TEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

Felder und Wellen

WÄrme (VIII)

Eine interessante Meldung im Juni 2019 stammt von Forschern der Rice University, die ein Gerät entwickelt haben, das den Wirkungsgrad von Solarzellen auf bis zu 80 % steigern könnte. Hierzu verwenden sie eine makroskopisch ausgerichtete Schicht aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen, mit denen ein hyperbolischer Wärmestrahler geschaffen wird, der bei Temperaturen von bis zu 700°C arbeiten kann und Elektronen nur in eine Richtung wandern läßt. Indem die als Wärme emittierten Photonen in ein schmaleres Band gequetscht werden, wird Licht erzeugt, das dann von einer Solarzelle absorbiert werden kann.

Da Wärme der Feind der heutigen Solarzellen ist, deren Wirkungsgrad stark sinkt, wenn sie zu heiß werden, wird schon länger an Möglichkeiten gearbeitet, einen Teil dieser Wärme abzuschöpfen und für andere Zwecke zu nutzen, z.B. für die Warmwasserbereitung. Andere Seiten erforschen aufwendige Kühlsysteme, die die Kosten und die Komplexität der Solarsysteme allerdings signifikant erhöhen. Mehr darüber findet sich unter dem Schwerpunkt Kühlung von PV-Paneelen.

Der Ansatz des Rice-Teams bündelt hingegen die gesamte verschwendete bzw. störende Wärmeenergie in einen kleinen Spektralbereich, um sie dann sehr effizient in Elektrizität umzuwandeln. Das Mikroskopbild zeigt Hohlräume in einer Schicht aus Kohlenstoffnanoröhren, die thermische Photonen einfangen und sie in Licht umwandeln.

Der Artikel ,Macroscopically Aligned Carbon Nanotubes as a Refractory Platform for Hyperbolic Thermal Emitters’ der Wissenschaftler um Prof. Gururaj V. Naik beschreibt allerdings die Forschung an nanophotonischen Wärmestrahlern im Labor, die noch weit von der kommerziellen Realisierbarkeit entfernt ist. Der nächste Schritt wird daher darin bestehen, den thermischen Emitter auch experimentell mit einer Solarzelle zu kombinieren.

Im Juli 2019 stellen Forscher der Université de Bordeaux und des Helmholtz-Zentrum Geesthacht einen hocheffizienten Mikromotor vor, der zugleich ein Energiespeicher ist. Er besteht aus einer Polyvinylalkohol-Mikrofaser mit einem Durchmesser von 40 µm, die bei Raumtemperatur steif ist. Erwärmt man die Faser, wird sie elastisch und kann verdrillt werden - wie das Gummiband bei einem Modellflugzeug.

Anders als Gummi jedoch, behält die Faser ihren verdrillten Zustand aber bei, auch wenn sie wieder abkühlt, und zwar so lange, bis sie am Einsatzort erneut erwärmt wird. In diesem Fall kehrt die Drehspannung zurück, das bewegliche Ende beginnt sich zu drehen und der Mikrofaser-Motor kann als Antrieb dienen.

Um eine hohe Energiedichte bei der Speicherung zu erreichen, versteifen die Forscher um Jinkai Yuan und Prof. Andreas Lendlein den Kunststoff mit winzigen Blättchen aus Graphenoxid, nachdem sich bei Experimenten gezeigt hatte, daß es Kohlenstoff-Nanoröhrchen überlegen ist. Durch die günstige Orientierung der Nanoblättchen zur Deformationsrichtung der Faser und deren eigener Verformung wird mit Graphenoxid ein höheres Drehmoment erreicht.

Zudem können die Anzahl der Drehungen, die der Mikro-Fasermotor ausführen kann, und der Temperaturbereich, in dem diese Bewegung ausgelöst wird, vorbestimmt werden. Die sogenannte Schalttemperatur, bis zu der die Drehspannung bewahrt wird, kann in weiten Grenzen durch die Temperatur festlegt werden, bei der die Faser zuvor verdrillt wurde.

