Holzboden als Kraftwerk

Zürich (Schweiz) - Ob kleinteiliges Eichenparkett, Pitchpine oder grobe Dielen – Holzböden werden im Wohnungsbau seit Jahrhunderten gerne genutzt. Dank einer Gruppe schweizerischer Materialforscher könnten sich Holzböden in Zukunft auch zu Kraftwerken wandeln. Mit hauchdünnen Beschichtungen erzeugten flache Bretter genug elektrischen Strom, um Leuchtdioden oder auch kleine elektronische Geräte zu betrieben. Dazu reichte es aus, regelmäßig über die Bretter zu laufen und sie so etwas zusammenzudrücken. Den Prototyp eines stromerzeugenden Holzbodens präsentieren die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Matter“.

„Eigentlich zeigt Holz nicht die Eigenschaft, Elektronen abzugeben oder aufzunehmen“, sagt Guido Panzarasa, Holzforscher an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich. Doch mit zwei verschiedenen Beschichtungen ließen sich die elektrischen Eigenschaften drastisch verändern. So deponierten Panzarasa und Kollegen auf einem etwa einen Millimeter dicken Holzbrett eine hauchdünne Schicht aus einem Silikon-Kunststoff (PDMS, Polydimethylsiloxan). Auf einem zweiten Brett ließen sie winzige Nanokristalle aus einer metallorganischen Gerüstverbindung (Zeolitic imidazolate framework-8, ZIF-8) wachsen. Diese Bretter legten mit der jeweils beschichteten Seite übereinander.

Wurde nun Druck auf das Brett-Sandwich ausgeübt, bildete sich eine statische Aufladung über den triboelektrischen Effekt, auch Reibungselektrizität genannt. Dabei gab das Brett mit der Nanokristallschicht Elektronen ab, die von dem anderen Brett mit Silikonschicht aufgenommen wurde. So bildete sich eine Ladungsdifferenz, die über zwei Elektroden als elektrischer Strom abgegriffen werden konnte. Wiederholtes Zusammendrücken der beiden Bretter etwa von der Größe eines Blatt Schreibpapiers lieferte eine Spannung von gut 24 Volt bei etwa einem Drittel Mikroampere Stromstärke. Das genügte, um Leuchtdioden oder einen elektronischen Rechner mit Strom zu versorgen.

Panzarasa und Kollegen testeten ihre Beschichtungen an mehreren verschiedenen Holzarten. Die höchste Stromausbeute erzielten sie mit Brettern aus Fichtenholz, die radial aus einem Stamm herausgesägt waren. Die Rauigkeit der Holzbretter war dabei groß genug, so dass sich die elektroaktiven Schichten nur unter Druck berührten und sich ohne Druck wieder voneinander lösten. So hielt dieses Holzkraftwerk mühelos 1500 Tritte aus, bei dem jedesmal kleine elektrische Ströme erzeugt wurden.

Mit diesen Versuchen belegten die Forscher, dass beschichtete Holzbretter gut als Träger von triboelektrischen Beschichtungen taugen. Dabei dürfen die Hölzer aber weder zu glatt noch zu grob geschliffen sein. Denn bei jedem Tritt sollen sich die Holzbretter über ein möglichst großes Areal berühren und ohne Druckbelastung wieder voneinander trennen können. In weiteren Schritten wollen die Forscher die Beschichtungen weiter auf eine größere Stromausbeute hin optimieren. So ist es nicht ausgeschlossen, dass in Zukunft Holzböden zur Verfügung stehen, die beim Betreten zumindest kleine Strommengen erzeugen.