TEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

Felder und Wellen

Licht, UV, Infrarot und Laser (IV)

An einem neuen Energiesystem, das die Infrarot-Energie der Erde in sauberen Strom konvertiert, arbeiten Physiker der Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) um Federico Capasso. Was sinnvoll ist, wenn man bedenkt, daß unser Planet ständig Hunderte Millionen Gigawatt Infrarotstrahlung in den Raum freigibt.

Dem Bericht vom März 2014 zufolge schlägt das Forschungsteam zwei Geräte vor, die zwar ähnlich wie Photovoltaik-Systeme funktionieren – jedoch anstatt einfallendes sichtbares Licht einzufangen um Gleichstrom zu erzeugen, dies durch das Aussenden von Infrarotlicht erreichen. Auch wenn es auf den ersten Blick seltsam erscheinen mag, Energie zu erzeugen, indem Energie freigesetzt wird, ist die Sache realistisch, wenn auch ein wenig bescheiden.

Das erste der beiden Geräte nutzt eine ,heiße Platte’, die durch die Temperatur der Erde erwärmt wird. Darüber gibt es eine ,kalte Platte’ aus einem stark emittierenden Material, welche die Wärme effizient nach oben in den Himmel abstrahlt. Basierend auf Messungen der Infrarotemissionen in Lamont, Oklahoma, berechnen die Forscher, daß die Wärmedifferenz zwischen den Platten ein paar Watt pro Quadratmeter erzeugen könnte – und zwar Tag und Nacht. Als schwierig mag sich allerdings erweisen, die ,kalte Platte’ kühler als die Umgebungstemperatur zu halten.

Die zweite vorgeschlagene Vorrichtung soll ebenfalls eine Temperaturdifferenz nutzen, um Strom zu erzeugen, diesmal jedoch im Nano-Maßstab, da die Wissenschaftler vermuten, daß auch Temperaturunterschiede zwischen nanoskaligen elektronischen Komponenten – wie z.B. Dioden und Antennen – einen kontinuierlichen Strom von Elektrizität erzeugen könnten. Mit einer normalen Solarzelle gekoppelt wären damit Systeme denkbar, mit denen sich ohne zusätzliche Installationskosten Leistung auch in der Nacht erzielen ließe.

Im Januar 2015 veröffentlicht ein Forscherteam des Institut Charles Sadron des CNRS, unter der Leitung von Prof. Nicolas Giuseppone von der Universität Straßburg, den Bericht über die Entwicklung eines Polymergels, das dank künstlicher Molekularmotoren kontrahiert.

Sehr komplexe Eiweißverbindungen sind unverzichtbar für alle Bewegungsabläufe des lebenden Organismus, wobei jeder dieser Molekularmotoren jedoch nur über Entfernungen von wenigen Nanometern arbeitet. Im Verband von mehreren Millionen jedoch arbeiten sie nicht nur perfekt koordiniert, sondern auch auf makroskopischer Ebene, was ein Muskel, der aufgrund des koordinierten Zusammenspiels zahlreicher Proteinmotoren kontrahiert, beispielhaft veranschaulicht.

Die nun geschaffenen künstlichen, nanometergroßen Motoren werden durch Licht aktiviert, wobei sich die Polymerketten dieses Gels einrollen und sich so über mehrere Zentimeter zusammenziehen. Um dies zu erreichen, ersetzen die Forscher die Vernetzungspunkte eines Gels (über welche die Polymerketten untereinander verbunden sind) durch rotierende Molekularmotoren, die auf makroskopischer Ebene zeitlich koordiniert und kontinuierlich laufen.

Die Lichtenergie, die für den Antrieb dieser Motoren notwendig ist, wird durch das Einrollen der Polymerketten zum Teil in mechanische Energie umgewandelt und im Gel gespeichert. Auf der schematischen Darstellung ist ein Polymergel zu sehen, dessen Ketten sich durch rotierende Molekularmotoren vernetzen (die blauen und roten Komponenten sind gegeneinander drehbar). Trifft Licht darauf, fangen die Motoren an zu rotieren und rollen die Polymerketten zusammen, woraufhin sich das Gel auf 80 % seines Ausgangsvolumens zusammenzieht (rechts).

Sammelt sich zu viel Energie im Gel an, kann dieses allerdings aufplatzen, weshalb das Team daran arbeitet, diese Form der Lichtenergiespeicherung künftig kontrolliert nutzen zu können. Das Projekt wird finanziell vom Europäischen Forschungsrat (ERC) und der französischen Forschungsförderagentur ANR unterstützt.