Bei dem untersuchten Fasermaterial aus Polyvinylalkohol hat sich eine Programmiertemperatur von 80°C als besonders günstig erwiesen. Hier können 80 % der durch die Verdrillung der Faser programmierten Drehungen wieder abgerufen werden. Für künftige medizinische Anwendungen kann man aber auch mit einem Kunststoff arbeiten, der bei Körpertemperatur schaltet. Außerdem ist die gewichtsbezogene Energiedichte bei dem Mikrofaser-Motor 60 Mal höher als bei natürlichen Skelettmuskeln (,Shape memory nanocomposite fibers for untethered high-energy microengines’).

Ebenfalls im Juli 2019 erscheinen die ersten Berichte über das von Martin Huber und Artur Steffen im Vorjahr gegründete und in Düsseldorf beheimatete Start-Up poligy GmbH, das eine besonders kostengünstige, effiziente und vielseitige Lösung zur Stromerzeugung aus niedrigen Temperaturen bietet. Mit dem von Huber erfundenen und international patentierten Kunststoff Bipolymer wird das physikalische Prinzip von Bimetallen erstmals auf Kunststoffe übertragen.

Zur Umsetzung verwendet die Firma zweilagige Kunststoffstreifen, die sich bei Temperaturunterschieden stark verbiegen. Während Bimetalle aus zwei Metallen bestehen, nutzt poligy zwei Kunststoffe mit sehr unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten wodurch der Biegeeffekt deutlich stärker ausfällt. Die Bipolymer-Streifen aus kohlenfaserverstärktem Kunststoff (CFK) und einer dünnen Lage Polybutylenterephthalat (PBT) werden in Form von Bändern oder Speichen in ein Rad oder Bandmodul integriert. Durch Erwärmung verformen sie sich, treiben das Rad an und erzeugen so mechanische Energie, die ein Generator in Strom umwandelt.

Weitere Vorteile sind, daß die die Technologie bereits bei Temperaturdifferenzen von 50 - 200°C arbeitet, die verwendeten Materialien vollständig recycelbar und frei von seltenen Erden oder giftigen Metallen sind und sich zudem in großen Mengen mit bestehenden Anlagen und geringem Energieaufwand herstellen lassen. Außerdem kann das System von poligy nicht nur Strom erzeugen, sondern auch Wärme speichern und bereitstellen, wodurch es vielseitiger ist als klassische Photovoltaik oder Solarthermie, die jeweils nur einen Energieträger liefern.

Mit dem ersten Prototypen, einem Streifen mit den Maßen 4 x 8 cm, wird durch Erwärmung auf 100°C eine Kraft von 30 Newton erzeugt, was in etwa der Kraft entspricht, mit der ein Gewicht von 3 kg am Arm zieht, wenn man es trägt. Um die Wärmeleitfähigkeit des PBT weiter zu verbessern, soll dieser als nächstes mit Graphen angereichert werden. Ziel ist, daß eine 12 m² große Fläche mit Bipolymer-Generatoren eine Leistung von 1 kW erreicht.

Im Rahmen der Gründermesse StartupCon 2018 erhält poligy den international ausgerichteten Chem Startup Award in der Kategorie ,New Materials’, zudem gewinnt die Erfindung den Future Materials-Award der Tageszeitung Handelsblatt. Ab Juli 2019 gibt poligy digitale Wertpapiere auf Basis der Blockchain-Technologie aus, um die Weiterentwicklung der Bipolymer-Systeme zur Marktreife finanzieren zu können. Weitere Entwicklungsschritte sind bislang aber nicht auszumachen.

Forscher der Johannes Gutenberg-Universität Mainz um Prof. Ferdinand Schmidt-Kaler und Ulrich G. Poschinger veröffentlichen gemeinsam mit Prof. John Goold vom Trinity College Dublin im August 2019 einen Bericht über ihre theoretischen Untersuchungen an Wärmekraftmaschinen von mikroskopischer bzw. atomarer Größe - was die Presse als den „kleinsten Motor der Welt“ bezeichnet (,Spin Heat Engine Coupled to a Harmonic-Oscillator Flywheel’).

