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MICRO ENERGY HARVESTING

Felder und Wellen

Wärme (VI)


Prof. Zhong Lin Wang vom Georgia Institute of Technology (Georgia Tech), der auch im Bereich der triboelektrischen Generatoren und der piezoelektrischen Zinkoxid-Nanodrähte aktiv ist, stellt im November 2012 (oder bereits im Juni?) einen pyroelektrischen Nanogenerator (PENG) vor, der Strom aus zeitlichen Temperaturänderungen gewinnen kann.

PENG

PENG

Dem Team um Wang gelingt es mit einem solchen Gerät, das nur halb so groß ist wie eine Briefmarke ist, genug Strom zu erzeugen, um Elektronik-Komponenten mit ausreichend Energie zu versorgen. Hierfür reichen schon die Temperaturunterschiede aus, die durch einen Luftzug, Sonneneinstrahlung oder tages- und jahreszeitbedingte Temperaturschwankungen verursacht werden.

Im Gegensatz zu den bestehenden Konzepten, die zumeist auf der Nutzung örtlicher Temperaturunterschiede an den zwei Enden eines entsprechenden Generators basieren, erlaubt der bisher kaum erforschte pyroelektrische Effekt die Erzeugung von Strom aus zeitlichen Veränderungen der Temperatur, wobei bisherige Generatoren auf dieser Grundlage lediglich Spannungen unter 0,1 V geliefert haben.

Der neue PENG besteht aus einer 175 µm dicken Folie aus Blei-Zirkonat-Titanat, von dem ein Stück mit den Maßen 21 x 12 mm bei einer Temperaturänderung um 45 Kelvin mit einer Geschwindigkeit von 0,2 Kelvin pro Sekunde bis zu 22 V Spannung bei 430 nA liefert, was ausreicht, um ein kleines LCD mit Energie zu versorgen. Für den Betrieb größerer Geräte reicht die PENG-Energie aber noch nicht aus.


Ebenfalls im November 2012 erscheint die 3. Version eines Artikels von Xinyong Fu und Zitao Fu von der Shanghai Jiao Tong University, der erstmals im Jahr 2003 veröffentlicht worden ist und mit dem Satz „Energy is immortal“ endet. Eine frühe Annährung an das Thema stammt bereits von 1982.


Elektronenbewegung ohne (links)
und mit Magnetfeld (Grafik)

In dem Bericht geht es um die Verwirklichung des Maxwell-Dämons – ein von dem schottischen Physiker James Clerk Maxwell im Jahr 1871 veröffentlichtes Gedankenexperiment, mit dem er den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik in Frage stellt. Beschrieben wird darin ein Behälter, der durch eine Trennwand geteilt ist, die eine kleine verschließbare Öffnung enthält. Anfangs enthalten beide Hälften Luft gleicher Temperatur, doch ein Wesen, das die Moleküle ,sehen’ kann, öffnet und schließt die Verbindungsöffnung so, daß die schnellen (wärmeren) Moleküle in der einen, und die langsamen (kälteren) Moleküle in der anderen Hälfte des Behälters gesammelt werden. Mit der resultierenden Temperaturdifferenz ließe sich dann z.B. eine Wärmekraftmaschine betreiben.

Die Frage lautet also: Gibt es einen Mechanismus, der die Bewegung von energiereichen Teilchen in eine bestimmte Richtung begünstigen würde? Fu und Fu’s Arbeit wurde bislang entweder belächelt oder ignoriert. Umso wichtiger ist es, sie hier aufzuführen, schließlich ist sie auch experimentell belegt, wie dem Bericht zu entnehmen ist.

In der Kurzbeschreibung heißt es: Zwei gleiche und parallel angeordnete Ag-O-Cs Flächen in einer Vakuumröhre emmitieren bei Raumtemperatur ununterbrochen Elektronen. Ein statisches Magnetfeld um die Röhre (das keine Energie benütigt) spielt die Rolle des ,Maxwellschen Dämon’, indem es die thermischen Elektronen so steuert, daß sie von einer Ag-O-Cs Oberfläche zur anderen fliegen. Dadurch sammeln sich auf den beiden Oberflächen positive und negative Ladungen, sodaß ein elektrisches Potential zwischen den beiden Oberflächen entsteht.