Prof. Shree K. Nayar und sein Team an der Columbia University in New York stellen im April 2015 eine Kamera vor, die kein Ladegerät benötigt, da sie sich völlig autonom mit Strom versorgt. Hierzu dient eine neue Photodiode, die nicht nur Licht für die Fotos einsammelt, sondern auch als eine Art Solarladegerät fungiert, indem das auf die Kamera einfallende Licht in Strom umgewandelt und schließlich gespeichert wird.

Die Auflösung des Prototypen, der in einem 3D-Druck-Körper untergebracht ist, beträgt nur 30 × 40 Pixel, weil aus Kostengründen zunächst auf einen wesentlich teureren Bildsensor mit höherer Auflösung verzichtet wurde, der technisch jedoch kein Problem bildet. Langfristiges Ziel ist es jedenfalls, eine sehr kompakte energieautarke Kamera herzustellen, die 30 Bilder pro Sekunde mit einer Auflösung von 640 × 480 Pixel produziert und im Prinzip für immer funktionieren kann.

Bei der neuen Kamera soll zudem auf eine Batterie oder Akkus verzichtet werden, da der überschüssigen Strom vom Bildsensor selbst gespeichert wird. Die Forschung wird von Office of Naval Research finanziert.

Ebenfalls im April 2015 ist aus Frankreich zu erfahren, daß im Rahmen des sogenannten Soltex-Projektes bis 2019 ein Photovoltaik-Textilfaden entwickelt werden soll, der aus natürlichem oder künstlichem Licht Energie erzeugen kann.

Die erwartete Energieausbeute der neuen Photovoltaik-Textil-Technologie liegt bei 10 W/m², und als vorgesehenen Anwendungen werden neben der Bekleidung noch Outdoor-Sportgeräte, Jalousien und Rolläden, Schutzplanen für Gewächshäusern und intelligente Textilien für die Innenausstattung von Autos, Zügen oder Flugzeugen genannt.

Zur Umsetzung dieser Technologie koordiniert das Unternehmen Sunpartner Technologies, ein Spezialist für Solarlösungen, ein Konsortium aus Forschungseinrichtungen und verschiedenen Unternehmen, zu denen unter anderem die Firmen Quali Therm, Payen, Texinov und Raidlight sowie das französische Forschungsinstitut CEA-Leti gehören. Das Projekt wird von der französischen öffentlichen Investitionsbank Bpifrance unterstützt.

Im Juni 2015 folgt die Veröffentlichung einer Gruppe indischer Forscher um Musthafa Ottakam Thotiyl vom Indian Institute of Science Education and Research, bei der es um die Entwicklung einer neuartigen Batterie geht, die durch Licht geladen wird, im Gegensatz zu herkömmlichen Akkus dabei jedoch kein zusätzliches Solarmodul als Kollektor benötigt.

Der als Photo Battery bezeichnete Stromspender kann binnen 30 Sekunden durch Innenraum-Licht aufgeladen werden, übersteht bis zu 100 Lade- und Entladezyklen und liefert genügend Strom um einen kleinen Ventilator oder eine LED-Lampe zu betreiben. Zum Einsatz kommt dabei eine Photoanode, die aus einem Gemisch aus Titanium-Nitrit besteht und im Gegensatz zu Anoden herkömmlicher Batterien unempfänglicher für Überhitzungen ist und auch kein Feuer fangen kann.

Im weiteren Verlauf der Entwicklungen wollen die Forscher leistungsstärkere Versionen ihrer wässrigen wiederaufladbaren Batterie (aqueous rechargeable battery, ARB) herstellen, die eines Tages z.B. Smartphones antreiben sollen. Nähere technische Details sind bislang nicht bekannt.

Berichten vom September 2015 zufolge haben Forscher an der Ludwig-Maximilian-Universität München (LMU) um Henry Dube eine neue Klasse äußerst schnell drehender molekularer Motoren entwickelt, die Sonnenlicht als Treibstoff nutzen. Im Gegensatz zu den bisherigen lichtgetriebenen Molekularmotoren, die zumeist mit sehr energiereichem UV-Licht funktionieren, das aber die restlichen Maschinenbestandteile oder die Arbeitsumgebung schädigen kann, kommen die neuen Motoren mit weniger energiereichem und daher unschädlichem sichtbaren Licht aus.

