Robert Klatt
Ein neuer Generator aus einem Nanomaterial mit Mikroporen kann aus Luftfeuchtigkeit Energie gewinnen. Das in China entwickelte System kann kleine Geräte mit Strom versorgen.
Changchun (China). Forscher der University of Massachusetts Amherst (UMass) haben kürzlich eine Studie publiziert, laut der nahezu alle Materialien dank des „generic Air-gen effect“ kontinuierlich Energie aus der Luft gewinnen können. Nötig sind dazu Nanoporen, die kleiner als 100 Nanometer (nm) sind. Nun haben Wissenschaftler der Northeast Normal University (NENU) um Tuo Ji laut einer Publikation im Fachmagazin Nano Research einen Stromgenerator entwickelt, der als Energiequelle die Luftfeuchtigkeit nutzt.
„Die Luftfeuchtigkeit ist eine überall präsente und stabile Energiequelle, die großes Potenzial für Anwendungen hat.“
Die Energiegewinnung aus Luftfeuchtigkeit funktioniert, weil die in Wasserdampf enthaltenen, geladenen Teilchen elektrische Felder bilden. Diese setzen in einer Gewitterwolke hohe Spannungen frei.
Der in China entwickelte Generator besteht aus Polyoxometallaten (POM), großen Molekülen aus Metallen und Sauerstoff. Er kann den Wasserdampf einfangen und dient gleichzeitig als Ladungsträger.
„Die absorbierten Wassermoleküle werden als Medium genutzt, um diese Ionen zu bewegen und dadurch Strom zu erzeugen.“
Um im Generator möglichst viele Mikroporen zu erzeugen, haben die Forscher ein Polyoxometallat aus Phosphat, Wolfram und Kupfer verwendet. Die Polyoxometallat-Nanodrähte befinden sich als dünne Schicht auf einer fluordotiertem Zinnoxid-Glas-Unterlage (FTO), die ebenfalls als Elektrode des Generators dient. Die zweite Elektrode befindet sich auf der Oberseite der dünnen Polyoxometallatschicht.
In einer feuchten Umgebung „fangen“ die Mikroporen der Polyoxometallatschicht Wassermoleküle ein. An der oberen Schichten sammeln sich deutlich mehr Moleküle als an den tieferliegenden Schichten.
„Dieser H2O-Verteilungsgradient verursacht nun einen Ionen-Gradienten im POM, durch den positiv geladene Kationen in Bewegung geraten.“
Die Ionenbewegung im Generator produziert elektrisches Potenzial, aus dem sich Strom gewinnen lässt.
Ein sieben Mikrometer dicker Prototyp mit einer Fläche von 0,36 Quadratzentimetern wurde bei Raumtemperatur und einer Luftfeuchtigkeit zwischen zehn und 90 Prozent erprobt. Er hat bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50 Prozent eine Spannung von 0,68 Volt und eine Stromdichte von 19,5 Mikroampere pro Quadratzentimeter produziert. Auch bei anderen Luftfeuchtigkeiten konnte der winzige Generator Strom liefern.
„Anders als sonst oft beobachtet, erfolgt die Entladung durch die Kationenbewegung dabei nicht schnell, sondern ist längere Zeit stabil – der elektrische Output wird durch andere Prozesse im System stabilisiert.“
Obwohl die Energiemengen klein sind, eignet sich der neue Generator laut den Entwicklern auch für den praktischen Einsatz, etwa für Sensoren und andere elektrische Geräte mit einem geringen Energiebedarf.
„Dies ist der erste auf Feuchtigkeit basierende Stromgenerator, der aus Polyoxymetallaten besteht – dies könnte neue Ansätze für die Nutzung dieser Materialien in Niedrigenergie-Anwendungen bieten.“
Nano Research, doi: 10.1007/s12274-023-5959-5