Wird eine Last an die beiden Flächen angelegt, fließt ein kontinuierlicher Strom, wobei die die Umgebungsluft den alleinigen Wärmespeicher darstellt – und die gesamte Wärme, welche  die Röhre aus der Luft extrahiert, wird in elektrische Energie umgewandelt, ohne jegliche anderen Effekt hervorzurufen.

Praktische Umsetzungen sind allerdings noch nicht auszumachen, auch nicht seitens anderer Personen, die sich mit der Thematik befassen sollen, wie der italienische Mathematiker und Physiker Germano D’Abramo oder der amerikanische Anwalt Daniel P. Sheehan.

 


Einen Heißluft-Stirling-Motor verwendet auch der onE Puck der Epiphany Laboratories aus Pittsburgh, Pennsylvania, der im Februar 2013 bekannt wird, als die Firma eine Kickstarter-Kampagne startet, um nach Investoren Ausschau zu halten. Das Team hatte zuvor im Rahmen der Schwestergesellschaft Epiphany Solar Water Systems (SWS) drei Jahre damit verbracht, ein solarbetriebenes Wasseraufbereitungs-Gerät zu optimieren, das Millionen von Leben retten soll.

Bei dem aktuellen Projekt handelt es sich um einen tragbarern Stromerzeuger, der auf eine möglichst hohe Temperaturdifferenz zwischen der roten und blauen Platte (bzw. Seite) setzt, um umweltfreundliche Energie für iPhone und ähnliche Geräte bereitzustellen. Wird ein heißer Kaffee auf die rote Seite - oder ein eiskaltes Getränk auf die blaue Seite des oneE Puck gestellt, beginnt nach wenigen Augenblicken der Ladevorgang. Der maximale Output des Geräts soll bei 5 W liegen.

Der zu einem Preis von mindestens 99 $ plus Versand angebotene oneE Puck wird angenommen: Bereits Anfang April sind von 1.175 Unterstützern insgesamt 132,739 $ eingenommen worden, um dieses Projekt zu verwirklichen.

Nach der letzten Meldung im August 2015, in der im Grunde nur von Problemen berichtet wird, ist überhaupt nichts mehr darüber zu hören. Völlig unklar ist, was derweil mit den eingesammelten Geldern passiert ist. Entsprechend verärgert reagieren die Unterstützer.

Bottle Charger Prototyp

Bottle Charger Prototyp


Eine weitere Crowdfunding-Kampagne geht schon zu Beginn baden: Ebenfalls im Februar 2013 will eine Gruppe von Designern um Ryan Johnstone in Nairobi, Kenia, via IndieGogo Geld sammeln, um aus gebrauchten Kunststoff-Flaschen ein 5 W Ladegerät zu konstruieren, mit dem Handys und Smartphones mit Strom versorgt werden können.

Der sogenannte Bottle Charger soll mittels der Miniaturausführung einer Blackbeard unidirektional Constant Turbine (BUCT) funktionieren, von der man bislang allerdings noch nie etwas gehört hat. Dabei würde es ausreichen, eine Tasse kochendes Wasser in die Flasche zu füllen, um mit dem Anstieg und Fall der Temperatur genügend Strom zu erzeugen, um ein Handy in nur 15 – 30 Minuten aufzuladen.

Statt der erhofften 25.000 $ legen jedoch nur fünf Unterstützer magere 160 $ auf den Tisch – womit sich die Angelegenheit erst einmal erübrigt hat, auch wenn davon gesprochen wird, daß man nach der Prototyp-Phase bereits mit der Entwicklung der zweiten Generation beschäftigt sei.


