro Kubikzentimeter durchaus für erreichbar.
Sowohl er als auch McAlpine arbeiten daran, noch leistungsfähigere Materialien herzustellen. So sind ihnen erst kürzlich Nanodrähte aus Blei-Zirkon-Titanat, abgekürzt PZT, gelungen. Diese Verbindung ist das Standardmaterial für kommerzielle Anwendungen, weil es von allen bekannten piezoelektrischen Materialien den höchsten Wirkungsgrad aufweist. Zuvor war eine einfache Herstellung von PZT-Nanodrähten daran gescheitert, dass es keine geeigneten Katalysatoren für den Prozess gibt.
Die beiden Forscher haben das Problem auf unterschiedliche Weise gelöst. Wang umgeht den Katalysator, indem er das Materialgemisch unter hohem Druck stark erhitzt. McAlpine hingegen produziert die Nanodrähte, in dem er sie chemisch in einem dünnen PZT-Film freiätzt. Noch bringen die kleinen Stromerzeuger aus PZT-Nanodrähten nicht dieselbe Leistung wie die aus Zinkoxid. McAlpine ist aber zuversichtlich, dass Wang und er auch dieses Problem lösen werden.
Das aktuelle Paper:
Hu, Youfan et al.,“High-Output Nanogenerator by Rational Unipolar Assembly of Conical Nanowires and Its Application for Driving a Small Liquid Crystal Display”, Nano Letters, 3.11.2010 (nur Abstract)
Frei zugänglich: Zhu, Guang et al., „Flexible High-Output Nanogenerator Based on Lateral ZnO Nanowire Array“, Nano Letters, 21.7.2010
