TEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

Felder und Wellen

Elektrostatik (III)

Ein Team unter der Leitung von Prof. Zhong Lin Wang vom Georgia Institute of Technology (Georgia Tech) in Atlanta, der uns weiter unten bei den piezoelektrischen Zinkoxid-Nanodrähten nochmals begegnen wird, berichtet im Mai 2012 über die Entwicklung eines transparenten, flexiblen triboelektrischen Nanogenerators (TENG) sowie Drucksensoren mit eigener Stromversorgung auf der Basis mikrostrukturierter Kunststoff-Folien aus verschiedenen Materialien.

Das Team entdeckt das Stromerzeugungspotential des triboelektrischen Effekts eher zufällig bei seinen Arbeiten an piezoelektrischen Generatoren, als der Output einer entsprechenden Vorrichtung viel größer ist als erwartet. Als Ursache für die höhere Leistung erweist sich eine fehlerhafte Montage, durch die zwei Polymeroberflächen aneinander reiben. Sechs Monate der Entwicklung führen anschließend zur ersten Veröffentlichung.

Im Gegensatz zu früheren Ansätzen führt das Team eine Lücken-Trenntechnik ein, die einen Spannungsabfall erzeugt, was wiederum zu einem nutzbaren Stromfluß führt. Der Generator wandelt zufällige mechanische Energie aus der Umwelt in elektrische Energie um, sobald eine Folie aus Polyester, die dazu neigt Elektronen zu spenden, gegen ein Blatt aus Polydimethylsiloxan (PDMS) reibt, das Elektronen aufnimmt.

Unmittelbar nachdem sich die beiden Polymeroberflächen aneinander gerieben haben, werden sie mechanisch getrennt, um einen Luftspalt zu schaffen, der die Ladung auf der PDMS-Oberfläche isoliert und eine Trennung der positiven und negativen Ladungen hervorruft (Dipolmoment). Wird zwischen den beiden Flächen eine elektrische Last geschaltet, führt dies  zu einem kleinen elektrischen Stromfluß, um das Ladungspotential auszugleichen.

Um die Oberflächen zusammenzudrücken und zu verschieben und damit die Reibungsbewegung zu schaffen, wird eine externe Verformung verwendet. Durch kontinuierliches aneinander reiben und dann schnelles trennen der Oberflächen kann der Generator einen kleinen Wechselstrom erzeugen.

Verwendet werden könnten die triboelektrischen Generatoren um Strom aus Aktivitäten wie Wandern zu produzieren – oder um Touch-Screens herzustellen, die ihre eigene Energie erzeugen, da die Vorrichtungen etwa 75 % transparent gemacht werden können. Als Drucksensoren sind sie zudem so empfindlich, daß schon eine Feder oder ein Wassertropfen einen kleinen Strom produzieren, wenn diese die Oberfläche des triboelektrischen Generators berühren.

Wang und sein Team schafften es den Strom zu erhöhen, indem sie mikrostrukturierte Oberflächen verwenden. Bei der Prüfung von Linien-, Würfel- und Pyramidenstrukturierungen finden sie heraus, daß mit Pyramiden gemusterte Oberflächen den größten elektrischen Strom erzeugen: bis zu 18 V bei etwa 0,13 µA/cm². Die erhöhte Erzeugungskapazität dieser Oberflächenstruktur basiert auf den Luftspalten zwischen den Mustern, welche die Kapazitätsveränderung verbessern und die Ladungstrennung erleichtern.

Da der gesamte Herstellungsprozeß einfach und kostengünstig ist, kann er für eine Produktion in großem Maßstab und praktische Anwendungen skaliert werden. Zudem sind die Generatoren robust und funktionieren auch nach mehr als 100.000 Betriebszyklen. Die Forschung wird von der National Science Foundation, dem Department of Energy und der US-Air Force finanziert.

Im Februar 2013 berichtet das Team, zu dem inzwischen auch Kollegen vom Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems um Xiaonan Wen sowie der Universität Chongqing gehören, über die Entwicklung eines neuartigen TENG, der aus statischer Elektrizität erhebliche Mengen an elektrischer Energie erzeugen kann.