Die verschiedenen Typen von Wärmekraftmaschinen wie Verbrennungsmotoren oder Turbinen, die Wärmeenergie in nutzbare Arbeit umwandeln, werden einheitlich von den gleichen physikalischen Gesetzen der Thermodynamik beschrieben. Dies gilt jedoch nicht mehr, wenn solche Maschinen auf mikroskopische oder sogar atomare Skalen verkleinert werden, wo andere Gesetzmäßigkeiten gelten und Fluktuationen auftreten, wodurch der Betrieb einer solchen Maschine nicht gleichmäßig erfolgt und einem gewissen Maß an Zufall unterworfen ist.

Die Forscher spielen ein experimentelles Szenario durch, in dem dieser Sachverhalt klar zutage tritt: Ein einzelnes gefangenes, elektrisch geladenes Kalzium-Ion fungiert als Wärmekraftmaschine, indem es mit Laserstrahlung abwechselnd gekühlt und aufgeheizt wird. Die dabei absorbierte Wärme wird durch den Eigendrehimpuls des Ions in Schwingungen oder Vibrationen des gefangenen Ions umwandelt und gespeichert, wobei diese Schwingungen wie ein ,Schwungrad’ wirken, das die vom Motor erzeugte Nutzenergie auffängt.

Wenn das Schwungrad aus dem Ruhezustand - genauer gesagt aus dem Grundzustand, d.h. der niedrigsten Energie in der Quantenphysik - gestartet wird, kann beobachtet werden, wie der kleine Motor das Schwungrad zu immer schnellerem Lauf zwingt. Die Analyse der experimentellen Daten zeigt allerdings, daß nur ein Teil der erzeugten Energie sinnvoll genutzt werden kann, der andere Teil manifestiert sich in zufälligen thermischen Bewegungen des Ions. Trotzdem erwarten die Wissenschaftler, daß die Theorie und dieses Experiment eine neue Ära für die Untersuchung der Energetik von Technologien auf Grundlage der Quantentheorie einläuten.

In der einsehbaren Arbeit ,Deep learning for accelerated all-dielectric metasurface design’, die im September 2019 erscheint, berichten Elektroingenieure der Duke University um Prof. Willie J. Padilla und Christian C. Nadell, wie sie sich die Möglichkeiten des maschinellen Lernens zunutze gemacht haben, um dielektrische, nichtmetallische Metamaterialien zu entwerfen, die bestimmte Frequenzen der Terahertz-Strahlung absorbieren und aussenden.

Im vorliegenden Fall ist das Terahertz-Metamaterial aus einem 2x2-Gitter aus Siliziumzylindern aufgebaut, das einem kurzen, quadratischen LEGO-Stein ähnelt, wobei die Lichtfrequenzen, mit denen es interagiert, durch die Einstellung der Höhe, des Radius und des Abstands jedes der vier Zylinder verändert werden können. Da selbst bei einem einfachen dielektrischen Metamaterial, bei dem jeder der vier Zylinder nur 13 verschiedene Radien und Höhen haben kann, 815,7 Millionen mögliche Geometrien existieren, wird ein neuronales Netzwerk mit 18.000 einzelnen Simulationen darauf trainiert, genaue Vorhersagen zu treffen, wie das Frequenzspektrum der jeweiligen Version aussehen wird.

Um das Problem der Anpassung einer Geometrie an einen gegebenen Frequenzgang zu lösen, und weil der maschinelle Lernalgorithmus fast eine Million Mal schneller ist als die Software, mit der er trainiert wurde, lassen die Forscher ihn einfach jede einzelne der 815,7 Millionen möglichen Permutationen lösen - was nur 23 Stunden erfordert, anstatt der mehr als 2.000 Jahre, die es dauern würde sie alle zu simulieren, selbst mit den besten Computern die den Forschern zur Verfügung stehen.

Mit der Fähigkeit, dielektrische Metamaterialien auf diese Weise zu entwerfen, arbeitet das Team nun an der Entwicklung einer neuen Art von thermophotovoltaischen Geräten, die Strom aus Wärmequellen erzeugen.

