TEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

Verdunstungsgenerator

 

„Die Wasserverdunstung ist die größte Energiequelle in der Natur – aber so subtil, daß wir es nicht erkennen.“

Prof. Özgür Sahin

Ein altbekanntes mechanisches ,Gerät’, das durch den Verdunstungseffekt in Bewegung bleibt, solange genug Wasser vorhanden ist, ist der sogenannte Trinkvogel ( o.Wippvogel, Nickente, usw.). Dieser ist in der Regel als Hohlkörper aus Glas konstruiert, der hauptsächlich aus einem Hals besteht, der oben in einen filzüberzogenen Kopf mit Schnabel übergeht. Unten ragt der Hals in einen (abgeschlossenen) Bauch hinein, der luftleer und mit einer Flüssigkeit mit niedrigem Siedepunkt gefüllt ist, wie z.B. Ether.

Der Hohlkörper liegt auf einem Gestell und kann um eine Drehachse oberhalb des Bauches nach vorne kippen. Das physikalische Spielzeug wackelt unablässig hin und her, und ab und an senkt es den Schnabel in ein bereitgestelltes Glas mit Wasser, wodurch der Kopffilz der Trinkente befeuchtet wird. Nun tritt der Verdunstungseffekt in Aktion: Das Wasser auf dem feuchten Schnabel verdunstet in die Außenluft, wobei die dazu notwendige Wärme dem Glaskopf entzogen wird.

Durch die entstehende Verdunstungskühlung kühlt auch der Etherdampf im Kopf ab und kondensiert, wodurch hier der Dampfdruck sinkt. Dafür kann sich nun der Dampf im unteren Körperteil ausdehnen und die Flüssigkeit im Glasrohr nach oben. Damit hebt sich der Schwerpunkt, der Vogel wird instabil und kippt nach vorn. Nachdem dadurch ein Druckausgleich stattfindet, fließt kältere Flüssigkeit in den Bauch zurück und wärmerer Dampf steigt in den Kopf, worauf der Vogel zurück in die Ausgangsposition kippt.

Die Erfindung des Wippvogels läßt sich tatsächlich bis zu einem chinesischen Spielzeug namens ,insatiable birdie’ (unersättlicher Vogel) zurückverfolgen, das in der Zeit zwischen den 1910er und den 1930er Jahren auftaucht. Ein Miles V. Sullivan aus Washington D.C. meldet den Trinkvogel später trotzdem als eigenes Patent an (US-Nr. 2.402.463, angemeldet 1945, erteilt 1946).

Doch sogar hier lassen sich noch frühere Vorläufer finden, wie z.B. eine Vorrichtung unter der Bezeichnung ,thermometrische Schaukel’, die ein Herr Bernardi im Jahr 1874 beschreibt – der zudem schon an eine technische Nutzung denkt. Weshalb er aus drei dieser Schaukeln ein ,thermomotorisches Rad’ konstruiert, welches sich kontinuierlich drehen kann. Bislang ließen sich diese Angaben aber noch nicht verifizieren.

Einen ähnlichen Mechanismus weist übrigens auch der sogenannte ,Solar Rocker’ auf, bei dem die Temperaturdifferenz allerdings nicht durch Kühlung, sondern durch eine selektiv verstärkte Sonneneinstrahlung erreicht wird. Diese Innovation geht auf Prof. Greg E. Blonder aus Summit, New Jersey, zurück (US-Nr. 6.012.959, angemeldet 1998, erteilt 2000).

Über neuere Umsetzungen ist allerdings erst nach der Milleniumswende zu erfahren. Im November 2004 berichtet die Presse, daß am britischen Centre for Biomimetic and Natural Technologies ein neuer ,smarter’ Stoff entwickelt worden ist, der seine Eigenschaften von Tannenzapfen ableitet. Der atmende Stoff besteht aus einer Schicht dünner Spitzen aus Wolle oder einem anderen wasserabsorbierenden Material, die sich öffnet, wenn sie vom Schweiß des Trägers feucht wird. Trocknet die Schicht aus, schließen sich die Spitzen automatisch wieder. Eine zweite, darunter liegende Schicht schützt den Träger vor dem Regen.