Um ihren neuen Nanogenerator herzustellen, beschichten die Forscher eine Polymeroberfläche mit einem dünnen Goldfilm, der zudem mit Gold-Nanopartikeln bedeckt wird. Oberhalb dieser Oberfläche, aufgehängt an winzigen Federn und mit einem Abstand von etwa 1 mm, befindet sich eine zweite Polymeroberfläche, die ebenfalls von einem Goldfilm überzogen ist. Beide Goldoberflächen sind durch Drähte mit einer externen Schaltung verbunden.

Das Funktionsprinzip ist das Gleiche: Werden die beiden Oberflächen zusammengedrückt, wird Reibung erzeugt, wobei der triboelektrische Effekt bewirkt, daß die eine Seite Elektronen gewinnt, während die andere Elektronen verliert. Wenn die Oberflächen dann getrennt werden, bleibt auch die Ladung getrennt und kann durch die Außenfläche abgeschöpft werden, um nützliche Arbeit zu tun. Wird wieder Last angelegt und die beiden Seiten berühren sich noch einmal, wiederholt sich der Vorgang.

Der neue Nanogenerator ist kleiner als eine menschliche Handfläche und erreicht einem Wirkungsgrad von 14,9 %. Mit einem einschichtigen und nur 5 cm² großen Gerät gelingt es eine Reihe von 600 kommerziellen LEDs zum Aufleuchten zu bringen, indem durch einfaches Treten auf den Generator eine Spitzenleistung von mehr als 1 W erzeugt wird. Dieser Leistungsrekord wird der optimierten Struktur, der richtigen Materialauswahl und der nanoskaligen Oberflächenmodifizierung zugeschrieben.

Abgesehen davon, daß es kein Gold sein muß – laut Wang würde so ziemlich jedes Metall funktionieren – soll ein einschichtiger Generator von 1 m² Fläche mehr als 300 W erzeugen, und damit auch die Energie rollender Räder, von Windkraft und Meereswellen ernten können.

Seit ihrer ersten Veröffentlichung im Jahr 2012 haben Wang und sein Forschungsteam die Ausgangsleistung ihres triboelektrischen Generators um einen Faktor von 100.000 erhöhen können. Es wird festgestellt, daß die Volumenleistungsdichte mehr als 400 kW/m³ bei einem Wirkungsgrad von über 50 % erreicht.

Im Oktober wird berichtet, daß es unter Verwendung der windinduzierten Resonanzschwingung einer fluorierten Ethylen-Propylen-Folie zwischen zwei Aluminiumfolien zwischenzeitlich gelungen sei, mit integrierten TENGs in den Abmessungen 2,5 × 2,5 × 22 cm eine Ausgangsspannung bis zu 100 V, einen Ausgangsstrom von 1,6 µA, und eine entsprechende Ausgangsleistung von 0,16 mW zu erreichen. Mit einem TENG auf Basis von Doppelelektroden zeigen die Forscher außerdem, wie sich mit etwas pusten genug Strom erzeugen läßt, um ein Ausgangsschild zu beleuchten.

Im Februar 2014 ist in einem weiteren Bericht zu erfahren, daß sich der Nanogenerator auch einsetzen läßt, um akustische Energie aus der Umgebung zu ernten. Diese Variante besteht aus einer Polytetrafluorethylen-Dünnschicht und einer löchrigen Aluminiumfilm-Elektrode und ist in der Lage, über eine reibungselektrische Übertragung Schall in elektrische Energie umzuwandeln. In einem Bereich von 70 – 110 dB wird eine maximale elektrische Leistungsdichte von 60,2 mW erreicht, mit der sich 17 kommerzielle LEDs betreiben lassen.

Darüber hinaus wird eine Reihe von Geräten mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen verwendet, um die Gesamtbandbreite auf 10 – 1.700 Hz zu erweitern, wodurch der Nanogenerator als selbstgespeistes Mikrofon für Tonaufnahmen verwendet werden kann. Mehr über diese Techniken findet sich unter Schall (s.d.).