Da es in dieser Übersicht auch um die Nutzung der menschlichen Körperwärme geht, sollte an dieser Stelle eine Studie der Stanford University erwähnt werden, die im Januar 2020 unter dem Titel ,Decreasing human body temperature in the United States since the Industrial Revolution’ erscheint und ebenfalls einsehbar ist. Diese Arbeit kommt durch die Überprüfung einer Vielzahl von Gesundheitsdaten zu dem Schluß, daß die durchschnittliche Körpertemperatur der Amerikaner im letzten Jahrhundert gesunken sei. Die Idee, daß die menschliche Körpertemperatur bei 37°C liegt, wurde erstmals 1851 von dem deutschen Arzt Carl Reinhold August Wunderlich vorgestellt. Seitdem dient sie als ein Diagnoseinstrument, ob jemand krank oder gesund ist.

Im Zuge der unter der Leitung von Prof. Julie Parsonnet und Prof. Trevor Hastie durchgeführten Studie, bei der insgesamt 677.423 Temperaturmessungen zwischen 1862 und 2017 untersucht werden, stellt sich jedoch heraus, daß die Menschen im Laufe der Jahre kühler geworden sind - zumindest in den Vereinigten Staaten.

Hier liegt die Körpertemperatur von Männern, die Anfang bis Mitte der 1990er Jahre geboren wurden, im Durchschnitt um 0,59°C niedriger ist als die von Männern, die in den frühen 1800er Jahren geboren wurden, während die Körpertemperatur von Frauen, die Anfang bis Mitte der 1990er Jahre geboren wurden, im Durchschnitt um 0,32°C niedriger ist als die von Frauen, die in den 1890er Jahren geboren wurden. Diese Berechnungen entsprechen einer Abnahme der Körpertemperatur um 0,03°C pro Jahrzehnt.

Der wahrscheinlichste Grund für diese Entwicklung ist eine Verringerung der menschlichen Stoffwechselrate aufgrund von Umweltfaktoren. Eine Möglichkeit ist, daß die Verbesserung der öffentlichen Gesundheit in den letzten 200 Jahren die Häufigkeit von Entzündungen verringert hat, was den Stoffwechsel ankurbelt. In Verbindung mit einem komfortableren Leben in einer stabileren Umgebung bedeutet dies, daß der Körper nicht mehr so hart arbeiten muß, um warm zu bleiben, so daß die Durchschnittstemperatur sinkt.

Wie im April 2020 bekannt wird, haben Wissenschaftler der University of California, Los Angeles und der Wuhan University in China ein neues, intelligentes Thermogalvanisches Hydrogel entwickelt, das elektronische Geräte abkühlen und gleichzeitig Abwärme in Strom umwandeln kann (,Thermogalvanic Hydrogel for Synchronous Evaporative Cooling and Low-Grade Heat Energy Harvesting’).

Das Team um Jun Chen, Xuejiao Hu und Kang Liu stellte ein Hydrogel her, das aus einem Polyacrylamidgerüst besteht, welches mit Wasser und bestimmten Ionen durchsetzt ist. Wird das Hydrogel erhitzt, übertragen zwei der Ionen (Ferricyanid und Ferrocyanid) Elektronen zwischen den Elektroden und erzeugen so Strom. Gleichzeitig verdampft das Wasser im Inneren des Hydrogels und kühlt es ab. Nach dem Gebrauch regeneriert sich das Hydrogel selbst, indem es Wasser aus der Umgebungsluft aufnimmt.

Um das neue Material zu demonstrieren, befestigen die Forscher eine 2 mm dicke Hydrogelfolie an einer Handybatterie im Dauerbetrieb. Ein Teil der Abwärme wird dabei im Zuge der thermogalvanische Reaktion in 5 μW Strom umgewandelt, während die Temperatur des Akkus durch die effiziente Verdunstungskühlung um 20°C sinkt. Die verringerte Arbeitstemperatur gewährleistet einen sicheren Betrieb des Akkus, und der gewonnene Strom reicht zur Überwachung des Akkus oder zur Steuerung des Kühlsystems aus.

