Solarstrom für Sensoren

Minia­turisierte Bauteile wie etwa Mikro­sensoren oder Chiplabors benötigen häufig ebenfalls minia­turisierte, netzun­abhängige Stromquellen. Auf der Suche nach geeigneten autonomen Systemen haben japanische Wissen­schaftler jetzt ein vollständig inte­griertes Mikro­fluidik-Bauelement entwickelt. Es besteht aus aus einem minia­turisierten photo­katalytischen Wasserstoff­generator und einer Mikrobrenn­stoffzelle, deren Energie ausreicht, um zum Beispiel einen Mikro­sensor für die tägliche Daten­übertragung mit Strom zu versorgen.

Diese Mikrofluidik-Wasserstoff-Brennstoffzelle könnte Mikrosensoren oder Chiplabors mit Strom versorgen. (Bild: Wiley-VCH)

In miniatu­risierten autonomen Systemen wie Chiplabors sind ganze Labora­torien als Mikro­fluidik­system auf einer Plastik­karte unter­gebracht. Eine eigene, netzun­abhängige Strom­versorgung wäre sinnvoll. Die gängige Batterie­technik ist jedoch unhand­lich und lässt sich nur schwer in minia­turisierte Systeme inte­grieren. Yuriy Pihosh von der Uni­versität von Tokio und seine Kollegen konzen­trieren sich deshalb auf mikro­fluide Bau­elemente: Sie entwickelten einen photo­kataly­tischen Mikro-Wasserstoff­generator in Verbindung mit einer Mikro-Wasserstoff­brennstoff­zelle, alles als einem Mikro­fluidik-Chip. Dieser solar­getriebene Mikro­strom­erzeuger kann andere miniatu­risierte Elemente stetig und bei Raum­temperatur und normalem Druck mit Energie versorgen.

Ein Glasträger dient als Plattform für die beiden Module: den Mikro-Wasserstoff­generator und die Mikro­brennstoff­zelle, die durch Mikro- und Nano­kanäle mit­einander verbunden sind. In diesen beiden Mikro­fluidik-Modulen befinden sich erweiterte Nano­kanäle zum Protonen­austausch zwischen Elektrolyt und Elektrode. Diese leiten ausge­zeichnet Protonen, und bieten einen viel schnelleren Protonen­transport als konven­tionelle Nafion-Protone­naustausch­membranen. Die Photo­anode für die photo­kataly­tische Wasser­spaltung besteht aus Metalloxid-Nano­stäbchen, an denen Wasserstoff mit nachge­wiesenem Rekord-Wirkungs­grad pro­duziert wird. Die durch die Wasser­spaltung erzeugten Gase, Wasser­stoff und Sauer­stoff, werden dann separat durch Mikro­kanäle zur Mikro-Brenn­stoffzelle trans­portiert. Deren Aufgabe ist es, Sauerstoff, Protonen und Elektronen unter Strom­gewinn wieder zu Wasser zusammen­zuführen. Dieser Strom kann dann zum Beispiel inte­grierte Sensoren versorgen.

Da das in der Brennstoff­zelle erzeugte Wasser wieder zum ersten Modul zurückgeführt wird, liegt ein geschlos­sener Kreislauf vor, und die Strom­erzeugung hängt nur von Licht ab. Versuche ergaben eine stetige Wasserstoff­produktion pro Tag, äquivalent zu 35 Millijoule gespeicher­ter Energie. Das sei laut Aussage der Forscher genug, um einen Mikros­ensor für 24 Stunden Daten­übertragung mit Strom zu versorgen.

Inte­griert werden müssen allerdings noch Mikrogas­tanks als Gaszwischen­speicher, um zu vermeiden, dass sich ein Über­druck an erzeugtem Gas bildet. Das Problem sei aber einfach zu beheben. Als Anwen­dungen schlagen Pihosh und Kollegen autonome Mikro­sensoren mit Netz- und Batterie-unab­hängiger Strom­versorgung sowie die extrem material­effizienten Chip­labor-Techniken vor. (Quelle: Wiley-VCH / pro-physik.de)

Referenz: Y. Pihosh et al.: From Extended Nanofluidics to an Autonomous Solar-Light-Driven Micro Fuel-Cell Device, Ang. Chem., online 8. Juni 2017; DOI: 10.1002/ange.201703227

Link: Dept. of Applied Chemistry, University of Tokyo, Japan

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