Die Forschung wird übrigens durch eine Vielzahl von Sponsoren unterstützt, darunter die National Science Foundation, das US-Department of Energy, dem MANA, Teil des National Institute for Materials in Japan, der koreanischen Firma Samsung sowie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.

Einer Meldung vom März 2014 zufolge wird inzwischen mit einem weiterentwickelten Modell ein Output von 1,5 W und eine Effizienz von 24 % erreicht. Wangs neuer Triboelektrischer Generator (TEG) ist flach und so groß wie eine Untertasse. Mit zwei Schwungmassen, die auch Teilschwingungen verstärken und keine komplette Umdrehungen des Rotors erfordern, kann der TEG u.a. Energie aus menschlichen Bewegungen liefern.

Der Generator besteht aus vier flachen, übereinander liegenden Scheiben mit gemeinsamer Drehachse. Die unteren drei bilden den Stator: Auf einer Acrylschicht liegt eine Goldscheibe mit Elektroden, über der sich wiederum eine Kunststoffschicht aus Perfluorethylenpropylen-Copolymer (FEP) befindet. Darüber sitzt der Rotor, eine Kupferscheibe, die passend zur Elektrodenscheibe strukturiert ist.

Beide Scheiben sind in 120 radial nach außen laufende schmale ,Tortenstücke’ geschnitten, was beim Stator zwei 60-fach ineinander greifende Elektroden ergibt, während beim Kupfer-Rotor jedes zweite Stück entfernt ist, so daß ein 60-fingriger Strahlenkranz übrig bleibt. Dreht sich die Rotorscheibe, dann fahren ihre Finger immer abwechselnd über Elektrode A und B hinweg. Durch den direkten Kontakt und die unterschiedliche Elektronenaffinität der Materialien wandern Elektronen. Dadurch entstehen elektrostatische Ladungen, die bei geschlossenem Stromkreis abfließen können.

Der 10 cm durchmesseende Generator-Prototyp erzeugt bei 3.000 U/m einen konstanten Wechselstrom mit Spannungsspitzen von bis zu 850 V und einem Stromfluß von rund 3 mA. Mit den bis zu 1,5 W werden LEDs, eine elektrische Uhr und ein Mobiltelefon mit Strom versorgt. Auch ein zweiter, kleinerer Prototyp mit besonders dünnen Materialschichten liefert eine vergleichbare Energieausbeute, obwohl der gesamte Generator nur 75 µm dick ist und 1,1 g wiegt.

Da der im Prinzip zweidimensionale Aufbau mit herkömmlichen Schnitt- oder Ätzmethoden einfach herzustellen und im Einsatz robust und wenig störanfällig ist, ließe er sich potentiell auf den Maßstab kleiner Wind- oder Wasserkraftwerke vergrößern. Der TEG gilt zudem als extrem kosteneffektiv, da durch den Aufbau in Scheiben nur kleine Mengen von leicht verfügbaren Materialien benötigt werden. Der ausführliche Bericht ist im Netz unter dem Titel ,Radial-arrayed rotary electrification for high performance triboelectric generator’ auffindbar.

Im Dezember 2014 veröffentlicht das Team einen Bericht, in welchem es primär um die Entwicklung einer schmutz- und wasserabweisenden Sicherheits-Tastatur geht, die durch kontinuierliche biometrische Überprüfung der Tastenanschläge ,weiß’, wer sie bedient – und sich bei unbekannten Nutzern sofort selbst sperrt.

Zudem beschafft sich das Intelligent Keyboard (IKB) die für seinen Betrieb nötige Energie durch die statische Elektrizität der Fingerspitzen. Hierzu besteht die nicht-mechanische Tastatur aus vier übereinander gelegten Schichten transparenter Folien, von denen zwei aus Indium-Zinn-Oxid sind und als Elektroden fungieren, die durch eine Schicht aus PET-Kunststoff getrennt sind. Über den Elektroden werden die statischen Ladungen der Haut von einer Schicht aus FEP-Kunststoff geerntet, wenn diese von Fingern berührt und dann wieder verlassen wird, wobei über den triboelektrischen Effekt Strom erzeugt wird.