Ein Forschungsteam der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) und der École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) hat laut einem Bericht vom Juni 2020 einen molekularen Motor entwickelt, der aus nur 16 Atomen besteht und sich zuverlässig in eine Richtung dreht. Er kann sowohl mit Wärmeenergie als auch mit elektrischer Energie betrieben werden. Mit seiner Breite von weniger als einem Nanometer scheint er genau an der Grenze zwischen klassischer Physik und dem Quantenbereich zu funktionieren.

Wie seine makroskopischen Gegenstücke besteht der Mikro-Motor des Teams um Oliver Gröning aus einem Stator und einem Rotor. Der Stator ist in diesem Fall ein Cluster aus sechs Palladiumatomen und sechs Galliumatomen, die in einer groben Dreiecksform angeordnet sind, während der Rotor ein vieratomiges, symmetrisches Acetylenmolekül ist, das auf der Oberfläche des Stators rotiert und dabei sechs unterschiedliche Positionen einnehmen kann.

Da die Energie, die den Motor antreibt, aus einer zufälligen Richtung kommen kann, muß er selbst die Drehrichtung vorgeben, was durch ein umgekehrtes Rätschenprinzip geschieht und die Bewegung praktisch nur in eine Richtung möglich macht. Als Resultat kann sich der Rotor fortlaufend drehen, wobei er eine Drehrichtungstreue von 99 % aufweist. Damit öffnet der molekulare Motor einen Weg zur Energiegewinnung auf atomarer Ebene. Der Artikel ,Molecular motor crossing the frontier of classical to quantum tunneling motion’ ist im Netz einsehbar.

Im Juli veröffentlichen Wissenschaftler der University of Michigan (UMich) um Evgueni T. Filipov die Studie ,Elastically and Plastically Foldable Electrothermal Micro-Origami for Controllable and Rapid Shape Morphing’, in welcher sie über ihre Entwicklung vom Origami inspirierter Mikrobots berichten, die sich durch Wärmezufuhr in verschiedene Formen falten lassen, um unterschiedliche Aufgaben zu übernehmen. Vom Aufbau her ähneln sie den o.e. Entwicklungen an der University of Colorado Boulder.

Das einzelne Maschinchen ist nicht größer als ein Zentimeter und verfügt über eine faltbare Schicht aus Gold sowie eine weitere faltbare Schicht aus Polymer, die als Antrieb dient. Die Maschine ist an eine Stromquelle und einen Mikrocontroller angeschlossen und wird mit elektrischem Strom versorgt, der durch die Goldschicht fließt und Wärme erzeugt. Dabei kann der Strom so eingestellt werden, daß er die Temperatur des Materials steuert, was wiederum die Form und die Bewegungen des Mikrobots bestimmt.

Durch Erhitzen des Systems wird die anfängliche Faltung bewirkt, die Entfaltung geschieht dann, indem es wieder abgekühlt wird. Um etwas zu falten und gefaltet zu halten, wird das System überhitzt. Dadurch läßt sich die Faltung programmieren, d.h. ändern, wo sie zur Ruhe kommt. Nun  arbeiten die Forscher an der Verbesserung der Steuerungsmethoden und an der Entwicklung von kabellosen Versionen mit eingebauten Batterien und Mikrocontrollern.

Wissenschaftler der National University of Science and Technology (NUST MISiS) in Moskau stellen im September 2020 eine neue Art von energieeffizienten Geräten vor, die Wärme in Energie umwandeln. Das Team um Igor Burmistrov beschreibt in seiner Publikation ,High seebeck coefficient thermo-electrochemical cell using nickel hollow microspheres electrodes’ Thermozellen, die aus Metalloxidelektroden und einem wäßrigen Elektrolyten bestehen - was die Produktionskosten senkt und die Sicherheit des Systems erhöht.

Die NUST-Thermozelle soll das Problem lösen, daß die modernen thermoelektrochemischen Zellen eine eher geringe Ausgangsleistung haben. Durch die neue Kombination wird der Strom erhöht und gleichzeitig der Innenwiderstand des Elements verringert. Tatsächlich läßt sich die Leistung durch die Verwendung von Wasser im Vergleich zu analogen Geräten um das 10 - 20-fache auf bis zu 0,2 V steigern.