Basis des Motors ist das Molekül Hemithioindigo, ein Photoschalter, der aus zwei unterschiedlichen Kohlenwasserstoff-Molekülen zusammengesetzt ist, die über eine chemische Doppelbindung miteinander verbunden sind. Unter Lichteinfluß verändert das Molekül seine Struktur und rotiert dabei um die zentrale Doppelbindung. Besonders beeindruckend ist die Geschwindigkeit: Bei Raumtemperatur dreht sich das Molekül etwa 1.000 Mal pro Sekunde – und zwar nur in eine Richtung.

Im Oktober 2015 vermeldet ein Wissenschaftlerteam um Prof. Baratunde A. Cola an der Georgia Tech University einen Durchbruch beim Bau einer optischen Antenne, die in der Lage ist, Licht sofort und direkt in Gleichstrom zu wandeln, ohne hierfür irgendwelche Zwischenschritte zu benötigen, indem sie die Wellennatur des Lichts statt dessen Partikelnatur nutzt.

Das kleine Gerät, das einer SD-Karte ähnelt, besteht aus Gleichrichtern und Nanorörchen, die auch Licht nutzen können, welches nicht von der Sonne kommt. Dabei erzeugen die Nanorörchen mittels Licht eine oszillierende Ladung, die in der Rekord-Geschwindigkeit von 10¹⁵ Hz durch die Gleichrichter hin- und herfließt und hierbei einen sehr kleinen Gleichstrom  produziert.

Die Herstellung der Rectennas beginnt, indem man auf einem leitfähigen Substrat Wälder von vertikal ausgerichteten, mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen (~ 10 nm Durchmesser) wachsen läßt, die als Antennen wirken. Unter Verwendung der Atomlagenabscheidung werden die Nanoröhrchen mit einem Aluminiumoxid-Material beschichtet, um sie zu isolieren. Schließlich wird die physikalische Dampfabscheidung angewandt, um über dem Nanotube-Wald optisch transparente, dünne Schichten aus Kalzium und dann Aluminium zu deponieren.

Im Betrieb passieren oszillierende Lichtwellen durch die transparente Kalzium-Aluminium-Elektrode und treten mit den Nanoröhrchen in Wechselwirkung. Die Metall/Isolator/Metall-Übergänge an den Spitzen der Nanoröhren dienen dabei als Gleichrichter, die sich in Femtosekunden-Intervallen ein- und ausschalten, so daß Elektronen, die durch die Antenne erzeugt werden, in einer Einweg-Richtung in die obere Elektrode fließen können. Bislang allerdings mit weniger als 1 % Effizienz.

Das Team führt im Laufe der Entwicklung lange Reihen von Tests mit mehr als tausend Geräten und in einem Temperaturbereich von 5 – 77°C durch, um Strom und Spannung zu messen und die theoretisch vorhergesagte Funktion zu bestätigen. Da die von der Gruppe hergestellten Rectennas bislang auf starren Substraten gewachsen sind, ist das nächste Ziel, sie auch auf einer Folie oder einem anderen Material wachsen zu lassen, um damit flexible Solarzellen oder Photodetektoren herstellen zu können.

In Reihe verbunden könnten die neuen optischen Antennen eine riesige Menge an Strom aus Licht produzieren, wobei die Forscher im Zuge der Weiterentwicklung Wirkungsgrade von mehr als 40 % erwarten. Gleichzeitig verspricht die Technologie rund zehnfach günstigere Produktionskosten als die von herkömmlichen Solarzellen. Die Forschung wird von der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), dem Space and Naval Warfare (SPAWAR) Systems Center und dem Army Research Office (ARO) unterstützt.

Das Team der Rice University um Prof. James-Tour, das im Jahr 2005 das Einzelmolekül-Fahrzeug Nanocar entwickelt hatte (s.o.), berichtet im November 2015 über die erfolgreiche Konstruktion eines Einzelmolekül-Nano-U-Boots, das verwendet werden könnte, um Medikamente im Inneren des Körpers direkt zu den passenden Orten zu liefern.

Für die aktuelle Entwicklung, an der auch Wissenschaftler der Rice University in Houston sowie der North Carolina State University in Raleigh beteiligt sind, nutzt James-Tour u.a. die Doktorarbeit von Martin Klok an der Universität Groningen, Niederlande, vom Februar 2009 (Motors for use in molecular nanotechnology), die übrigens im Netz komplett einsehbar ist.