Das IKB, für dessen Entwicklung auch das US-Department of Energy Mittel bereitstellt, wird als großen Sprung bei der Selbstversorgung elektronischer Geräte gefeiert – da es bereits bei einer Schreibgeschwindigkeit von mehr als 100 Zeichen pro Minute genug Energie erzeugt, um Kleingeräte aufzuladen. Innerhalb von ein paar Jahren soll die Technologie für die Vermarktung bereit sein – falls jemand bereit ist, zu investieren.

In einem weiteren Bericht vom April 2016 belegt das Team um Wang, daß die triboelektrischen Nanogeneratoren (TENGs) beim Ernten unregelmäßiger mechanischer Energie im niedrigen Frequenzbereich (< 5 Hz; typischerweise 0,1 – 3 Hz) eine viel bessere Leistung als elektromagnetische Generatoren (EMGs) aufweisen.

Und schon im Juni 2016 folgen die nächsten Veröffentlichungen des äußerst aktiven Teams. Zum einen geht es um die Entwicklung eines elastischen und formbaren triboelektrischen Generators (Shape-adaptive TENG, saTENG), der aus nicht viel mehr als einer Salzlösung oder Wasser und einer Hülle aus elastischem Polyer besteht, welche eine Oberfläche aus Nanostäbchen besitzt – während es in dem anderem Bericht um die Nutzung der Wellenenergie geht.

Hier gibt es das Problem, daß es den meisten Erntern schwerfällt, die niederen Frequenzen der Ozeanwellen anzuzapfen. Das neue Gerät ist daher ein Hybrid-System, das die Fähigkeiten von zwei Generatoren kombiniert: einem umgebenden elektromagnetischen Generator (Wrap-around Electromagnetic Generator, W-EMG), der die hohen Frequenzen von sich schnell bewegenden Meeresströmungen erfassen kann, sowie einem triboelektrischen Nanogenerator mit spiralförmiger Elektrode (Spiral-interdigitated-electrode Triboelectric Nanogenerator, S-TENG), der die langsameren Frequenzen von weniger als 5 Hz abgreift.

Damit soll der neue Wellenenergiegenerator effizienter sein als bestehende Modelle. Der Maßbalken auf dem Foto des Hybrid-Systems hat übrigens die Länge von 2 cm. Bei praktischen Tests können mit dem System bereits erfolgreich mehrere LEDs betrieben werden.

Ebenfalls im Juni 2016 kann das Team vermelden, daß es seinen implantierbaren triboelektrischen Nanogenerator (iTENG) nun auch erfolgreich in vivo vom Herzschlag eines erwachsenen Yorkshire-Schweins hat betreiben können, wobei die Leerlaufspannung bis zu 14 V erreicht, bei einem entsprechenden Kurzschlußstrom von 5 µA.

Bernd Folkmer, der sich am Institut für Mikro- und Informationstechnik HSG-IMIT in Villingen-Schwenningen seit mindestens 2011 mit dem Thema Vibration-Energy-Harvesting beschäftigt, veröffentlicht im April 2013 einen Anwendungs-Bericht über elektrostatische Mikrogeneratoren, deren Mechanismus in der Kopplung einer seismischen Masse mit zwei variablen Kapazitäten besteht.

Der gekapselte Mikrogenerator mit einer Bauteilgröße von 11 x 11 x 1 mm funktioniert bei Resonanzfrequenzen von 1 - 5 kHz und zeigt eine Effektivleistung von bis 2 x 1,9 μW. Hier abgebildet ist das Test-Board mit dem Mikrogenerator.

Im September 2013 konstruiert ein internationales Team um Alvaro G. Marín von der niederländischen Universität Twente eine mikrofluidische Version des o.e. Kelvin-Generators, die anstelle der Schwerkraft eine pneumatische Kraft nutzt, um elektrische Spannungen zu liefern. Mitbeteiligt sind Wissenschaftler der Universität der Bundeswehr München, der Universidad de Sevilla und dem Instituto de Ciencias Matemáticas (ICMAT) in Madrid.

