Ein europäisches Forschungsteam unter Beteiligung der Technischen Universität Hamburg (TUHH) und des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY hat eine neuartige Methode entwickelt, um mechanische Energie in elektrische umzuwandeln – mithilfe von Wasser, das in nanometergroßen Poren von Silizium eingeschlossen ist.
In einer Studie, veröffentlicht in Nano Energy (Elsevier), zeigen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von CIC energiGUNE (Spanien), der Universität Ferrara (Italien), der TU Hamburg und DESY (Deutschland), der Universität Schlesien in Katowice (Polen) sowie der Technischen Universität Riga (Lettland) – unterstützt vom TUHH-Exzellenzcluster „BlueMat – Water-Driven Materials“ – , dass das zyklische Eindringen und Austreten von Wasser in wasserabweisende, nanoporöse Siliziummonolithe messbare elektrische Energie erzeugen kann.
Nanoporöses Silizium erzeugt Strom aus Reibung mit Wasser
Das entwickelte System, ein sogenannter Intrusion–Extrusion triboelektrischer Nanogenerator (IE-TENG), nutzt Druck, um Wasser zyklisch in winzige Poren zu pressen und wieder herauszulassen. Während dieses Prozesses werden elektrische Ladungen an der Grenzfläche zwischen Siliziumporenwand und Flüssigkeit getrennt. Das ist eine Art Reibungselektrizität, wie sie häufig im Alltag entsteht. Ein Beispiel, das bestimmt jeder kennt: Man geht mit Schuhen über einen PVC-Teppich. Dabei gehen Elektronen von einem Körper auf den anderen über, es sammelt sich Ladung an, die sich schlagartig entlädt, wenn ein dritter Körper berührt wird. Wie beispielsweise durch den Kontakt mit der Türklinke: Die Ladung fließt ab, man bekommt einen kleinen elektrischen Schlag.
Die Wissenschaftler haben bei ihren Versuchen eine Energieumwandlungseffizienz von bis zu neun Prozent erreicht, das zählt zu den höchsten Werten, die bislang für Fest-Flüssig-Nanogeneratoren berichtet wurden. „Selbst reines Wasser kann, wenn es im Nanomaßstab eingeschlossen ist, durch Reibung elektrischen Strom erzeugen“, sagt Prof. Patrick Huber, Sprecher des Exzellenzclusters BlueMat – Water-Driven Materials an der Technischen Universität Hamburg (TUHH) und DESY. Dr. Luis Bartolomé (CIC energiGUNE) ergänzt: „Die Kombination von nanoporösem Silizium und Wasser ermöglicht eine effiziente, reproduzierbare Energiequelle – ganz ohne Nutzung von exotischen Materialien, sondern nur unter Nutzung des am häufigsten vorkommenden Halbleiters auf der Erde, Silizium und der am häufigsten vorkommenden Flüssigkeit, Wasser.“
Materialforschung als Schlüssel
„Entscheidend war die Entwicklung von präzise kontrollierten Siliziumstrukturen, die sowohl elektrisch leitfähig als auch nanoporös und hydrophob sind“, erklärt Dr. Manuel Brinker von der Technischen Universität Hamburg. „Diese Architektur erlaubt es uns, die Bewegung von Wasser im Inneren der Poren gezielt zu steuern – und damit den Energieumwandlungsprozess stabil und skalierbar zu gestalten.“
Die Technologie eröffnet neue Perspektiven für autonome, wartungsfreie Sensorsysteme ganz ohne eigene Batterie oder Stromversorgung – etwa um Wasser aufzuspüren, für Sport- und Gesundheitsmonitoring in intelligenten Textilien oder für die haptische Robotik, bei der Berührung oder Bewegung direkt elektrische Signale erzeugt.
„Wassergetriebene Materialien markieren den Beginn einer neuen Generation selbstversorgter Technologien“, betonen die korrespondierenden Autoren Prof. Simone Meloni (Universität Ferrara) und Dr. Yaroslav Grosu (CIC energiGUNE).