Im April 2014 berichten die Fachblogs über eine neue eine Methode, Solarenergie auch im Dunkeln zu gewinnen. Die Wissenschaftler des MIT und der Harvard University um Prof. Jeffrey C. Grossman und den Postdoktoranden Timothy J. Kucharski realisieren diesen Durchbruch mit Materialien, die sie Photoswitches nennen, und die die als ihre eigenen Batterien agieren, indem sie Wärmeenergie absorbieren und bei Bedarf wieder freigeben.

Einige Moleküle, die als Photoschalter bekannt sind, können eine von zwei unterschiedlichen Formen annehmen, als ob sie ein Scharnier in der Mitte hätten. Werden sie der direkten Sonnenbestrahlung ausgesetzt, bewirkt dies, daß sie Energie absorbieren und von einer Konfiguration zur anderen springen, die dann für lange Zeiträume stabil bleibt.

Um dieser Energie wieder freizusetzen reicht es, die Moleküle einer geringen Menge an Licht, Wärme oder Elektrizität aussetzen. Dabei wechseln sie wieder in die andere Form und geben die vormals gespeicherte Wärme ab. Die Moleküle können die Wärme im Prinzip für immer speichern und zudem endlos wiederverwendet werden. 

Den Wissenschaftler gelingt es, die Funktionsfähigkeit des Phänomens namens Photoschaltbarkeit im Labor zu demonstrieren, indem sie Azobenzol-Moleküle auf einem Substrat aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen anbringen. Die Herausforderung dabei besteht darin, die Moleküle eng genug zusammenzupacken, um eine ausreichende Energiedichte für die Erzeugung nutzbarer Wärme zu erreichen.

Nachdem es anfänglich danach aussieht, daß die Forscher versagt hätten, als sie nur in der Lage waren, weniger als die Hälfte der benötigten Anzahl der Moleküle zusammenzupacken, die in einer früheren Computersimulation des Experiments festgelegt worden war, stellt sich bald heraus, daß der Schlüssel nicht darin besteht, so viel Azobenzol-Moleküle wie möglich fest auf einzelne Kohlenstoff-Nanoröhren zu packen, sondern die Nanoröhrchen dicht zusammen zu packen. Damit erreichen sie eine 200 %ige Steigerung der Energiedichte.

Kucharski-Versuch

Kucharski-Versuch

Die Erklärung dafür besteht darin, daß die Azobenzol-Moleküle auf den Kohlenstoff- Nanoröhrchen ,Zähne’ bilden, wobei die Zähne benachbarter Nanoröhrchen ineinander greifen. Als Ergebnis wird die Masse erreicht, die für eine brauchbare Menge an Energiespeicherleistung benötigt wird. Nach Ansicht der Forscher bedeutet dies, daß verschiedene Kombinationen von Photoschaltungs-Molekülen und Substraten die gleiche oder eine noch höhere Energiespeicherfägigkeit erreichen könnten.

Der Bau einer praktikablen und skalierbaren ,ewigen Wärmemaschine’ steht allerdings noch bevor. Wenn die Technologie schließlich vermarktet wird, dann am ehesten in einer leicht zu transportierenden flüssigen Form. Damit wäre auch eine Aufladung möglich, indem das Material aus einem Vorratsbehälter vor einem Fenster oder in einem durchsichtigen Schlauch entlang fließt und der Sonne ausgesetzt wird, um dann in einem anderen Vorratsbehälter zu bleiben, bis es gebraucht wird.

Einen Einsatzbereich sehen die Wissenschaftler beim solaren Kochen, wo das Gerät während des Tages einfach in der Sonne stehen gelassen wird. Einer der Entwürfe für eine solche Anwendung ist rein Schwerkraft-betrieben. Dabei wird die Strömungsrate von einem Tank zum anderen so eingeschränkt, daß das Material lange genug der Sonne ausgesetzt ist, um sich vollständig aufzuladen. Um dann nach Sonnenuntergang das Abendessen zu kochen, wird die Strömungsrichtung – wieder durch die Schwerkraft angetrieben – umgekehrt und die gegenüberliegende Seite der Vorrichtung als Kochfläche verwendet. Während das Material in den ersten Behälter zurückfließt, passiert es einen immobilisierten Katalysator, der den Energie-Freigabevorgang auslöst und damit die Kochfläche aufheizt.