In ähnlicher Weise verwenden Kiefernzapfen zwei Schichten aus steifen Fasern in verschiedenen Richtungen, um sich zu öffnen und ihre Samen freizugeben, wenn sie auf den Boden fallen. Die Freisetzung der Samen wird durch den Mangel an Wasser angeregt, sobald der Zapfen vom Baum abgeschnitten ist. An eine energetische Nutzung des Effekts denken die Wissenschaftler zu diesem Zeitpunkt aber noch nicht.

Prof. Michel M. Maharbiz an der University of Michigan arbeitet Mitte 2006 zusammen mit seiner Doktorandin Ruba Borno daran, das Prinzip der Mikrokanäle, mit denen Pflanzen Wasser transportieren, in eine technische Anwendung umzusetzen. Dabei beschäftigen sie sich primär mit den Möglichkeiten der sogenannten Auffalt-Methode, mit denen Farne ihre Sporen verteilen: Die Pflanzen halten ihre Sporen in einer Kapsel (Sporangium), solange sie voll Wasser gesogen sind. Wenn aber Licht oder Wärme auftreffen und das Wasser aus der Außenwand verdunstet, entfaltet sich das Sporangium wie ein ausstreckender Arm und entläßt die Samen in die Umgebung.

Indem sie das Prinzip als Mikro-Aktor nachbauten. können die beiden beweisen, daß es möglich ist einen Wassertropfen als Energiequelle zu nutzen. Das Team konstruiert hierfür feine kammartige Strukturen aus Silikon, bei denen feine ‚Rippen’ in einer Richtung seitlich vom ‚Rückgrat’ abstehen. Dieses ist solange gekrümmt, wie es durch einen Wassertropfen benäßt ist, der sich in die Zwischenräume setzt. Sobald aber das Verdunsten beginnt, zieht die Oberflächenspannung des Wassers an den Rippenenden, so daß sie sich aufeinander zu bewegen und das Rückgrat gerade richten.

Als nächstes wollen die Forscher elektrische Komponenten hinzufügen, um tatsächlich kleine Mengen an Strom zu erzeugen. Maharbiz hält es für möglich, mit dieser Technik ähnlich viel Strom zu ernten wie mit einer Solarzelle. Der Verdunstungsgenerator könnte damit Mikro- und Nanogeräte mit Energie versorgen – zum Beispiel durch Morgentau.

Im August 2009 berichtet die Presse wieder über die Arbeiten von Maharbiz, nachdem es dem inzwischen an der UC Berkeley tätigen Team gelungen ist, eine Art ‚künstliches’ Pflanzenblatt aus Glas herzustellen, das mittels der Verdunstung einen konstanten Energiefluß abgeben kann. Diese Blätter sind aus Glas-Wafern hergestellt und besitzen eine Reihe kleiner, mit Wasser gefüllter Kanäle. Die Flüssigkeit fließt durch die Kanäle, bis sie den Rand des Blattes erreicht, wo sie verdunstet.

Die eigentliche Stromerzeugung erfolgt in zentral gelegenen Blattstiel, der mit Metallflächen ausgekleidet ist, die an einen Stromkreis angeschlossen sind. Die durch eine Wasserschicht getrennten, geladenen Metallplatten stellen im Grunde einen Kondensator dar.

Da das Wasser, das mit einer Geschwindigkeit von 1,5 cm pro Sekunde durch das Blatt fließt, in regelmäßigen Abständen durch kleine Luftblasen unterbrochen wird, und weil Luft und Wasser unterschiedliche elektrische Eigenschaften haben, wird jedes Mal wenn eine Luftblase zwischen den Platten hindurchstreicht, ein elektrischer Strom erzeugt, der dann geerntet und zur Versorgung von Energieverbrauchern verwendet werden kann.

