Robert Klatt
Dank des „generic Air-gen effect“ können nahezu alle Material kontinuierlich Elektrizität aus der Luft gewinnen, wenn diese mit Protein-Nanodrähten ausgestattet werden. Die Entdeckung könnte neue Technologien zur nachhaltigen Stromproduktion eröffnen.
Amherst (U.S.A.). Eine Ingenieursgruppe der University of Massachusetts Amherst (UMass) hat entdeckt, dass Nanoporen, die kleiner als 100 Nanometer im Durchmesser sind, es nahezu jedem Material ermöglichen, kontinuierlich elektrischen Strom aus der Luftfeuchtigkeit zu extrahieren. Die Ergebnisse der im Fachmagazin Advanced Materials publizierten Studie eröffnen laut Xiaomeng Liu neue Möglichkeiten zur Produktion sauberer Energie.
„Dies ist außerordentlich aufregend. Wir eröffnen eine breite Palette an Möglichkeiten, um saubere elektrische Energie quasi aus dem Nichts zu gewinnen.“
Die Luft enthält permanent eine hohe Menge an Elektrizität, die unter die Entstehung von Blitzen auslösen kann. Jun Yao erklärt, dass diese Ladung bisher aber nicht vom Menschen genutzt werden konnte.
„Die Luft enthält eine enorme Menge an Elektrizität. Stellen Sie sich eine Wolke vor, die im Grunde genommen nichts anderes ist als eine Masse von Wassertropfen. Jeder dieser Tropfen enthält eine Ladung und unter den richtigen Bedingungen kann die Wolke einen Blitz erzeugen – allerdings wissen wir nicht, wie man Elektrizität aus Blitzen zuverlässig einfangen kann. Was wir geschaffen haben, ist quasi eine von Menschen erschaffene, kleinskalige Wolke, die auf vorhersagbare und kontinuierliche Weise Elektrizität für uns erzeugt, sodass wir sie ernten können.“
Die künstliche Wolke basiert auf dem sogenannten „generic Air-gen effect“, den Wissenschaftler um Yao laut einer Publikation im Fachmagazin Nature bereits im Jahr 2020 entdeckt haben. Der Effekt macht es möglich, kontinuierlich Elektrizität aus der Luft zu gewinnen, indem man ein spezialisiertes Material nutzt, welches aus Protein-Nanodrähten besteht, die aus der Bakterienart Geobacter sulfurreducens gezüchtet wurden.
„Was uns nach der Entdeckung von Geobacter bewusst wurde, ist, dass die Fähigkeit, Elektrizität aus der Luft zu erzeugen, was wir damals als „generic Air-gen effect“ bezeichneten, tatsächlich universell ist. Im Grunde genommen kann jedes Material, solange es eine bestimmte Eigenschaft besitzt, Elektrizität aus der Luft gewinnen.“
Das Material muss dazu über Poren verfügen, die kleiner als 100 Nanometer (nm) sind, das entspricht weniger als einem Tausendstel der Breite eines menschlichen Haares. Dies liegt an einem physikalischen Phänomen, das als "mean free path" bezeichnet wird. Es handelt sich dabei um die durchschnittliche Strecke, die ein einzelnes Molekül einer Substanz zurücklegt, bevor es auf ein anderes einzelnes Molekül derselben Substanz trifft. Wenn Wassermoleküle in der Luft schweben, beträgt ihre mittlere freie Weglänge etwa 100 nm.
Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass sie einen Stromernter entwerfen könnten, der auf dieser Zahl basiert. Dieser Ernter bestünde aus einer dünnen Schicht eines Materials, das mit Nanoporen kleiner als 100 nm gefüllt ist, die es Wassermolekülen ermöglichen, vom oberen zum unteren Teil des Materials zu passieren. Aufgrund der geringen Größe jeder Pore würden die Wassermoleküle jedoch leicht an den Rand der Pore stoßen, während sie durch die dünne Schicht hindurchtreten.
Das bedeutet, dass der obere Teil der Schicht mit viel mehr ladungstragenden Wassermolekülen bombardiert wird als der untere Teil, was zu einem Ladungsungleichgewicht führt, ähnlich wie in einer Wolke, da der obere Teil seine Ladung im Verhältnis zum unteren Teil erhöht. Dies würde im Grunde eine Batterie erzeugen – eine, die so lange läuft, wie es eine Feuchtigkeit in der Luft gibt.
„Die Idee ist einfach, aber sie wurde noch nie zuvor entdeckt und eröffnet alle Arten von Möglichkeiten. Man könnte sich etwa Erntegeräte vorstellen, die aus einem bestimmten Material für Regenwaldgebiete und einem anderen für trockenere Regionen hergestellt sind.“
Da Luftfeuchtigkeit stets vorhanden ist, würde der Stromernter rund um die Uhr, bei jedem Wetter, auch nachts und unabhängig vom Wind arbeiten. Damit würde eines der großen Probleme von Technologien wie Wind- oder Solarenergie gelöst, die nur unter bestimmten Bedingungen funktionieren.
Überdies diffundiert die Luftfeuchtigkeit im dreidimensionalen Raum und die Dicke des Air-gen-Geräts beträgt nur einen Bruchteil der Breite eines menschlichen Haares. Daher könnten tausende von ihnen übereinander gestapelt werden, um die Energieerzeugung effizient zu steigern, ohne den Platzbedarf des Geräts zu erhöhen. Ein solches Air-gen-Gerät könnte in der Lage sein, Strom im Kilowattbereich für den allgemeinen elektrischen Verbrauch zu liefern.
„Stellen Sie sich eine zukünftige Welt vor, in der saubere Elektrizität überall dort verfügbar ist, wo Sie hingehen. Der „generic Air-gen effect“ lässt diese zukünftige Welt zur Realität werden.“
Advanced Materials, doi: 10.1002/adma.202300748
Nature, doi: 10.1038/s41586-020-2010-9