Andere Versionen solcher Vorrichtungen könnten verwendet werden, Gebäude zu beheizen. Wann es denn soweit sein wird, können die Forscher allerdings noch nicht sagen.


Ein Team um Gang Chen vom Massachusetts Institute of Technology (MIT), an dem auch Kollegen der Stanford University und dem SLAC National Accelerator Laboratory beteiligt sind, berichtet im November 2014 darüber, daß es den Prototyp eines Akkus entwickelt habe, dessen Ladung sich erhöht, wenn die Temperatur steigt – aber auch wenn sie fällt. Damit könnte eines Tages alleine der Wärmeunterschied zwischen Tag und Nacht ausreichen, um eine Batterie aufzuladen.

Das neue Akku-Prinzip beruht auf den sogenannten thermodynamischen Reaktionszyklen (Thermally regenerative electrochemical cycle, TREC). Es ist schon länger bekannt, daß sich das elektrochemische Verhalten mancher Stoffe mit der Temperatur ändert (thermogalvanischer Effekt). Bislang konnte man diesen Effekt jedoch nur für hohe Temperaturen verwenden, während der Akku des MIT-Teams dieses Prinzip bei Temperaturen deutlich unter 100°C nutzt und dabei auch keine externe Energiezufuhr benötigt.

Im Gegensatz zu früheren Vorschlägen, bei denen der Akku bei niedriger Temperatur T1 entladen und bei höherer Temperatur T2 geladen wurde, was nur mit der Zufuhr zusätzlicher elektrischer Energie funktionierte, kehren sich bei dem neuen System bei den Temperaturen T1 und T2 die elektrochemischen Eigenschaften von Anode und Kathode um. Dadurch wird der Akku sowohl bei T1 als auch bei T2 entladen (nur mit umgekehrter Polarität).

Der Ladeprozeß wird hingegen durch vorsichtiges Abstimmen der Zusammensetzung der Elektroden rein durch Wärmeenergie angetrieben, zusätzliche Elektrizität wird keine benötigt. Als aktive Elektroden-Materialien werden günstig herstellbare und ungiftige Stoffe gewählt: einerseits gelbes und rotes Blutlaugensalz (Kaliumhexacyanoferrat) und andererseits der Farbstoff Preußisch Blau in Form von Nanokugeln. Der Elektrolyt besteht aus einer wäßrigen Lösung von Salpeter (Kaliumnitrat), während die beiden Kammern der Batterie durch eine Nafionmembran voneinander getrennt sind.

Hierdurch wird erreicht, daß die Elektroden zwischen 20 und 60°C ihre Polarität wechseln: Bei 20°Cist die Elektrode mit Preußisch Blau der Minuspol und die Elektrode mit dem Blutlaugensalz der Pluspol - bei 60°C ist es genau umgekehrt. Mit dem Abkühlen auf 20°C baut sich eine Spannung auf, worauf sich die Batterie anschließend sich langsam entlädt – und damit ein Strom fließt. Da dasselbe auch beim Erhitzen auf 60°C geschieht, entsteht ein Kreislauf: Sowohl mit dem Erwärmen als auch mit dem Abkühlen wird eine Spannung erzeugt.

Bei dem aktuellen Prototyp erreicht der komplette Prozeß zwar nur eine Effizienz von 2 % Prozent, was aber trotzdem um eine Größenordnung mehr ist als die Ausbeute von thermogalvanischen Zellen, mit denen ebenfalls Strom aus der Umgebungswärme gewonnen werden soll. Zudem gilt das neue Verfahren als attraktiv, da das Gerät keine teuren Materialien benötigt und relativ einfach aufgebaut ist. Außerdem hält die Batterie im Langzeitversuch tausend Ladezyklen mit nur minimalem Spannungsverlust durch.