Die neue Unimolecular Submersible Nanomachine (USN) besteht aus 244 Atomen, die in einer bestimmten Formation miteinander verbunden, eine Einzelmolekül-Vorrichtung bilden, die durch UV-Laserlicht mit Strom versorgt wird. Mit jeder vollen Umdrehung des Propellers – der eher wie die Geißel eines Bakteriums aussieht – bewegt sich das Gerät 18 nm weit voran. Da der Motor mit mehr als einer Million Umdrehungen pro Minute arbeitet, ergibt sich daraus eine Höchstgeschwindigkeit von etwas weniger als 2,5 cm pro Sekunde, was das USN zu dem sich am schnellsten bewegenden Molekül in einer Lösung macht (im vorliegenden Fall: Acetonitril).

Wird das Molekül durch Licht angeregt, verwandelt sich die Doppelbindung, die den Rotor am Körper hält, in eine Einfachbindung, was die Drehung um einen Viertelschritt ermöglicht. Sobald dies geschehen ist, versucht der Propeller auf einen niedrigeren Energiezustand zurückzukehren und springt an benachbarten Atome vorbei, was ihn um eine weitere Vierteldrehung bewegt. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, wie das Licht an bleibt.

Bislang sind die weniger als 10 nm großen U-Boote noch nicht lenkbar, aber die Forschung belegt zumindest, daß sie bei ihrer Reise durch Lösungen in der Lage sind, Moleküle von etwa gleicher Größe mit zu bewegen.

Im November 2015 berichten kanadische Forscher der University of Waterloo über eine neue Methode, mit Ölsand-Verschmutzungen umzugehen, die viel effektiver und billiger als die bestehenden Methoden sei.

Zum Hintergrund: In Alberta wurden im Jahr 2014 täglich rund 2,3 Mio. Barrel Öl aus Teersand gewonnen, der drittgrößten Ölreserve der Welt. Dieser Abbauprozeß ist extrem wasserintensiv, und obwohl der Regierung zufolge 80 - 95 %  davon recycelt wird, ergeben sich immer noch riesige Absetzbecken von verschmutzten Abwässern. Gegenwärtig sind in den Teichen, die rund 77 km² bedecken, über eine Milliarde Tonnen Wasser gespeichert, das schwierig zu behandeln ist und eine Gefahr für die Umwelt darstellt. Die Toxizität basiert dabei hauptsächlich auf Naphthensäuren, deren Giftigkeit über Jahrzehnte bestehen bleibt.

Der neue Ansatz des Teams um den Doktoranden Tim Leshuk, um die Verunreinigungen zu entfernen, basiert auf der Photokatalyse unter Verwendung von Nanopartikeln aus Titandioxid, die durch UV-Sonnenlicht aktiviert werden, um freie Radikale zu produzieren, welche Bakterien, Pilze und andere Organismen zerstören können. Diese Technologie wird bereits bei der Entwicklung von selbstreinigender Kleidung, Fenstern, Wänden u.ä. verwendet.

Bei Tests an einer Ölsand-Abwasser-Probe stellt das Team fest, daß der Prozeß auch die toxischen Verbindungen abbaut und das Wasser innerhalb von Stunden vollständig von Naphthensäuren befreit. Besonders vielversprechend ist die Technik, da sie vollständig durch Sonnenlicht angetrieben wird und die robusten Nanopartikel zudem zurückgewonnen und immer wieder verwendet werden können.

In einer Studie, die im März 2016 veröffentlicht wird, zeigen die Forscher Prof. Michal Lipson von der Cornell University und Shanhui Fan von der Stanford University einen mit Hilfe von Licht funktionierenden, starken und berührungslosen Wärmeübertragungskanal mit Leistungen, die zu einer Stromerzeugung mit hohem Wirkungsgrad führen könnten. Um die Übertragung zwischen zwei parallelen Objekten bei einer nanoskaligen Entfernung unterhalb von 100 nm mittels Licht zu erreichen, werden maßgeschneiderte, ultrahochpräzise mikroelektromechanische Systems (MEMS) verwendet, welche den Abstand zwischen den Objekten steuern.

Das Team belegt, daß die Wärmeübertragung zwischen zwei Objekten, die aneinander sehr nahe sind, ohne sich aber zu berühren, dadurch fast 100 mal stärker ist als der Wert, der durch herkömmliche Wärmestrahlungsgesetze (Schwarzkörperstrahlung) vorhergesagt wurde. Dabei können die Wissenschaftler diesen Versuch für Temperaturunterschiede von bis zu 260°C erfolgreich wiederholen. Letztlich bedeutet dies, daß sich ein Wärmestrom mit vielen jener Techniken steuern läßt, die für die Manipulation von Licht eingesetzt werden.