Dank des hohen Seebeck-Koeffizienten der Thermozelle kann sogar die Wärme des menschlichen Körpers als Energiequelle genutzt werden. Nun arbeiten die Wissenschaftler daran, die Ausgangsleistung zu erhöhen, indem die Zusammensetzung des Elektrodenmaterials optimiert und das Design der Thermozelle verbessert wird.

Über einen weiteren Minimotor, den diesmal ein Forscherteam der TU Kaiserslautern unter Leitung von Prof. Artur Widera gemeinsam mit zusammen mit Prof. Eric Lutz von der Universität Stuttgart entwickelt hat, wird im April 2021 berichtet. Die Quanten-Wärmekraftmaschine besteht aus einem einzelnen Caesium-Atom in einem Gas aus Rubidium-Atomen als Medium, welches bis fast an den absoluten Nullpunkt abgekühlt wird, um thermische Fluktuationen auszuschließen.

Mit Hilfe einer Analogie zu Wärmeaustausch und Kolbenbewebung realisieren die Forscher einen Otto-Kreisprozeß in der Quantenwelt: Der Treibstoff im System ist der Spin der Rubidium-Atome, also ihr Eigendrehimpuls, und der notwendige Wärmeaustausch erfolgt beim Zusammenstoßen von Cäsium- und Rubidium-Atomen. Der Spin kann in zwei Richtungen erfolgen, aufwärts oder abwärts, was in dem vorliegenden System heiß und kalt und damit den Wärmeunterschied repräsentiert.

Wenn die Spin-Austauschstöße stattfinden, kippen die Drehbewegungen des zusammenstoßenden Caesium- und Rubidium-Atoms in die jeweils andere Richtung, wobei es die ultrakalten Temperaturen erlauben, die Richtung der Spin-Änderung in einzelnen Stößen zu kontrollieren. Die Bewegung des Kolbens, der die Energie dann umwandelt, wird im System durch ein sich änderndes Magnetfeld ersetzt. Die Maschine läuft verläßlich und entfaltet zugleich eine konstant hohe Leistung bei hoher Effizienz. Der Artikel ,A quantum heat engine driven by atomic collisions’ ist im Netz abrufbar.

In Bezug auf Quantenwärmekraftmaschinen (Quantum Heat Engines, QHE) sei auch auf eine Veröffentlichung des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik vom Januar 2003 hingewiesen, in welcher  Herbert Walther zusammen mit Kollegen der Texas A&M University, der Quaid-i-Azam University in Pakistan und des Physical Research Laboratory in Indien die Ergebnisse ihrer Forschungen an einer Maschine vorstellen, durch Photonendruck bewegt wird. Damals lag der Quantenmotor jedoch noch außerhalb der technischen Möglichkeiten. Auch der Artikel ,Extracting Work from a Single Heat Bath via Vanishing Quantum Coherence’) ist im Netz einsehbar.

Auch Wissenschaftler der University of Colorado Boulder nutzen die Eigenschaften des Quantenreichs, um Geräte zu entwickeln, die Wärme effiziente aus der Umgebung auffangen und in Elektrizität umwandeln. In ihrer im Mai 2021 veröffentlichten und einsehbaren Arbeit ,Demonstration of resonant tunneling effects in metal-double-insulator-metal (MI²M) diodes’ beschreiben sie einen neuen optischen Gleichrichter, der etwa 100 Mal effizienter sei als ähnliche Geräte, die zur Energiegewinnung eingesetzt werden.

Das Team um Prof. Garret Moddel und Amina Belkadi erreicht dies durch einen Prozeß namens ,resonantes Tunneln’, bei dem Elektronen ohne Energieaufwand durch feste Materie wandern. Der optische Gleichrichter besteht aus Rectennas, die wie winzige Schleifen geformt sind und tatsächlich in der Lage sind, Strom zu erzeugen, auch wenn der Wirkungsgrad noch sehr gering ist. Bei einem Experiment wird ein Netzwerk von etwa 250.000 Rectennas auf einer Heizplatte im Labor angeordnet. Als diese angeschaltet wird, ist das Geräte in der Lage, etwas weniger als 1 % der von der Heizplatte erzeugten Wärme einzufangen.