Jede Blase produziert dabei 2 - 5 µV, während die Leistungsdichte des gesamten Gerätes 2 µW/cm² beträgt. Maharbiz ist allerdings der Auffassung, daß durch eine weitere Optimierung eine Leistungsdichte von mehreren Hundert Mikrowatt pro Kubikzentimeter erreicht werden kann.

Im Januar 2013 melden die Fachblogs, daß Forschern am Massachusetts Institute of Technology um Mingming Ma und Liang Guo die Entwicklung eines neuen Materials gelungen sei, das Strom erzeugt, wenn es Wasserdampf ausgesetzt wird. Das aus zwei Polymerfolien bestehende Material macht erstaunlich akrobatische Salti in Gegenwart von selbst winzigen Spuren verdampften Wassers.

Der Aufbau ist sehr einfach: Die Folie besteht aus einem 20 µm dicken Film in zwei Schichten. Die erste ist aus Polypyrrol, einem harten Polymer, das strukturelle Unterstützung bietet, während die zweite aus Polyol-Borat besteht, einem weichen Gel, das aufquillt, wenn es Wasser aufnimmt. Durch die Verwendung von zwei unterschiedlichen Arten von Polymeren kann eine größere Verschiebung sowie eine stärkere Kraft erzeugt werden.

Liegt der Film auf einer Oberfläche, auf der eine nur sehr kleine Menge Feuchtigkeit vorhanden ist, krümmt sich die untere Schicht weg davon. Dies setzt das Polymer der Luft aus, wobei das Wasser von dessen Oberfläche verdampft. Worauf das Film-Stückchen einen Purzelbaum macht und der Zyklus von vorne beginnt. Dabei entwickelt der Polymerfilm eine überraschende Menge an Kraft, wenn er sich krümmt: Eine 25 mg wiegender Film kann 380 Mal sein eigenes Gewicht heben – oder eine Last von Silberdrähten mit dem Zehnfachen seines Gewichts mit sich tragen.

Durch der kontinuierlichen Bewegung des Materials soll es möglich werden, genug Strom für Roboter-Gliedmaßen oder die Versorgung von Mikro- und Nanoelektronik-Geräten zu erzeugen. Derzeit kann der Film 5,6 nW produzieren, was genug ist, um mikroelektronische Geräte mit extrem niedrigem Stromverbrauch zu versorgen. Dessen ungeachtet arbeitet das Team daran, die Effizienz des Films zu verbessern, damit kleinere Filme größere Geräte versorgen können. Die Forscher erwarten zudem eine Reihe weiterer Anwendungen, einschließlich großer wasserdampfbetriebener Generatoren, sobald sie mit der Technik höhere Wirkungsgrade erreichen.

Daß Tannenzapfen ein weiteres mal die Entwicklung neuer Materialien inspirieren, ist im April 2013 zu erfahren, als Forscher der ETH Zürich unter Leitung von Prof. André Studart über ein von ihnen entwickeltes Verfahren berichten, mit dem sich eine größere Vielfalt an Materialien und Formen verwirklichen lassen, als mit den bislang üblichen Formgedächtnis-Materialien (Memory Materials).

Das Projekt beginnt mit der Überprüfung der Art und Weise, mit der Kiefernzapfen ihre Schuppen schließen, wenn sie naß werden, und dann wieder öffnen, wenn sie trocknen. Dabei bestätigen sich die o.e. Ergebnisse von 2004 am Centre for Biomimetic and Natural Technologies: Es existieren zwei Schichten aus dem gleichen Material, wobei starre Fasern innerhalb dieser Schichten in der einen Ebene in eine bestimmte Richtung ausgerichtet sind, und in der anderen Ebene in eine andere Richtung.

Werden sie der Feuchtigkeit ausgesetzt, quellen beide Schichten auf, wobei die Ausrichtung der Fasern bewirkt, daß sie in unterschiedliche Richtungen quellen. Das Ergebnis ist, daß sich die eine Ebene längs streckt, während sich die andere biegt, worauf sich der Zapfen schließt.