Die Ergebnisse implizieren, daß Licht zukünftig zu einem dominierenden Wärmeübertragungskanal werden könnte, wo die Wärme bislang hauptsächlich durch Leitung (Berührung) oder Konvektion ausgetauscht wurde. Und im Gegensatz zu anderen Teams, welche diese Form der Wärmeübertragung mit Licht schon zuvor auf der Nanoskala unter Beweis gestellt hatten, ist das Cornell-Team das erste, das dabei Leistungen erreicht, die für reale Energieanwendungen verwendet werden könnten, wie zum Beispiel die direkte Umwandlung von Wärme aus Photovoltaik-Zellen in Strom.

Die Arbeiten werden von der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), dem Fonds de recherche du Québec Nature et Technologies (FRQNT) und dem Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) gefördert.

Im gleichen Monat verlautet aus dem Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT) in Australien, daß Forscher um Rajesh Ramanathan eine Beschichtung entwickelt haben, mit der sich Stoffe selbst reinigen, sobald sie mit Licht in Kontakt kommen. Bei ihrer Methode wird der Stoff in mehrere Lösungen getaucht, die dazu führen, daß auf den Fasern eine Nanobeschichtung wächst, die auf Silber und Kupfer basiert. Bis die Beschichtung komplett ist, dauert es gut 30 Minuten.

Sobald diese von natürlichem oder auch künstlichem Licht getroffen wird, entstehen sogenannte heiße Elektronen, die Energie emittieren, welche organisches Material auflöst. Die Reinigung nimmt nur knapp sechs Minuten in Anspruch – sodaß ein kurzer Spaziergang im Sonnenschein ausreichen würde, um z.B. das Hemd zu reinigen, das man dabei trägt. Die Methode ist günstig und effizient und könnte auch leicht in industriellen Herstellungsverfahren umgesetzt werden: Sie funktioniert allerdings nur bei organischen Verunreinigungen, ein mit Druckertinte verschmutztes Hemd muß daher noch immer in die klassische Waschmaschine wandern.

Eine dritte Meldung im März 2016 stammt aus Japan, der zufolge Forscher des Osaka Institute of Technology um Syujii Fujii, die bei diesem Projekt mit Kollegen der Asahikawa Medical University sowie des deutschen Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz zusammenarbeiten, kleine schwarze Kugeln vorgestellt haben, welche die Kraft von kurzen Laser-Pulsen nutzen, um mit einer Geschwindigkeit von einigen Zentimetern pro Sekunde über eine Wasseroberfläche zu flitzen, wobei sie zudem noch bis zum 150-fachen ihres Eigengewichts mit sich ziehen können.

Zur Herstellung der Mikrokugeln setzen die Forscher einen Wassertropfen auf eine von zwei pulvrigen Substanzen (Ruß bzw. Polypyrrol) und lassen ihn etwas hin und her rollen. Sofort bildet sich um den Tropfen eine hauchdünne und dennoch wasserdichte Schicht. Stabilisiert werden die flüssigen Murmeln mit bis zu 3 mm Durchmesser durch die abstoßenden Kräfte zwischen Wasser und Pulver. Dank der Oberflächenspannung schwimmen die Murmeln auf einer Wasserschicht.

Werden sie nun von einer Seite mit kurzen Pulsen eines Infrarotlasers (808 nm Wellenlänge, 200 mW Leistung) beleuchtet, erhitzt sich die Hülle aus Ruß oder Polypyrrol einseitig schnell auf bis zu 1.000°C. Dadurch setzen sich die Kugeln in Bewegung und driften mit bis zu 3 cm/s vom Laserstrahl weg. Verantwortlich für diesen Effekt ist ein Unterschied in der Oberflächenspannung des kühlen Wassers vor der Kugel im Vergleich zum auf 30°C erwärmten Wasser auf der angestrahlten Kugelseite.

Beim Versuch, ein winziges ,Boot’ anzutreiben, gelingt es den selbst nur 9 mg wiegenden Kugeln ein Gewicht von 1,4 g vorwärts zu schieben, ebenfalls mit bis zu  3 cm/s. Die Mikrokugeln eignen sich zudem als Transportcontainer für flüssige Arzneien oder Chemikalien, die in Zukunft in der Medizin oder der chemischen Industrie genutzt werden könnten. Stärkere oder etwas längere Laserpulse senkrecht von oben lassen sie nämlich platzen, um die Fracht an einer gewünschten Stelle zu entladen.