Ebenfalls im Mai stellt ein Forscherteam der North Carolina State University und der University of Pennsylvania um die Professorin Jie Yin einem gemeinsam entwickelten Softroboter aus durchsichtigen Flüssigkristall-Elastomeren vor, der die Form einer längeren Spirelli- bzw. Rotini-Nudel hat und sich auf heißen Untergründen allein aufgrund seines strukturellen Aufbaus und der verwendeten intelligenten Materialien bewegt (,Twisting for soft intelligent autonomous robot in unstructured environments’).

Grundsätzlich bewegt sich der Softroboter rollend vorwärts. Dazu muß der Untergrund jedoch mindestens 55°C heiß sein, denn erst dann zieht sich der Teil des Bandes, der die heiße Oberfläche berührt, zusammen. Der Teil, der der kühleren Luft ausgesetzt ist, tut das nicht. Dadurch kommt es zu einer Rollbewegung des Softroboters. Je heißer der energieliefernde Untergrund ist, desto schneller die Vorwärtsbewegung.

Außerdem kann der Roboter selbständig Hindernissen ausweichen, wobei es davon abhängt, mit welchem Teil seines Körpers er auf das Hindernis trifft. Stößt er mit einem der beiden Enden daran, dann dreht sich der Softroboter um das Hindernis und umrollt es. Trifft er dagegen mit seiner Körpermitte darauf, dann setzt er die im bogenförmigen Körper gespeicherte Verformungsenergie schnell frei, so daß er sich in die entgegengesetzte Richtung ausrichtet und seine Laufrichtung ändert - was die Forscher als ,physische Intelligenz’ bezeichnen.

Mit Hilfe verschiedener Experimente wird die Leistungsfähigkeit des ,Spirelli-Konzepts’ demonstriert. So ist der kleine Roboter etwa in der Lage, sich über Unterlagen mit unterschiedlicher Struktur zu bewegen, darunter auch körnige Oberflächen. Selbst sandige Hindernisse mit einer Neigung von bis zu 15° stellen kein Problem dar. Und in Labyrinthen gelingt es ihm ohne Zutun von außen, nur dank des Materials und des Designs, den Weg zum Ausgang zu finden.

Über eine etwas befremdliche Methode, die menschliche Körperwärme energetisch zu nutzen, berichten die Blogs im April 2022. Im Rahmen seiner Masterarbeit im Programm ,Architektur und extreme Umgebungen’ an der Königlichen Akademie in Dänemark hatte der schwedische Architekt Pavels Liepins-Hedström in den beiden Vorjahren einen sehr innovativen Spezialanzug entwickelt, der anderes Leben - und das eigene unterstützt.

Der futuristische und doch funktionale Inxect Suit fängt die vom Träger erzeugte Wärme auf, um die ideale Temperatur für das vor die Brust geschnallte Terrarium mit einer Population von Mehlwürmern aufrechtzuerhalten. Das tragbare künstliche Ökosystem bietet ihnen die perfekte Umgebung, um ihre Arbeit zu verrichten - und zwar Plastik zu fressen, das sie ohne negative Auswirkungen verdauen. Der Mensch wiederum kann sich von den Mehlwürmern ernähren, die eine effektive Quelle für hochwertiges Protein bilden.

Die symbiotische Beziehung zwischen einem menschlichen Körper und einer Mehlwurmkolonie bildet damit ein wirksames Mittel gegen die Plastikverschmutzung und die Herausforderungen bei der Beschaffung von Proteinoptionen. Außerdem handelt es sich um einen abfallfreien Prozeß, da die Exkremente der Mehlwürmer als Düngemittel verwendet werden können und die ausrangierten Exoskelette für die Herstellung von biobasierten Kunststoffen geeignet sind. Der Inxect Suit wird mit einem Silbernen Preis der Design Educates Awards 2022 ausgezeichnet.

