Minikraftwerk aus salzigem Eis

Barcelona (Spanien) - Viele Materialien erzeugen etwas Strom wenn sie verbogen werden. Diese Flexoelektrizität ist allerdings ein ausgesprochen schwacher Prozess und kann bisher nicht technisch genutzt werden. Doch eine Arbeitsgruppe mit Forschenden aus Spanien und China fanden nun einen Weg hin zu einem effizienteren Minikraftwerk aus salzigem Eis. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature Materials“ berichten, vergrößerte die Zugabe von Salz den flexoelektrischen Effekt um etwa das Tausendfache im Vergleich zu salzfreiem Eis. Die grundlegenden Experimente könnten nun zu autarken Stromquellen führen, um beispielsweise Sensoren in den vereisten Polregionen mit Energie zu versorgen.

Die Grundlage für die schwachen Stromflüsse bilden sich bewegende Ionen. Rund um ein kleines Stückchen Eis befindet sich dazu eine etwas aufgetaute, flüssige Schicht aus Salzwasser. Wird das Eis nun wiederholt verbogen, wird die flüssige Schicht und damit die darin enthaltenen Ionen in Bewegung versetzt. Diese Bewegung der elektrische geladenen Ionen verursachen damit einen winzigen Stromfluss.

Das Team um Gustau Catalan von der Campus Universitat Autónoma de Barcelona untersuchte den flexoelektrischen Effekt mit zahlreichen kleinen Eisproben systematisch. Dabei steigerten sie den Salzgehalt durch die Zugabe von Kochsalz auf bis zu 25 Gewichtsprozent. Bei tiefen Temperaturen zwischen minus 22 und minus 100 Grad Celsius setzten sie wenige Zentimeter kleine Eisproben – mal verformt zu einem konischen Kegel, mal zu einem gebogenen Stäbchen – zwischen zwei Druckstempel. Mit diesen verbogen sie die Proben wiederholt 30 bis 60 Mal pro Minute.

Während dieser Verbiegungen bestimmten die Forschenden die Verschiebung der elektrischen Ladungen und damit Polarisation. Je mehr Kochsalz im Eis enthalten war, desto stärker war der flexoelektrische Effekt. Die Eisproben zeigten elektrische Leistungsdichten von rund einem Zehntel Mikrowatt pro Kubikmeter Eis und pro einer Biegekraft von einem Newton. Für Leuchtdioden oder gar Elektromotoren sind diese Werte zwar viel zu klein. Doch für den Betrieb kleiner Sensoren könnten sie theoretisch ausreichen.

Auf der Basis dieser Laborergebnisse besteht nun die Möglichkeit, Minikraftwerke aus salzigen Eisstäbchen zu entwickeln. Wind oder auch Wellenschlag könnten die zum rhyhtmischen Verbiegen nötigen Kräfte liefern. Gelingt die Fertigung von Prototypen locken sehr günstige und zugleich autarke Stromquellen, um Sensoren in abgelegenen Eisregionen der Erde – in Zukunft vielleicht sogar auf fernen Planeten – zu betreiben.