Im Mai 2016 folgt der Bericht eines britischen Teams um Prof. Jeremy Baumberg und Tao Ding  am Cavendish Laboratory der University of Cambridge, das einen Nanoantrieb entwickelt hat, dessen Prototyp den Namen ANT bekommt, was die Abkürzung von ,Actuating Nano-Transducer’ ist – aber gleichzeitig auch Ameise bedeutet.

Der Prototyp besteht aus mikroskopisch kleinen, geladenen Goldbällchen, die in einem speziellen Polymer-Gel eingelagert sind. Oberhalb einer kritischen Temperatur sind Gold und Polymer intramolekular fest miteinander verbunden. Fällt die Temperatur allerdings unter die vorgegebene kritische Grenze, nimmt das Polymer aus seinem Umfeld Wasser auf, dehnt sich aus und sprengt die Goldbällchen in einer Millionstel Sekunde explosionsartig ab.

Dieser Vorgang läßt sich aber auch rückgängig machen: Steigt die Temperatur wieder auf den kritischen Wert, so stößt das Polymer das Wasser aus und zieht die Goldbällchen wieder an. Dies wirkt wie ein Federmechanismus, der elastische Energie speichert. Die kritische Temperatur kann dabei durch Veränderung des Polymers festgelegt werden – für medizinische Zwecke beispielsweise bei 37 °C bzw. der Körpertemperatur.

Die Temperatur selbst läßt sich auf verschiedenen Wegen verändern, wobei der Prototyp mit einem Laserlicht gesteuert wird. Die Forschung wird vom Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) sowie dem Europäischen Forschungsrat (ERC) gefördert. Das Team sucht bereits nach Partnern für eine industrielle Nutzung der neuen Technik - die einmal mehr als der Welt kleinster Motor angepriesen wird.

Forscher der Washington State University um Prof. Michael R. Kessler haben einer im Juni 2016 veröffentlichen Studie zufolge nach jahrelanger Forschung einen funktionalen Polymer aus drei Funktionsbausteinen entwickelt, der auf Licht und Hitze reagiert und in der Lage ist, sich entsprechend zu verformen, zusammen- und auseinanderzufalten.

Hierfür wird zunächst eine Flüssigkristallverbindung gewählt, die auf Temperaturveränderungen reagiert und in der Lage ist, sich auszudehnen und wieder zusammenzuziehen. Die Verbindung wird anschließend in Azobenzol getaucht, das auf Licht reagiert und sich entweder zu diesem hin orientiert oder davon abwendet. Wie das Material reagiert, hängt dabei von der Wellenlänge des Lichts ab. Um das Ganze auch wieder aufbereitbar machen zu können, wird noch eine dynamische chemische Verbindung hinzugefügt (dynamic covalent bonds).

Alle drei Funktionsbausteine zeigen eine gute Verträglichkeit und das resultierende Material zeigt verschiedene photomechanische, Formgedächtnis- und selbstheilende Eigenschaften. Bei den Versuchen wird festgestellt, daß sich das neuartige Material bei blauem Licht biegt und bei UV-Licht ausbreitet. Wird das Material Hitze ausgesetzt, fügt es sich wieder zusammen.

Im Juli 2016 melden Forscher der Hokkaido University in Japan, daß sie aus der organischen Verbindung Azobenzol sowie aus Ölsäure einen kristallinen Mikro-Roboter hergestellt haben, der sich unter dem Einfluß von blauem Licht bewegt. Unter dem Mikroskop ist zu beobachten, wie es zu oszillierenden Bewegungen der Kristalle kommt, sobald diese blauem Licht ausgesetzt werden. Je stärker die Intensität des Lichts ist, desto ausgeprägter sind auch die Oszillationen.

Als die Wissenschaftler um Yoshiyuki Kageyama die Konstruktion in Wasser legen, zeigt diese eine dem Schwimmen ähnliche Bewegung. Unter den richtigen Bedingungen können die winzige Roboter so dazu gebracht werden, in jede beliebige Richtung zu schwimmen. Konkrete Pläne zur Kommerzialisierung der Roboter gibt es noch keine.

Im gleichen Monat berichtet ein Team von Chemikern der Humboldt-Universität zu Berlin und der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden um Michael G. Debije von der Entwicklung dünner Plastikfilme, die sich im Sonnenlicht kontinuierlich bewegen.