Prof. Lukas Worschech von der Universität Würzburg in Deutschland, der sich ursprünglich damit beschäftigt, Quanteneffekte im Bereich der Informationsverarbeitung zu nutzen, verwendet einem Bericht vom April 2015 zufolge zwei Quantenpunkte (quantum dots), um aus Spannungsrauschen einen elektrischen Strom zu erzeugen.

Daß sich diese Energie auf eine spezielle Weise dazu nutzen lassen könnte, Strom zu erzeugen, haben vor ein paar Jahren Physiker der Universität Genf theoretisch vorhergesagt. Die Entwicklung könnte nun zu neuartigen Systemen führen, welche die Abwärme elektronischer Geräte in nutzbare Energie umwandeln.

Zusammen mit Sven Höfling und weiteren Kollegen kann Worschech experimentell nachweisen, daß zufällige Spannungsschwankungen gleichgerichtet werden können, um einen Gleichstrom zu erzeugen. Im Experiment wird ein Spannungsrauschen verwendet, um die heißen und kalten Stellen von Abwärmeemittern zu simulieren, weshalb es keine direkte Demonstration einer Umwandlung von Abwärme in Arbeit darstellt. Trotzdem kann damit gezeigt werden, daß kleine Spannungsschwankungen einen Strom ,antreiben’ können.

Im Prinzip erzeugt das Bauteil aus zufälligen Bewegungen Energie, wobei es im vorliegenden Fall um Bewegungen von Elektronen in Strukturen geht, die nur wenige milliardstel Meter groß sind. Je größer die Fluktuationen in dieser Struktur sind, desto stärker sind die zufälligen Bewegungen – also das Rauschen. Ein hohes Rauschen findet sich dort, wo die Hitze groß ist, während das Rauschen an den kälteren Stellen niedriger ist. Die Kunst ist es nun, aus diesem Unterschied einen gleich­gerichteten Strom zu produzieren.

Das Experiment selbst besteht aus zwei Quantenpunkten, die hergestellt werden, indem eine Aluminium/Galliumarsenid-Hetero­struktur schichtweise auf einem Trägermaterial aufgebracht wird. Anschließend werden dort spezielle Strukturen hineingeätzt, in denen sich Elektronen bewegen können. Die beiden Halbleiter-Scheiben mit einen Durchmesser von etwa 300 nm sitzen übereinander und sind 150 nm weit voneinander getrennt um sicherzustellen, daß sie Energie über eine Coulomb-Kopplung austauschen – der elektrostatischen Kraft, die Teilchen auflädt, welche sich in einem Abstand voneinander befinden –, im Gegensatz zu Elektronen, die physikalisch zwischen den beiden Subsystemen herumspringen.

Die Forscher schließen dann drei leitende Verbindungen an das System: zwei an den oberen Quantenpunkt, um dem Strom zu ermöglichen über den Punkt zu fließen, und eine an den unteren Quantenpunkt, um diesen mit einer Spannungsquelle von einigen Volt zu verbinden, die ein darüber gelegtes Rauschen im Millivolt-Bereich aufweist.

Wird die Intensität des Lärms gesteigert, der an dem tieferen Quantenpunkt angelegt wird, können die Forscher über dem oberen Quantenpunkt größere Ströme messen. Dabei folgt die Steigerung einem quadratischen Trend: Wird das Spannungsrauschen verdoppelt, vervierfacht sich der maximale Strom, zumindest bei einem Rauschpegel im Millivolt-Bereich und bei Strömen, die in Nanoampere gemessen werden. Eine obere Grenze, die den Strom des Geräts begrenzt, soll den Wissenschaftlern zufolge zwar existieren, konnte bislang aber noch nicht festgelegt werden.

