Elektrizität aus der Strömung

Menschen bauen Staudämme und gewaltige Turbinen, um aus Wasser­kraft Strom zu gewinnen. Um auch im Mini­atur­maß­stab strömende Flüssig­keiten aus­zu­nutzen, haben jetzt Wissen­schaftler aus China einen Nano-Strom­gene­rator aus Kohlen­stoff­nano­röhren­fasern ent­wickelt, mit dem sie sogar die Energie des Blut­stroms in Blut­ge­fäßen in Elek­tri­zi­tät um­wandeln können.

Funktionsprinzip Nano-Strom­gene­rator aus Kohlen­stoff­nano­röhren­fasern (Quelle: Xu et al. / Wiley-VCH)

Der Aufbau dieser Faser ist relativ einfach. Ein Polymer­faser­kern wurde mit Lagen von aus­ge­rich­teten Kohlen­stoff­nano­röhren um­wickelt. Diese winzigen Röhr­chen aus auf­ge­rollten Kohlen­stoff­lagen sind für ihre guten elek­tro­nischen Eigen­schaften und ihre mecha­nische Stabi­lität bekannt. Sie sind spinn­bar und lassen sich schicht­weise an­ordnen. Die fertigen Fäden bestanden somit aus einem faser­förmigen Kern, der mit Nano­röhren­schichten in einer Stärke von weniger als einem halben Mikro­meter um­wickelt war. Um mit diesem Faden Strom zu gewinnen, wurde er in einen Wasser­strom gelegt oder ein­fach wieder­holt in eine Salz­lösung getaucht und wieder heraus­gezogen. „Die Elek­tri­zität wurde durch die rela­tive Bewe­gung zwischen dem Faden und der Lösung erzeugt”, erklären die Wissen­schaftler um Huisheng Peng von der Univer­sität Fudan in Schanghai. Nach der Theorie ver­schieben sich die Ladungen, die vor­her symme­trisch um die elek­trische Doppel­schicht herum ver­teilt waren, und ent­lang des Fadens baut sich ein Ladungs­gradient auf.

Das System ist höchst effizient. Verglichen mit anderen Typen von Mini­atur-Energie­um­wand­lern besitzt es bei einem Wirkungs­grad von über zwanzig Prozent die höchste Effi­zienz. Mit den weiteren Vor­teilen von Elas­ti­zität, Wandel­bar­keit, Leicht­bau­weise und ein­dimen­sio­naler Form liegen höchst inte­res­sante tech­nische Anwen­dungen nahe. Wickelt man die Nano­kohlen­stoff­lagen um ein elas­tisches Substrat, wird der Faden dehn­bar. Dadurch bietet sich die Anwen­dung als trag­bare Elek­tronik in Geweben an. Eben­falls hoch­inte­res­sant ist die Energie­ge­win­nung direkt aus dem Blut­strom für medi­zi­nische Anwen­dungen. Erste Ver­suche mit Frosch­nerven ver­liefen bereits erfolg­reich. (Quelle: Angew. Chem. / pro-physik.de)

Referenz: Y. Xu et al.: A One-Dimensional Fluidic Nanogenerator with a High Power Conversion Efficiency, Angew. Chem., online 7. September 2017; DOI: 10.1002/ange.201706620

Link: Peng Group, State Key Laboratory of Molecular Engineering of Polymers, Dept. of Macromolecular Science and Laboratory of Advanced Materials, Fudan University, Shanghai, China

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