Energie aus Hamsterkraft

Sonnenlicht, Wind und Wellen sind nicht die einzigen Quellen erneuerbarer Energie. Forscher, die kleine Geräte betreiben wollen, setzen inzwischen auch auf Muskelkraft. Jeder Herzschlag und jede Bewegung, die eine Person im Alltag vollführt, enthält auch eine kleine Menge Energie, die sich potenziell nutzen lässt. Das Problem: Es ist schwer, diese Biobewegungen zu ernten, weil sie oft so unregelmäßig erfolgen.

Wissenschaftler am Georgia Institute of Technology (Georgia Tech) konnten nun erstmals demonstrieren, dass sich ein kleiner Nanogenerator durch irreguläre biologische Bewegungen mit geringem Energiegehalt betreiben lässt – etwa mittels Tippen eines menschlichen Fingers auf einer Tischplatte oder bei einem Hamster, der herumläuft und sich kratzt.

Ausgenutzt wird dabei der so genannte piezoelektrische Effekt – einige kristalline Materialien produzieren elektrische Spannung, wenn sie mechanischen Spannungen ausgesetzt werden. Das Forscherteam, geleitet von Zhong Lin Wang, Professor für Material- und Ingenieurwissenschaften am Georgia Tech, baut bereits seit 2005 Generatoren mit Hilfe von piezoelektrischen Nanodrähten. Die neueste Version besteht aus einer Reihe von Zinkoxid-Nanodrähten, die auf einer flexiblen Kunststoffoberfläche aufgebracht sind. Die Drähte sind mit Metallelektroden untereinander sowie mit einem externen Schaltkreis verbunden. Biegt sich das Plastik, biegen sich auch die Drähte und diese Bewegung erzeugt eine elektrische Spannung in den Drähten, die in einem äußeren Schaltkreis einen Strom fließen lässt.

In ihrem Paper beschreibt Wangs Gruppe die Verwendung dieses Nanogeneratoren zum Ernten verschiedener Formen biomechanischer Energie. Die Forscher brachten den Nanogenerator am Zeigefinger einer Testperson an und zeichneten den Energieoutput auf, wenn sie damit auf einer Oberfläche herumtippte. Auch ein Hamster kam bei den Versuchen vor: Ihm wurde eine kleine "Jacke" angezogen, in dem der Nanogenerator steckte. Der Nager trainierte dann in einem Laufrad und kratzte sich, wie er das auch sonst tun würde.

Andere Forscher haben bereits piezoelektrische Ausleger geschaffen, die biomechanische Energie ernten können, doch diese Systeme benötigen eine reguläre mechanische Resonanzfrequenz. Die meisten Biobewegungen – das Strecken von Muskeln, das Schwingen von Armen, das Laufen und sogar der Herzschlag – sind jedoch zu unregelmäßig dafür. Wangs Gruppe hat deshalb den ersten Generator geschaffen, der diese kleinen, irregulären Energiepotenziale anzapfen kann.

Die gewonnene elektrische Leistung ist noch sehr gering – nur rund ein Nanowatt. Wang glaubt aber trotzdem, dass seine Komponente ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Entwicklung nützlicher Stromquellen für Geräte im Nanobereich ist. Enorm empfindliche Sensoren dieser Größe benötigen beispielsweise nur etwa ein Mikrowatt, um Aufgaben wie das Aufspüren von Giftstoffen in der Luft oder das Entdecken von Krebsproteinen im Blutkreislauf zu übernehmen. Ihre Entwicklung wird jedoch durch die Größe und Lebensdauer aktueller Stromversorgungen zurückgehalten. Implantierbare Nanosensoren benötigen eine Energiequelle, die sowohl klein ist als auch lange hält. Ist diese einmal entwickelt, bestünde die Notwendigkeit, Batterien regelmäßig chirurgisch auszutauschen, nicht mehr.

Wangs Gruppe hat bislang noch keine implantierbare Version ihres Nanogenerators geschaffen, doch sei diese theoretisch durchaus möglich. Die Komponente könnte beispielsweise in biokompatible Polymere eingearbeitet und direkt in Muskelgewebe implantiert werden.

Die Forscher arbeiten nun daran, den Leistungsoutput zu steigern, indem sie weitere piezoelektrische Drähte anbringen. Neben dem Betrieb von Modulen in Nanogröße könnten die Technik eines Tages vielleicht auch größere Geräte betreiben. In den nächsten fünf bis zehn Jahren erhofft sich Wang eine deutliche Steigerung beim Stromerzeugungspotenzial. Dann könnte man den Generator etwa in ein Gewebe einnähen, aus dem man dann eine Jacke fertigt. Dann könnte ein Mensch durch seine Bewegungen tragbare Elektronik aufladen. (bsc)