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Wellengenerator nach Seegras-Vorbild

Flexible Streifen ermöglichen triboelektrische Stromgewinnung unter Wasser

Seegras-Wellengenerator
Wie die Blätter des Seegrases bewegen sich die flexiblen Wellengeneratoren im Wasser – und erzeugen dadurch Strom © American Chemical Society

Nachgiebige Effizienz: Ein neuartiger Wellengenerator nutzt flexible Blätter nach Vorbild des Seegrases, um aus der Wasserbewegung Strom zu gewinnen. Sobald die blattähnlichen Streifen von Strömung und Wellen gebogen werden, entsteht in ihrem Inneren elektrischer Strom. Solche Mini-Wellenkraftwerke auf Basis triboelektrische Nanogeneratoren könnten in Zukunft Leuchtbojen, Unterwassersensoren oder andere Geräte mit Energie versorgen.

Wenn es um die Nutzung der Meeresenergie geht, sind zurzeit vor allem große Anlagen im Spiel. Als fest installierte Gezeitenkraftwerke gewinnen sie Strom aus den Strömungen bei Ebbe und Flut. Wellengeneratoren in Form von schwimmenden Anlagen nutzen dagegen vorwiegend die Energie der Brandung. Einige dieser Wellenkraftwerke werden zurzeit vor der schottischen Küste getestet. Allerdings: Die meisten dieser Anlagen sind aufwendig, groß und nur bei starkem Wellengang effektiv.

Aufbau S-TENG
Aufbau der Nanogenerator-Streifen. © American Chemical Society

Wie mechanische Verformung Strom erzeugt

Aber es geht auch anders, wie nun ein chinesisches Forscherteam um Yan Wang von der Maritimen Universität Dalian demonstriert. Sie haben für ihren Wellengenerator das Prinzip der triboelektrischen Stromerzeugung ins Wasser gebracht – der Energiegewinnung durch statische Elektrizität. Im Kern bestehen triboelektrische Nanogeneratoren (TENG) aus mehreren Schichten von leitfähigen Materialien, die Ladungen austauschen, wenn sie miteinander in Kontakt kommen.

Der Clou dabei: Durch dieses Prinzip lässt sich mechanische Energie in Form von Bewegung in Strom umwandeln. Denn im Ruhezustand sind die Schichten im Generator durch eine Lücke getrennt. Werden diese Lagen aber gebogen, zusammengedrückt oder anderweitig deformiert, fließt Strom. Nanogeneratoren nach diesem Prinzip wurden schon als stromerzeugende Schuhsohlen, in Bodenbelägen oder sogar für Herzschrittmacher getestet.

Seegras als Vorbild

Der von Wang und seinem Team entwickelte Wellengenerator ist vom Seegras inspiriert: Er besteht aus langen flachen Streifen des triboelektrischen Schichtmaterials, die unten befestigt sind, aber mit ihrem oberen Ende frei im Wasser schweben. Wie die Blätter des Seegrases werden diese Streifen bereits durch schwache Strömungen oder Wellen hin und herbewegt. Bei dieser Bewegung werden die Streifen in verschiedene Richtungen gekrümmt und gestreckt.

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Im Inneren des „Seegras-Generators“ führt diese Verformung dazu, dass eine luftgefüllte Schwammschicht zwischen zwei leitfähigen Polymerstreifen zusammengedrückt wird. Dies bringt die Polymere in Kontakt und erlaubt den Austausch von Ladungen. Schwimmt das streifenförmige „Blatt“ dagegen gerade im Wasser, hält der Schwamm die beiden Leiter auf Abstand.

So funktioniert der Seegras-Wellengenerator.© American Chemical Society

Energie für Leuchtbojen, Messnetze und Co

In ersten Tests lieferten Prototypen dieses Wellengenerators nach Seegras-Prinzip schon bei geringer Wasserbewegung genügend Strom, um 30 LEDs oder einen Miniaturleuchtturm aufleuchten zu lassen. Auch unter einem Druck, wie er in zehn Meter Wassertiefe herrscht, funktionierte die Stromgewinnung noch gut, wie die Forscher berichten. Je mehr einzelne Blätter eine solche Anlage umfasst, desto mehr Strom kann sie produzieren.

„Die Demonstrations-Experimente sprechen dafür, dass solche flexiblen, günstigen Seegras-TENGs künftig eine gute Alternative zu Batterien für küstennahe Instrumenten und Geräte sein könnten“, konstatieren Wang und seine Kollegen. Diese Wellengeneratoren könnten beispielsweise genutzt werden, um Bojen, Unterwasser-Messnetze oder sogar größere Kraftwerke an den Meeresküsten zu betreiben. (ACS Nano, 2021; doi: 10.1021/acsnano.1c05127)

Quelle: American Chemical Society

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