Forschende des Deutschen Elektronen-Synchrotrons (DESY) und der Technischen Universität Hamburg (TUHH) haben zusammen mit Partnern von CIC energiGUNE und der Universität Ferrara einen triboelektrischen Nanogenerator demonstriert, der die mechanische Einwirkung von in Nanoporen ein- und austretendem Wasser in nutzbare elektrische Energie umwandelt.
Funktionsweise des Geräts
Das Gerät, das als Intrusion–Extrusion Triboelektrischer Nanogenerator (IE-TENG) bezeichnet wird, nutzt den Ladungstransfer an der Grenzfläche zwischen Festkörper und Flüssigkeit. Wenn Wasser unter Druck in hydrophobe Nanoporen in einem leitfähigen Silizium-Monolithen gepresst und anschließend wieder ausgestoßen wird, erzeugen Reibungswechselwirkungen an der Grenzfläche einen Netto-Elektronentransfer und eine elektrische Leistung. Die Forschenden vergleichen den grundlegenden Effekt mit der bekannten Erzeugung statischer Elektrizität, etwa wenn man über einen Teppich läuft und beim Berühren eines Metalltürknaufs einen kleinen Schlag erhält.
Design und Leistung
Das Team entwickelte Silizium-Monolithen mit einer Kombination aus Leitfähigkeit, definierter nanoporöser Architektur und hydrophoben Oberflächeneigenschaften, um die Wasserbewegung innerhalb der Poren zu steuern und den Energieumwandlungsprozess zu stabilisieren. Der berichtete Wirkungsgrad der Energieumwandlung liegt bei etwa 9 % für diese Fest-Flüssig-Konfiguration, was den Autoren zufolge zu den höchsten Werten gehört, die für ähnliche Nanogeneratoren berichtet wurden.
Materialien und Reproduzierbarkeit
Die Forschenden betonen, dass der Ansatz auf reichlich vorhandene Materialien setzt – Silizium und Wasser – anstatt auf seltene oder exotische Komponenten, was ihrer Aussage nach die Reproduzierbarkeit verbessert und eine potenzielle Skalierbarkeit unterstützt. Die Entwicklung eines Materialdesigns, das gleichzeitig leitfähig, nanoporös und hydrophob ist, wurde als eine kritische Herausforderung identifiziert, die das Team in seinem Fertigungsprozess bewältigte.
Potenzielle Anwendungen
- Wasserdetektionssysteme
- Tragbare biometrische Sensoren und intelligente Kleidung (Smart Garments)
- Monitore für die sportliche Leistungsfähigkeit
- Haptische Robotik und berührungsgesteuerte Sensoren
Da das Gerät die mechanische Bewegung von Flüssigkeit direkt in ein elektrisches Signal umwandelt, könnte es autarke Sensoren in Umgebungen ermöglichen, in denen herkömmliche Stromquellen unpraktisch sind.
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