Zu ihrer Herstellung werden von den Forschern entwickelte Tetrafluorazobenzolfarbstoffe, die in grünem bzw. blauem Licht effizient ihre Form ändern, in Flüssigkristallen angeordnet, die anschließend durch eine Polymerisation in dünnen Plastikfolien fixiert werden, die sich im Sonnenlicht dann biegen und chaotisch hin und her schwingen.

Durch Variation wichtiger Systemparameter finden die Forscher heraus, daß die Auslenkung der Plastikfilme sowohl von der Intensität als auch von der Wellenlänge des Lichts abhängt und nur im Falle gleichzeitiger Bestrahlung mit beiden Farben, d.h. grün und blau, eintritt. Im Ergebnis kann durch ,einfaches, Sonnenlicht, d.h. ohne zusätzliche künstliche Lichtquellen, eine makroskopische Bewegung erzeugt werden. Warum der Kunststoff dies tut, können die Forscher noch nicht ganz erklären und werden es deshalb auch weiter untersuchen.

Neben der Entwicklung von autonomen, sonnenlichtgetriebenen Nano- und Mikromaschinen prognostizieren die Wissenschaftler alltagstaugliche praktische Anwendungen, wie z.B.  selbstreinigende Oberflächen von Fenstern oder Solar-Paneelen, was besonders bei Anlagen in Wüstengebieten sehr sinnvoll wäre.

Ebenfalls im Juli 2016 geben Experten der Griffith University um Prof. Qin Li bekannt, daß sie neue Möglichkeiten für die Lichtsammlung entdeckt hätten, die sich durch eine Verengung der Bandlücke von Titandioxid und Graphen-Quantenpunkten auftun.

Die Forscher haben zum ersten Mal einen quantenbegrenzten Mechanismus zur Verengung der Bandlücke gefunden, bei dem die UV-Absorption durch die Graphen-Quantenpunkte und TiO₂-Nanopartikel leicht in den sichtbaren Lichtbereich hinein erweitert werden kann. Ein solcher Mechanismus kann die Entwicklung einer kompletten neuen Klasse von Verbundwerkstoffen für die Lichtsammlung und Optoelektronik ermöglichen.

Als noch wichtiger wird bewertet, daß damit ein einfacher Weg gefunden wurde, um ein UV-absorbierendes Material auch für sichtbares Licht empfänglich zu machen. Immerhin macht das sichtbare Licht 43 % der Sonnenenergie aus – im Vergleich zu nur 5 % UV-Licht. Praktische Umsetzungen der Entdeckung wären hocheffiziente Solarzellen sowie die Wasserreinigung unter Verwendung von Sonnenlicht.

Zwar nicht direkt im Zusammenhang mit dem Micro Energy Harvesting, aber dennoch so interessant, daß ich sie hier einfügen möchte, ist eine Meldung vom September 2016. Dieser zufolge haben Physiker des Instituts für Angewandte Physik der Russischen Akademie der Wissenschaften (IAP RAS) in Nischni Nowgorod berechnet, daß es durch konzentrierte Hochleistungslaserpulse – und damit Licht – möglich sei, Materie und Antimaterie zu erzeugen. Bislang gelingt die Herstellung von Antimaterie nur mit enormem Aufwand in Teilchenbeschleunigern – und das nur in winzigsten Mengen.

Igor Yu. Kostyukov und Evgeny N. Nerush untersuchten in Berechnungen und Simulationen den Effekt, den ein energiereicher Laserstrahl von mehr als 10²⁴ W/cm² hat, der auf eine Metallfolie trifft, was in etwa der Intensität des gesamten auf der Erde eintreffenden Sonnenlichts entspricht, fokussiert auf ein einzelnes Sandkorn. Bei derart hohen Laserintensitäten beginnen Effekte der Quantenelektrodynamik (QED) eine Rolle zu spielen, welche die Wechselwirkungen von elektromagnetischer Strahlung mit Materie beschreibt.

Kostyukov erklärt, daß ein starkes elektrisches Feld „das Vakuum quasi zum kochen bringen kann“, welches voller ,virtuellen Teilchen’ ist, wie z.B. wie Elektron-Positron-Paaren. Das Feld kann diese Art von Teilchen aus einem virtuellen Zustand, in welchem sie nicht direkt beobachtbar sind, in echte Teilchen umwandeln.

Im Falle des postulierten Experiments sorgt der Laserstrahl dafür, daß die Elektronen der Metallfolie energiereiche Gammastrahlen-Photonen abgeben, die wiederum mit dem Laserfeld interagieren und auch miteinander kollidieren, wobei nach dem 1934 postulierten Breit-Wheeler-Effekt Paare von Elektronen und Positronen entstehen können – und damit Antimaterie. Zudem kann sich daraus eine Kettenreaktion bilden – eine sogenannte QED-Kaskade, die zu einem exponentiellen, sehr steilen Anstieg der Anzahl von Positronen führt.