Die Forscher zeigen auch, daß sich die Richtung des Stroms durch Ändern der Spannungen in den mit dem oberen Quantenpunkt verbundenen Leitungen umkehren läßt. Dadurch ist es für Elektronen energetisch günstig, in Abhängigkeit von der Spannung in die eine oder andere Richtung zu fließen.

Eine wesentliche Einschränkung bildet die Tatsache, daß die Quantenpunkte in flüssiges Helium eingetaucht sein müssen, was für praktische Umsetzungen ziemlich unpraktisch ist. Die größte Herausforderung ist daher ein Gerät zu bauen, das auch bei Raumtemperatur arbeitet und auch eine höhere Energie­ausbeute als die gegenwärtig rund 20 pW erreicht. Darüber hinaus sind weitere Arbeiten erforderlich um zu zeigen, daß Ströme anstatt durch Spannungsrauschen auch durch thermische Fluktuationen angetrieben werden können.


Im September 2015 präsentiert der französische Automobilzulieferer Faurecia auf der IAA das laut eigenen Angaben weltweit erste System, das die fahrzeugeigene Abgaswärme direkt in Elektrizität oder mechanische Energie umwandelt.

Das Exhaust Heat Power Generation (EHPG) genannte System erzeugt die Elektrizität ähnlich wie ein Kraftwerk mit Hilfe eines Wärmetauschers (Verdampfers), der in den Abgasstrang eingebaut wird. In dem Wärmetauscher wird die Wärmeenergie aus den Auspuffrohren auf eine Flüssigkeit übertragen, welche die Energie in Druckdampf umwandelt und damit einen Expander bzw. eine Turbine antreibt.

Die Welle des Expanders bzw. der Turbine kann mit dem Getriebe eines Lastwagens verbunden werden und so die Räder direkt antreiben, während der Expander bei Hybrid-Pkw mit einem Generator gekoppelt werden kann, der Elektrizität erzeugt, die dann in der Batterie des Fahrzeugs gespeichert wird. Der Dampf wird derweil erneut kondensiert und seine Restwärme an das Kühlsystem des Fahrzeugs abgegeben.

Mit dem 1015 kW mechanische Energie erzeugenden EHPG soll sich der Kraftstoffverbrauch bei Lkws um 5 % verringern lassen, und dies trotz des Zusatzgewichts, das dieses System mit sich bringt. Damit soll sich der Preis des Systems  innerhalb von zwei Jahren amortisieren. Bei Pkws mit Hybridmotor generiert der EHPG zusätzlich 1 – 2 kW elektrische Energie, womit der Kraftstoffverbrauch um etwa 7 % gesenkt werden kann. Das erste EHPG-System von Faurecia wird in Lkws des Baujahrs 2020 zu finden sein, danach soll die Produktion von Versionen für neue Hybrid-Pkws beginnen.


In einem Bericht vom Januar 2016 beschreiben Forscher der University of Rochester im Bundesstaat New York ein neues, formwechselndes Polymer, das auf Körperwärme reagiert. Das von Prof. Mitchell Anthamatten und seinem Doktoranden Yuan Meng entwickelte Material ist eine Art Formgedächtnispolymer, das so programmiert werden kann, daß er eine temporäre Form solange beibehält, bis es angestoßen wird – typischerweise durch Wärme –, in seine ursprüngliche Form zurückzukehren.

Anthamatten-Polymer

Anthamatten-Polymer

Neben dem Abstimmen der Auslösetemperatur wird das Material auch so gestaltet, daß es eine große Menge an elastischer Energie speichern kann, wodurch es während seiner Formwiederherstellung mehr mechanische Arbeit zu leisten vermag. Beim Dehnen des Materials wird eine Kraft ausgeübt, welche seine interne Struktur kristallisieren läßt (strain-induced crystallization). Dabei entstehen Segmente, die als chains (Ketten) bezeichnet werden und sich in der spezifischen Form des Materials anordnen.