Für die Umsetzung der Technik auf Grundlage künstlicher Materialien nutzen die Wissenschaftler als Basismaterial quellbare Gelatine, der sie an Stelle der Fasern ultrafeine Plättchen aus Aluminiumoxid hinzufügen. Anschließend gießen sie die Mischung in quadratische Formen. Und da die Plättchen mit Eisenoxid-Nanoteilchen vorbeschichtet wurden, lassen sie sich durch ein schwaches magnetisches Drehfeld alle in einer Richtung ausrichten.

Sobald sich die erste Partie der Gelatinemischung gesetzt hat, wird eine weitere Schicht darüber gegossen, die mit der ersten identisch ist, mit Ausnahme der Tatsache, daß die Plättchen in einer anderen Richtung ausgerichtet sind. Anschließend schneiden sie das resultierende zweischichtige Material in Streifen, wobei sich herausstellt, daß sich diese Streifen unterschiedlich verhalten, wenn sie der Feuchtigkeit ausgesetzt werden – und zwar je nach Richtung des Schnittes in Bezug auf die Ausrichtung der Plättchen.

Einige rollen sich der Länge nach wie ein Schweineschwanz, während sich andere mehr oder minder stark um ihre eigene Achse drehen und eine Helix bilden. Einige längere Streifen werden auch so hergestellt, daß sie sich in verschiedenen Abschnitten unterschiedlich verhalten, während andere (aus einem anderen Polymer) in der Lage sind, auf Veränderungen sowohl der Feuchtigkeit als auch der Temperatur zu reagieren, indem sie sich in verschiedene Richtungen drehen. Doch auch in diesem Fall ist bislang noch nichts von einer energetischen Nutzung zu hören.

Im Januar 2014 melden die Fachblogs, daß US-Forscher aus mehreren Universitäten den Prototypen eines Generators entwickelt haben, der sich eine Eigenschaft des Bacillus subtilis zunutze macht: Das stäbchenförmige Bakterium zieht sich sehr stark zu einer Spore zusammen, wenn ihm durch Hitzeeinwirkung Feuchtigkeit entzogen wird, und dehnt sich ebenfalls sehr stark aus, sobald die Luftfeuchtigkeit wieder steigt.

Für den Prototypen, an dessen Erstellung der Columbia-Biologe Prof. Özgür Sahin, der Harvard-Mathematiker Prof. Lakshminarayanan Mahadevan und der Mikrobiologe Prof. Adam Driks von Loyola University Chicago beteiligt sind, wird eine besonders leistungsfähige Mutation des Bakteriums dazu gebracht, sich in weniger als 1 µm dicken Schichten auf der einen Seite einer biegsamen Fläche anzusiedeln und durch ihre Bewegungen bio-hybride Hygromorphaktuatoren anzutreiben.

Mahadevan hatte bereits zuvor aus physikalischer Sicht untersucht, wie Feuchtigkeit Materialien verformt, einschließlich biologischer Materialien wie Tannenzapfen, Blätter und Blüten sowie künstlicher Materialien wie ein Blatt Papier, das in eine Schüssel mit Wasser gelegt wird.

Sahin baut nun mit dem sporenbeschichteten Ausleger aus Latexgummi, LEGO, einem Miniatur-Ventilator und einem Magneten einen einfachen feuchtigkeitsbetriebenen Generator. Der Ausleger, der sich in Reaktion auf die Veränderung der Feuchtigkeit hin und her flippt, treibt einen rotierenden Magneten an, der Elektrizität erzeugt.

Alleine schon das Ein-und Ausatmen verändert die Feuchtigkeit in einem Maße, daß die Sporen darauf reagieren, während der Wechsel von eine trockenen, sonnigen Tag zu einem feuchten, nebligen die flexible, sporenbeschichtete Fläche veranlaßt, 1.000 mal so viel Kraft zu entwickeln wie menschliche Muskeln.

