Stromfasern als Minikraftwerk

Federleichter Prototyp erzeugt genug Strom für eine Leuchtdiode – Anwendung für Wearables und Wellenkraftwerke
Mikroskopsaufnahme der verdrillten Faser aus Kohlenstoffnanoröhrchen, die über Dehnungen elektrischen Strom erzeugen kann.
Mikroskopsaufnahme der verdrillten Faser aus Kohlenstoffnanoröhrchen, die über Dehnungen elektrischen Strom erzeugen kann.
© University of Texas at Dallas
Dallas (USA)/Seoul (Südkorea) - Das T-Shirt als autarkes Kraftwerk: mit einem neuen Typus Strom erzeugender Fasern ist nun eine koreanisch-amerikanische Arbeitsgruppe dieser Zukunft ein großes Stück näher gekommen. Aus tausenden Nanoröhrchen aus Kohlenstoff spannen sie einen hochfesten und flexiblen Faden, der beim Dehnen genug Elektrizität für den Betrieb von Sensoren und Leuchtdioden liefern konnte. Wie die Forscher in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, erreichten ihre Stromfasern eine Leistung von bis zu 250 Watt pro Kilogramm und damit deutlich mehr als andere bisher entwickelte Stromfasern.

„Elektrische Energie aus Körperbewegungen zu gewinnen ist eine Strategie, um Batterien in intelligenter Kleidung zu ersetzen“, sagt Ray Baughman von der University of Texas in Dallas. Gemeinsam mit seinen Kollegen von der Hanyang University in Seoul züchtete Baughman mehrwandige Nanoröhrchen aus Kohlenstoff, die auf einer Unterlage wie die Grashalme auf einer Wiese senkrecht nebeneinander standen. Die Nanoröhrchen verdrillten sie über ein spezielles Spinverfahren zu einem eng gezwirbelten Faden, der sich elastisch auseinander ziehen ließ. Getränkt in einem leitfähigen Elektrolyten wie beispielsweise einer Kochsalzlösung, wandelten sich diese verdrillten Fasern zu einem Superkondensator.

Wurden diese Stromfasern nun um bis ein Drittel gedehnt, wurden sie schmaler und die elektrischen Ladungen des Elektrolyten näherten sich aneinander an. Diese mechanische Bewegung erzeugte kleine Spannungspulse von etwa 80 Millivolt bei einer Stromstärke von einigen Dutzend Mikroampere. Mit den besten verdrillten Stromfasern erzielten die Wissenschaftler bei 30 zyklischen Dehnungen pro Sekunde eine rechnerische Leistung von bis zu 250 Watt pro Kilogramm. Da die einzelnen Fasern mit einigen Mikrogramm jedoch sehr leicht waren, war die Stromausbeute pro Faser zwar gering, reichte jedoch zum Betrieb einer Leuchtdiode oder – eingewoben in einen Stoff – zur Versorgung eines Pulssensors aus.

Mit diesen Strom erzeugenden Garnen wollen Baughman und Kollegen aber nicht nur eine mobile Stromquelle entwickeln, die sich etwa in Sportkleidung zum Betrieb von Sensoren eignet und Akkus überflüssig machen könnte. Auch für einen neuen Typus von kleinem Wellenkraftwerk seien zu dickeren Tauen gebündelte Stromfasern geeignet. Eingespannt zwischen einer Schwimmboje und einem Senkblei könnten diese Taue bei jeder Welle gedehnt werden und mit den dabei entstehenden Spannungspulsen einen Kondensator oder gar einen Akku nach und nach aufladen. Mit dem so gewonnenen Strom ließen sich etwa Messbojen autark betreiben. Vor einer praktischen Anwendung gilt es jedoch, die Fertigungskosten der heute noch relativ teuren Nanoröhrchen aus Kohlenstoff drastisch zu senken.

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