Die Technik öffnet eine Tür zu einer billigen und leicht verfügbaren Transformation von pneumatischem Druck in elektrische Energie – sowie zu einer verbesserten Kontrolle der mikrofluidischen und biophysikalischen Manipulation von Kapseln, Zellen und Tröpfchen durch das selbstinduzierte Aufladen der Elemente.

Chinesische Forscher der Universität Peking um Bo Meng und Haixia Zhang berichten im August 2013, daß sie einen triboelektrischen Generator entwickelt haben, der den menschlichen Körper als Elektrode nutzt. Die Haut am Finger habe die Tendenz, bei Kontakt Elektronen abzugeben, und bei wiederholten Zyklen des Antippens bewege sich die Ladung zwischen der Induktionselektrode und der geladenen Fingerhaut.

Bei den Experimenten können durchaus ansehliche Energiemengen erzeugt werden. Mit einer mikrostrukturierten Oberfläche aus Polydimethylsiloxan wird eine Ausgangsspannung von über 200 V mit einer Stromdichte von 4,7 μA/cm² erreicht. Mit dem menschlichen Körper als Leiter kann der Ausgangsstrom um 39 % und die Menge der Ladung, die übertragen wird, um 34 % gesteigert werden im Vergleich zu den Ergebnissen mit einer geerdeten Elektrode. Ein noch größerer Zuwachs von 210 % bzw. 81 % wird mit einer großformatigen, flachen Oberfläche aus Polyethylenterephthalat erzielt.

Mit dem transparenten Single-friction-surface Triboelectric Generator (STEG) sollen künftig tragbare Geräte mit Hilfe von Händen und anderen Körperteilen geladen werden. Bislang ist der STEG zwar nur für Niedrig-Energie-Geräte geeignet, wie zum Beispiel medizinische Geräte und Sensoren, doch die Forscher hoffen, daß er durch weitere Verbesserungen in Zukunft auch als Backup-Quelle für tragbare Elektonikgeräte einsetzbar wird.

Im September 2014 wird erstmals über das Spin-off C-Motive Technologies Inc. in Madison berichtet, das zwei Jahre zuvor von Prof. Daniel Colin Ludois sowie Micah Erickson und Justin Kyle Reed, Absolventen der University of Wisconsin, gegründet wurde. Die Firma hat das Ziel, die Technologie der elektrostatischen Motoren weiter zu entwickeln.

Das Argument dafür, daß das Prinzip solcher Geräte bis heute nicht praktisch genutzt wird, lautet, daß sich magnetische Motoren technologisch leichter beherrschen lassen. C-Motive zeigt demgegenüber, daß ein Motor, der elektrische statt magnetischer Felder zur Umwandlung von Strom in Rotation verwendet, sowohl funktioniert als auch die Probleme herkömmlicher Antriebe beseitigen kann. Zudem sei er günstiger.

Der im Labor gebaute Prototyp besteht aus eng nebeneinander angeordneten Aluminiumscheiben, von denen jede zweite drehbar ist. An die fixierten Scheiben wird eine Wechselspannung angelegt, wobei die wechselnden elektrischen Felder die drehbaren Scheiben in Rotation versetzen. Die Technologie basiert auf einer präzisen Steuerung der Hochspannung, die das hochfrequente Wechselfeld erzeugt, und auf einer zuverlässigen Trennung der nahe beieinander liegenden Scheiben, die sich nicht berühren dürften. Da die Kräfte allein durch elektrische Felder übertragen werden und der Motor berührungslos arbeitet, muß er praktisch auch nicht gewartet werden.

Ludois zufolge soll die Technologie hocheffizient sein (um 95 %) und auch kleinere und leichtere Motoren ermöglichen, da kein Getriebe benötigt wird. Zudem kann auf das in Magnetmotoren verwendete teure Kupfer verzichtet werden. Die erste Anwendung soll allerdings kein elektrostatischer Motor, sondern ein elektrostatischer Generator sein, der mechanische in elektrische Energie umwandelt.