Don Ingber, Direktor des Wyss Institute of Biologically Inspired Engineering an der Harvard-Universität, das die Entwicklung zusammen mit dem U.S. Department of Energy und dem Rowland Junior Fellows Programm finanziert, hält die Technologie insofern für vielversprechend, als daß die Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsunterschiede, die zwischen Tag und Nacht auftreten, im Prinzip regelmäßiger und zuverlässiger Strom liefern könnten, als Windkraft- und Photovoltaikanlagen. Zudem liegen die erzielten Wirkungsgrade bei dem Bakterien-System um den Faktor 10 höher als bei den bisherigen nicht-biologischen Methoden, die mit der Aufnahme und Abgabe von Wasser Energie erzeugen.

Interessanterweise wurde der Patentantrag für das ,Bacterial Spore Based Energy System’, das Sahin als Erfinder nennt, bereits im November 2011 eingereicht (US-Nr. 20130285386).

Im Juni 2015 stellt das Team der Columbia University um Sahin einen Wassermotor vor, mit dem es beweist, daß die sehr schnell verlaufende reversible Größenveränderung der Bakterien-Sporen tatsächlich technisch nutzbare Amplituden erreicht.

Für ihr Experiment beschichten die Forscher Kunststoffstreifen auf unterschiedliche Weise mit den Sporen um herauszufinden, wie sich mit diesen Konstruktionen eine Art biotechnischer Muskel mit ,Wasserantrieb’ bauen läßt. In dem veröffentlichten Video wird u. a. eine Anordnung gezeigt, bei der sich kreisförmig auf einem Rad aufgebrachte Streifen abhängig von der Luftfeuchtigkeit verbiegen und dabei kleine Gewichte bewegen, so daß das Rad in Drehung versetzt wird. Sogar ein kleines Auto mit einem Gewicht von 100 g fährt mit der Kraft der Feuchtigkeit, während das Wasser in dem Fahrzeug verdunstet. Prinzipiell ist es daher denkbar, daß dieser Effekt eines Tages großtechnisch ausgenutzt wird.

Auch eine Gruppe von Forschern der Seoul National University um Ho-Young Kim läßt sich durch die langsamen Bewegungen von Pflanzen inspirieren, die durch Veränderungen der Luftfeuchtigkeit enstehen, wie z. B. bei Mimosen-Blättern oder Tannenzapfen-Samen.

Änderungen in der Feuchtigkeit führen dazu, daß sich die Pflanzenteile immer wieder biegen und strecken, wobei die Wissenschaftler aus Seoul den Berichten vom November 2015 zufolge besonders daran interessiert sind, das Potential dieses Effekts zu nutzen, um eine nach vorn gerichtete Bewegung zu erzeugen.

Durch die Umwandlung dieser zyklischen Bewegung in eine gerichtete Bewegung gelingt es dem Team einen Roboter zu schaffen, der sich vorwärts bewegt. Hierfür befestigen sie Beine an dem Aktuator, die wie Ratschen nur eine Richtung der Fortbewegung ermöglichen.

Da sich Pflanzen extrem langsam bewegen, mit Zyklus von Biegen und Beugen, die oft einen ganzen Tag dauern, nutzen die Forscher für dem Aktuator aktive nanoskalige Fasern, um das Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis der absorbierenden Schicht zu erhöhen, damit mehr Feuchtigkeit schneller aufgenommen wird.

Bei der Umsetzung in ein Produkt denkt die Gruppe an eine Oberfläche, um ihre Roboter zu platzieren, auf der Feuchtigkeitsänderungen leicht zu erschließen sind: die menschliche Haut. Das Konzept sieht vor, daß sich ein Teil des Roboters durch Biegen von der Haut weg bewegt, um trockene atmosphärische Luft daran zu lassen. Sobald die Haut trocknet, kehrt der Roboter in eine aufrechte Position in der Nähe der Haut zurück. Ein solcher Roboter könnte Wunden desinfizieren, Hautfalten entfernen und Hautgewebe pflegen.

 

Weiter mit den biologischen Systemen...