Wie die Physiker in ihrer Simulation feststellen, kommt es dabei an der Kontaktstelle des Laserstrahls mit der Folie zu einer räumlichen Trennung von Photonen, Elektronen und Positronen, wobei sich die Positronen in einer hauchdünnen Schicht zwischen einem Kissen aus Elektronen und dem Laserstrahl sammeln. Je nach Energie des Lasers ist diese Positronenschicht entweder glatt oder bildet eine helixartige Spirale.

Auf der Abbildung ist die räumliche Verteilung der Folien-Ionen (blau) sowie die Verteilung der durch QED Kaskadierung im Raum x-Vy-Vz erzeugten Elektronen (grün) und Positronen (rot) zu sehen, wo Vy und Vz die transversalen Komponenten der Geschwindigkeiten erzeugten Teilchen sind. Der Laserpuls breitet sich entlang der x-Achse aus, während die Folie senkrecht dazu steht.

Noch ist fraglich, ob damit eines Tages tatsächlich Antimaterie erzeugt werden kann, auch wenn es bereits Laser gibt, deren Intensität an die des hier simulierten Lasers heranreichen, obwohl sie diese Leistung nur wenige Sekundenbruchteile aufrecht halten können. Unklar ist zudem, ob und wie man die Positronen ohne Auslöschung aus dem Strahlengang herausbekommen kann. Für eine zukünftige Energie-Technologie, die auf Antimaterie basiert, könnte dies sehr relevant werden.

Zum Thema Lichtnutzung siehe auch unter Photosynthese.

Magnetfeld

Berichten vom Mai 2015 zufolge erhält ein Team der Cornell University von der NASA eine Förderung in Höhe von 100.000 $, um im Rahmen einer neunmonatigen Untersuchung einen Amphibien-Roboter zu entwickeln, der durch die Meere ferner Monde und Planeten schwimmen kann.

Die größte Hürde für Rover und Roboter, die zu weit entfernten Planeten geschickt werden, ist, daß sich diese nicht vollständig mit Solarstrom versorgen lassen, weil ihre Einsatzorte weit weg von der Sonne sind. Dies ist ebenso der Fall, wenn es sich um Tauchroboter handelt, die in Bereichen agieren sollen, in denen es überhaupt kein Licht mehr gibt.

Der vor allem für den Jupitermond Europa geplante Schwimmroboter, der einem Tintenfisch oder einem Aal nachempfunden ist, soll stattdessen seine Energie aus den magnetischen Feldern ernten, die durch den Jupiter entstehen. Die Forscher gehen davon aus, daß die Magnetfelder einen Stromfluß durch die gesamten Wassersäule von Europas Meeren erzeugen, sodaß der Roboter-Fisch durch einen ausgestreckten elektrodynamischen Tether genug Energie ernten kann, um alle seine Systeme mit Strom zu versorgen.

Der gewonnene Strom wird zur Elektrolyse von Wasser verwendet, wobei die Spaltprodukte H₂ und O₂ im Körper des Roboters gespeichert werden. Die Gase können dann nach Bedarf gemischt und entzündet werden, wobei sich zwei Möglichkeiten als Antrieb anbieten: Die Explosionen könnten entweder dazu führen, daß sich der Körper und die Glieder des Robots ausdehnen und zusammenziehen, so daß er dadurch vorwärts ,schwimmt’, oder die Explosionen werden viel direkter verwendet, um den Roboter mittels Abgasstrahl aus der Rückseite wie einen Kraken vorwärts zu treiben.

Zudem soll der gewonnene Strom Onboard-Sensoren für die Untersuchung der Umgebung betreiben sowie eine Leuchthaut aktivieren, die das umgebende Wasser erhellt, um Unterwasser-Fotos zu machen.

Der Zuschuß an das Cornell-Team ist einer von 15 aus dem NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) Programm, bei dem Science-Fiction-Ideen durch die Entwicklung zukunftsweisender Technologien in wissenschaftliche Fakten verwandelt werden sollen.

Über den Einsatz ähnlicher Technologien im Orbit der Erde, wo Theter das irdische Magnetfeld anzapfen, berichte ich ausführlich im Kapitelteil Alternative Antriebe in der Raumfahrt (s.d.).

 

Weiter mit dem Schall...