Im Dezember 2013 erhält die Firma 150.000 $ von der National Science Foundation, um den ersten kommerziell nutzbaren elektrostatischen Motor mit hohem Drehmoment auf Grundlage der patentierten Technologieplattform von C-Motive zu entwickeln – gefolgt von weiteren 721.000 $ im September 2015. Zusätzliche Mittel gibt es aus dem Daniel H. Neviaser Entrepreneurship Fund, dem James Weinert Applied Ventures Capital Fund (100.000 $), von der Wisconsin Economic Development Corporation, dem Wisconsin-Center für Technologiekommerzialisierung sowie von prominenten Angel-Investoren. Das internationale Patent war bereits im Februar 2015 mit Hilfe der Wisconsin Alumni Research Foundation angemeldet worden (WIPO-Nr. WO/2015/120033).

Die Forschung konzentriert sich nun darauf, einen C-Machine genannten Generator für den Einsatz in der Windkraft-Großindustrie sowie für breitere Anwendungen auf dem globalen Markt der elektrischen Maschinen zu entwickeln, der ein hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl entwickelt und zu geringeren Kosten herstellbar sein soll, als jeder andere in der Entwicklung oder auf dem Markt befindliche Generator.

Ebenfalls im September 2014 veröffentlichen südkoreanische Forscher der Chonam National University in Gwangju, die mit Kollegen der Seoul National University, dem Korea Advanced Institute of Science and Technology, der Firma Samsung Electronics Co. Ltd. sowie dem bereits o.g. Zhong Lin Wang vom Georgia Institute of Technology zusammenarbeiten, über eine vielversprechende Technologie zur Nutzung des triboelektrischen Effekts.

Das Team um Jong-Jin Park entwickelt einen Generator, der aus robusten fahnenartigen, mit Gold beschichteten Tüchern besteht, die zwischen Platten aus einem Kunststoff, der sehr gut zusätzliche Elektronen binden kann, hin- und herflattern – z.B. im Fahrtwind eines Autos. Erfolgt diese Berührung regelmäßig, baut sich mit hoher Frequenz immer wieder eine Spannung auf. Durch Kurzschluß wird dann ein Strom erzeugt.

Bei den Experimenten bringt eine Konstruktion mit Flaggen von 7,5 x 5 cm, die jeweils an zwei Seiten gegen die Platten schlagen, den größten Ertrag. Bei einer Windgeschwindigkeit von etwa 80 km/h erreicht der Generator eine Spannung von 250 V und einen Strom von 70 µA, was ausreicht, um einen Kondensator mit einer Kapazität von 100 Mikrofarad in wenigen Minuten aufzuladen. Zudem ist die Vorrichtung langlebig: Nach 12 Mio. Flatterschlägen sei nur unwesentlich weniger Strom als zu Beginn erzeugt worden. Ein vorteilhafter Nebeneffekt ist, daß sich verschmutzte Fahnen durch das permanente Schlagen selbst reinigen.

Die Firma Earth Energies Inc. meldet im Oktober 2014 zwei Patente unter den Namen  ,Power Receiver for Extracting Power from Electric Field Energy in the Earth’ (US-Nr. 20150102675) sowie ,Method and Apparatus for Extracting and Conveying Electrical Energy From the Earth’s Ionosphere Cavity’ an (US-Nr. 20150102676). Als Erfinder werden John Dinwiddie, Terry L. Wright sowie David R. Ames genannt.

Außer einem bereits im April 2014 erfolgten Posting auf der Firmen-Homepage scheint sich in Bezug auf eine Umsetzung bislang allerdings noch nichts getan zu haben.

Im November 2014 stellt Mercedes anlässlich der Eröffnung seines Entwicklungszentrums in Peking eine Crossover-Coupé-Studie namens Vision G-Code vor, deren Lack Sonnen- und Windenergie sammeln soll. Die besondere Lackfarbe, die sich ,multi-voltaic silver’ nennt, bildet im Grunde eine große Solarzelle mit hoher Effizienz.

Weiterhin kann dieser Lack elektrostatisch aufgeladen werden, entweder durch Fahrtwind oder natürlichem Wind, wenn der Wagen steht. In beiden Fällen wird die Energie den Fahrzeug-Akkus zugeführt, das ansonsten mit einem H2-Ottomotor an den Vorderrädern sowie einem Elektromotor an der Hinterachse angetrieben wird. Mit der ,power on the move’-Aufhängung werden zudem die Bewegung der Stoßdämpfer in elektrische Energie umgewandelt. Ob das Auto jemals realisiert wird, ist unbekannt.

