Strom aus wackelnden Molekülen

Shanghai (China) - Sonnenlicht, Wärme oder Bewegung – diese im Alltag spürbaren Energieformen werden von Solarzellen oder thermo- und piezoelektrischen Kraftwerken genutzt, um mal mehr, mal weniger elektrischen Strom zu erzeugen. Doch auch die permanente Bewegung von Molekülen in Gasen und Flüssigkeiten lässt sich für die Stromgewinnung nutzen. Erstmals gelang es nun chinesischen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, diese Energiequelle mit einem ausgeklügelten Nanogenerator anzuzapfen. Wie sie in der Fachzeitschrift „APL Materials“ berichten, ist die Stromausbeute zwar verschwindend gering. Doch sehen sie in ihrer Idee ein großes Potenzial für eine neue Klasse winziger Kraftwerke für den Betrieb von Sensoren oder auch Leuchtdioden.

„Module, die die molekulare Wärmebewegung nutzen, müssen nicht von außen stimuliert werden“, sagt Yucheng Luan vom Entwicklungsunternehmen East Eight Energy in Shanghai. Dafür griff er gemeinsam mit Kollegen von der Nankai University in Tianjin zum Material Zinkoxid, um aus der Molekülbewegung in einer Flüssigkeit elektrischen Strom zu gewinnen. Die Forschenden züchteten filigrane, nur 25 Nanometer dünne und gut drei Mikrometer lange Härchen aus Zinkoxid, die sie nebeneinander senkrecht aufgereiht auf einer Unterlage anordneten. Dank des piezoelektrischen Effekts können diese Härchen mechanische Bewegung in elektrische Ladungen umwandeln.

Ihren Prototyp des neuartigen Nanogenerators setzten die Forschenden in ein Oktan-Bad, eine farblose Flüssigkeit mit einem Siedepunkt bei 126 Grad Celsius. Bei Raumtemperatur bewegten sich die Oktan-Moleküle ausreichend schnell, um über viele Stöße die Nanohärchen aus Zinkoxid zum Wackeln zu bringen. Dieses Wackeln – auch Brownsche Bewegung genannt – genügte, um über den piezoelektrischen Effekt winzige elektrische Ströme über angeschlossene Elektroden messen zu können. Mit 2,28 Millivolt und 2, 47 Nanoampere waren sowohl Spannung als auch Stromstärke allerdings noch sehr klein.

Dieser Zinkoxid-Nanogenerator zeigt, dass sich prinzipiell elektrischer Strom aus der Bewegung von Molekülen in einer Flüssigkeit gewinnen lässt. Die Ausbeute ist bisher aber so gering, dass sie noch keinen praktischen Nutzen hat. Doch hoffen die Forschenden, mit optimierten und größeren Nanogeneratoren genug Elektrizität etwa zum Betrieb kleiner Sensoren erzeugen zu können. Selbst Anlagen, die mit vielfach gekoppelten Modulen bis in die Kilowatt-Bereich vordringen, halten sie für möglich. Dazu planen sie Versuche mit anderen piezoelektrischen Materialien und verschiedenen Flüssigkeiten. Solche Minikraftwerke hätten den großen Vorteil, dass sie überall und jederzeit Strom erzeugen könnten. Denn erst am absoluten Nullpunkt von minus 273,14 Grad erstarrt die Bewegungen von Molekülen. „Wir glauben, dass dieses neuartige System in naher Zukunft ein unverzichtbarer Weg für den Menschen sein wird, um elektrische Energie zu gewinnen“, sagen Luan und Kollegen sehr optimistisch.