Strom aus dem Stiefel
Mit einem alten Prinzip in moderner Form will ein Forscher-Team genĂĽgend Strom fĂĽr sparsame Kommunikationstechnik und Sensoren erzeugen: Sie bauen eine mikrofluidische Wimshurst-Maschine.
- TR Online
James Wimshurt war ein Ingenieur und Erfinder, der im 19. Jahrhundert eine faszinierende Vorrichtung für die Erzeugung von hohen Spannungen erdachte. Die heute nach ihm benannte Maschine besteht aus zwei gegenläufig rotierenden Scheiben, auf denen sich Metall-Segmente befinden.
Die Scheiben stehen in Kontakt mit zwei Metall-Bürsten. Diese wiederum sind verbunden mit einem Paar von Metallkugeln, zwischen denen eine kleine Lücke liegt. Die Bürsten nehmen Ladung von den Scheiben auf, die sich auf den Kugeln aufbaut, sodass am Ende ein Funke über die Lücke zwischen ihnen springt. Der Mechanismus, über den die Kugeln geladen werden, ist elektrische Induktion. Er verstärkt jede kleine Ladung auf den Metall-Segmenten.
Mikrofluidische Version
Im 19. und frühen 20. Jahrhundert nutzten Physiker und Ingenieure Wimshurst-Maschinen und ähnliche Geräte zur Stromversorgung von Röntgen-Geräten und sogar Teilchenbeschleunigern. Heutzutage sind sie selten und werden nur noch in Wissenschaftsmuseen oder Schulen eingesetzt, um das Prinzip der Elektrostatik zu demonstrieren.
Dank der Arbeit von Maria Napoli und Kollegen an der University of California in Santa Barbara könnte sich das jetzt wieder ändern, denn sie haben eine Wimshurst-Maschine für das 21. Jahrhundert erfunden. Dieses Mal handelt es sich um eine mikrofluidische Version, die Energie aus der Umgebung aufnehmen und in nutzbaren Strom konvertieren kann.
Bei der neuen Maschine fließen Tröpfchen von Quecksilber in Öl durch einen Kanal, der in eine Folie aus Polydimethylsiloxane-Plastik (PDMS) geritzt ist. Der Kanal lässt die Tröpfchen in unterschiedlichen Richtungen aneinander vorbeifließen, so wie bei den gegenläufigen Scheiben in einer konventionellen Wimshurst-Maschine.
Elektroden leiten Ladung
In die Mikrofluid-Kanäle eingebettete Elektroden leiten Ladung ab, sobald sie sich aufbaut. Statt Funken zu zünden, lässt sie sich als Strom nutzen. Napoli und Kollegen haben berechnet, dass ein Kreislauf in Zentimeter-Größe mit nur 300 Mikrometer breiten Kanälen, in denen das Quecksilber sich mit 10 Millimetern pro Sekunden fortbewegt, ungefähr 12 Mikrowatt Leistung generieren könnte.
Um das Konzept zu testen, hat das Team eine Machbarkeitsstudie erstellt. Die mikrofluidische Wimshurst-Maschine besteht aus einem Hauptkanal von nur fĂĽnf Zentimetern Länge, der wenige Kubikmillimeter Quecksilber transportiert. Er erzeugt einen kleinen Bruchteil der theoretischen Maximalleistung – nur vier Nanowatt.
Doch das konnte die Forscher nicht entmutigen. Mikrofluid-Systeme erlauben eine Reihe von Verbesserungen, etwa Veränderungen von Breite und Trennung der Kanäle und bessere Kontrolle über Tröpfchengröße und -verteilung. „Berechnungen zeigen, dass einfache Verbesserungen der Geometrie ausreichen dürften, um die Produktion eines Ein-Kanal-Geräts um bis zu drei Größenordnungen zu steigern“, schreiben sie.
Kanäle in Reihe schalten
Hinzu kommt, dass mit mehreren Kanälen in Reihe oder parallel zueinander leicht mehr Strom erzeugt werden könnte. Und ein großer Vorteil von solchen Mikrofluid-Vorrichtungen gegenüber anderen Energie-Erntemethoden besteht darin, dass sie nicht bei einer Resonanzfrequenz betrieben werden müssen.
In ihrem Fachaufsatz untersuchten Napoli und Kollegen auch die potenzielle Produktion einer solchen Vorrichtung mit einer Membranpumpe im Absatz eines Stiefels. Wenn eine Person auf einen Schritt pro Sekunde kommt, könnte eine Pumpe mit zwei Zentimetern Durchmesser genügend Strömung für 250 parallele Mikrofluid-Kanäle liefern, die zusammen etwa 10 Milliwatt erzeugen dürften, schreiben sie.
Das reicht in etwa aus, um den Laser in einem DVD-Laufwerk zu versorgen. Die Anwendung ist eine viel versprechende Aussicht für unterschiedliche Kommunikationsgeräte und Sensoren mit geringem Energieverbrauch, die derzeit entwickelt werden. „Es gibt damit gute Gründe, zu erwarten, dass eine hochskalierte Version unseres Prototypen tragbar, praxisgerecht und ausreichend leistungsfähig für eine Vielzahl von Anwendungen zur Energie-Ernte sein könnte“, lautet das Fazit der Forscher.
Turnschuh lädt Handy
Natürlich gibt es noch Herausforderungen. Eine wichtige Frage betrifft die Dauerhaftigkeit eines solchen Systems angesichts der Belastungen, denen ein Stiefel über seine Nutzungsdauer ausgesetzt ist. Aber dies ist eine Frage der weiteren Entwicklung, mit der sich das Team beschäftigen kann.
Vielleicht wird es deshalb nicht mehr lange dauern, bis sich ein Telefon am besten dadurch aufladen lässt, dass man sich ein paar Turnschuhe anzieht und joggen geht. Wimshurst wäre bestimmt begeistert gewesen.
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