Einem Vorschlag des Architekturbüros DoepelStrijkers von 2014 zufolge soll im Hafen von Rotterdam ein Dutch Windwheel errichtet werden – ein neuartiger Windgenerator, der sich in der Mitte eines 174 m hohen Gebäudes aus zwei aneinandergelagerten Riesenringen befindet. Dabei wird auf eine innovative Technologie der Technischen Universität Delft zurückgegriffen, welche komplett ohne bewegliche Teile wie Rotorenblätter auskommt und daher lautlos ist, nicht vibriert und auch keine Schatten wirft.

Die neue Technologie basiert darauf, daß der Wind geladene Teilchen durch die Ringstruktur befördert, was eine Spannung erzeugt, die wiederum in nutzbare Energie umgewandelt werden kann. Über die Entwicklung des Prototypen namens Electrostatic Wind Energy Converter (EWICON) habe ich bereits im Kapitel zur Windenergie berichtet (s.u. Neue Designs).

Auch das im Wasser auf einer Art Floß verankerte Gebäude bietet einige Überraschungen: Während der innere Ring mit 72 Appartements, 160 Hotelzimmern, Geschäften und einem Restaurant an der Spitze aufwartet, befinden sich im äußeren Ring 40 Kabinen, die wie Gondeln an einem Riesenrad auf einem Rundkurs rotieren und den Besuchern eine beeindruckende Aussicht auf Rotterdam erlauben. Dazu sind klimatische Fassaden, die Intergration von Photovoltaik, ein Regenwasser-Sammelsystem sowie die Biogas-Erzeugung aus den organischen Abfällen der Bewohner geplant.

Nach dem Upscaling und der Optimierung der Technik, die von 2015 bis 2017 erfolgen soll, ist bis 2021 die Projektentwicklung geplant, welcher der Bau folgt, dessen Fertigstellung für 2025 angedacht ist.

Das Projekt ist eine Initiative der Windwheel Corporation, einem Konsortium der in Rotterdam ansässigen Unternehmen BLOC, DoepelStrijkers und Masters, die es in enger Zusammenarbeit mit führenden Unternehmen und Forschungseinrichtungen umsetzen wollen und hierfür eine Allianz aus elf Partnern bilden: die AM und Royal BAM Group, Deltares, Dura Vermeer, ECN, Eneco, InnovationQuarter, Mammoet, SPIE, TNO und die Windwheel Corp. selbst.

Tatsächlich wird im März  2016 gemeldet, daß die elf Unternehmen und Institute jetzt ein Programm beschlossen haben, um im Rahmen des Projekts eine Reihe vielversprechender Technologien zu erproben.

Im März 2015 folgt die Meldung, daß ein gemeinsames Team von Forschern der Sungkyunkwan University in Südkorea und der University of Wollongong in Australien unter der Leitung von Sang-Woo Kim ein flexibles und mechanisch robustes Gewebe entwickelt hat, das Energie aus der menschlichen Bewegung erzeugt.

Als aktive triboelektrische Materialien werden eine silberbeschichtete Textile sowie eine weitere aus Polydimethylsiloxan (PDMS) verwendet, die auf einer Anordnung von Zinkoxid-Nanostäbchen (jeweils ungefähr 100 nm breit und 1 µm hoch) auf einer ebenfalls mit Silber beschichteten textilen Vorlage basiert.

Der faltbare und tragbare triboelektrische Nanogenerator (TNG; bzw. wearable triboelectric nanogenerator, WTNG) besteht aus vier aufeinander liegenden Stück des leichten Gewebes, welches schon bei leichtem Fingerdruck sofort im Durchschnitt 170 V und 120 µA sowie eine maximale Leistung von rund 1,1 mW erzeugt. Mit über 12.000 Druck- und Entspannungs-Zyklen ohne signifikante Unterschiede in der Ausgangsspannung erweist sich der Stoff zudem als äußerst langlebig.

 

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