Der Schlüssel zur Entwicklung des neuen Polymers war herauszufinden, wie sich die Kristallisation steuern läßt, die auftritt, wenn das Material abgekühlt oder gedehnt wird. Wenn das Material verformt wird, werden Polymerketten lokal gedehnt und kleine Segmente des Polymers richten sich in kleinen Bereichen oder Domänen in der gleichen Richtung aus. Diese Kristallite genannten Segmente fixieren das Material in einem vorübergehend verformten Aufbau. Je mehr die Anzahl der Kristallite zunimmt, umso stabiler wird die Polymerform – womit es für das Material immer schwieriger wird, wieder in seine Ausgangs- oder Permanent-Form zurückzukehren.

Die Fähigkeit zum Abstimmen des Auslösetemperatur wird durch die Einführung molekularer  Streben erreicht, welche die einzelnen Polymerstränge miteinander verbinden. Als das Team entdeckt, daß diese Streben die Kristallisation hemmen, aber nicht stoppen, wenn das Material gedehnt wird, ist es in der Lage, durch Ändern der Anzahl und Art der verwendeten Streben und wie sie im gesamten Polymernetzwerk verteilt sind die Materialstabilität einzustellen und exakt den Schmelzpunkt der Kristalle zu bestimmen, an dem die Formänderung ausgelöst wird.

Im Hinblick auf die anvisierten Verwendungsmöglichkeiten in der Medizin erforschen die Wissenschaftler, wie viele dieser Streben nötig sind, um die Umschlagtemperatur, bei der die internen Ketten kollabieren und das Material zu seiner permanenten Form zurückkehrt, auf genau 35°C einzustellen, also knapp unterhalb der Körpertemperatur. Das Material ist außerdem in der Lage Objekte anzuheben, welche das Tausendfache der eigenen Masse haben.


Im Februar 2016 folgt eine Veröffentlichung der University of Surrey in England, wo Wissenschaftler mit Hilfe einer neuartigen Technik namens Nano-Texturierung ultradünne Graphenschichten so modifizieren, daß sie damit das bislang effizienteste lichtabsorbierende Material kreieren, das Strom sowohl aus eingefangenem Licht als auch aus Abwärme erzeugen kann.

Neben seiner hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit und bemerkenswerten mechanischen Festigkeit hat Graphen auch interessante optische Eigenschaften, da es durch viele verschiedene Lichtfrequenzen erregbar ist – vom ultravioletten und sichtbaren Licht bis über das gesamte Infrarotspektrum. Da das Graphen aber nur ein einziges Atom dick ist, erfaßt es Licht und Wärme nicht besonders effizient.

Das Team um S. Ravi P. Silva, in dem auch Kollegen der Firmen BAE Systems und QinetiQ mitwirken, sucht die Lösung in der Natur – und nimmt sich die Augen von Motten zum Vorbild, die mikroskopische Strukturierungen aufweisen, mit denen die Insekten auch unter den dunkelsten Bedingungen sehen können. Dies geschieht, indem die winzigen, in hexagonalen Mustern angeordneten Unebenheiten auf den Augen das Licht in Richtung der Augenmitte kanalisieren, was den zusätzlichen Vorteil hat, Reflexionen zu verhindern, die sonst Räubern den Standort der Motten verraten würden.

Durch die Strukturierung des Graphen in ähnlicher Weise, kann nun ein erstaunlich dünnes und effizientes lichtabsorbierendes Mehrschicht-Material geschaffen werden, mit dem sich die Lichtabsorptionsfähigkeit von nur 2 – 3 % auf fast unglaubliche 95 % steigern läßt. Neben der Möglichkeit, Solarzellen mit diesem Material zu beschichten und damit deren Effizienz deutlich zu erhöhen, könnte es innerhalb des Hauses als eine Art ,intelligente Tapete’ dienen, die Abwärme aufnimmt und geringe Mengen an Strom erzeugt, mit denen sich bestimmte Funktionen in zukünftigen ,intelligenten Haushalten’ versorgen ließen.

 

Weiter mit den mechanischen Systemen...