Inxects ist übrigens der Arbeitstitel des von Liepins im Jahr 2021 gegründeten Designbüros, das in den Folgejahren noch diverse weitere Entwicklungen vorstellt, wie das künstliche Ökosystem Inxects Island, das durch Plastikmüll aus dem Meer angetrieben wird; ein tragbares Gerät namens Gaia Communication System, das den Benutzer Benutzer mit dem umgebenden Ökosystem verbindet; sowie die Fog-X Jacke und den Fog-X Rucksack, die beide Nebel auffangen und in Trinkwasser verwandeln.

Im September 2022 berichtet die Presse über eine Erfindung der HEION GmbH, bei der es sich um einen dünnwandigen Plattenkollektor zur Gewinnung und Speicherung von elektrischer Energie handelt, indem er „erstmalig Umgebungstemperatur als Energiequelle“ erschließt. Der Kollektor basiert auf einem neuartigen Material namens HEIONIT, das aus recycelten, nichtfossilen Ausgangsstoffen hergestellt wird. Der Begriff Heionit taucht in älteren mineralogischen und petrographischen Werken als Mineralname auf, scheint aber keinen Bezug zu dem neuartigen Energiewandlungsmaterial zu haben.

Das HEIONIT absorbiert im Temperaturbereich von 5°C bis 50°C Umgebungswärme und wandelt diese in elektrische Energie um, die es dann bis zur Nutzung speichert. Die Dauer bis zum Erreichen der Höchstladung ist dabei von der Temperaturmenge abhängig: Je wärmer es ist, desto schneller erfolgt die Aufladung. Der Effekt läßt sich durch Kontakt mit einem warmen Gegenstand oder durch Sonnenerwärmung verstärken, wobei die Dauer bis zur vollständigen Ladung zwischen 15 und 45 Minuten liegt. Nähere technische Details gibt es nicht.

Das Mitte 2018 in Siblin, Schleswig-Holstein, gegründete Unternehmen ist auch der Erfinder des HEION-Diesel (o. Clean Diesel), der als Alternative zu herkömmlichem Diesel in mehr als 40 Ländern patentiert ist. Es werden noch diverse weitere Patente angemeldet, eine kommerzielle Geschäftstätigkeit ist allerdings nicht feststellbar.

Forscher der Johns Hopkins University (JHU) präsentieren im Dezember 2022 einen gallertartigen Roboter, der wie ein Wurm kriecht, angetrieben von nichts weiter als Temperaturänderungen. Seine Fortbewegung beruht ausschließlich auf dem Quellen und Schrumpfen von Gel, wozu lediglich Temperaturänderungen im Bereich von 30 - 60°C nötig sind.

Die Gelbots des Teams um Forschungsleiter David Gracias werden per 3D-Druck aus zwei unterschiedlichen Hydrogelen hergestellt, die auf Temperaturänderungen verschieden reagieren. Da sich das Schwellen und Schrumpfen von Gelen manipulieren läßt, entstehen Bewegungen, die ein Fortkommen ermöglichen. Dabei krabbeln die kleinen Maschinen auf ebenen Oberflächen mit wellenartigen Bewegungen vorwärts und rückwärts.

Das Team hofft, die Gel-Crawler so trainieren zu können, daß sie als Reaktion auf Variationen in menschlichen Biomarkern und Biochemikalien zu kriechen beginnen. Es plant auch, andere von Würmern und Meeresorganismen inspirierte Formen zu testen und möchte Kameras sowie Sensoren an ihren Körpern anbringen, um ihre Funktionalität zu erhöhen. Der Artikel ,Untethered unidirectionally crawling gels driven by asymmetry in contact forces’ ist im Netz einsehbar.

Eine periphere Information, die im Zusammenhang mit der Nutzung von Wärme steht, bildet die Meldung im April 2023 über Forscher der Universität Bayreuth, denen es mit einem einfach zu realisierenden Konzept gelungen ist, neuartige Vliesstoffe zu entwickeln, die gleichzeitig eine Kombination aus hoher elektrischer Leitfähigkeit und extrem niedriger Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Die Vliese werden im kostengünstigen Elektrospinnverfahren aus Fasern mit einem Durchmesser zwischen 500 und 600 nm hergestellt.

Jede dieser Faser enthält eine Matrix aus Kohlenstoff, in welcher gleichmäßig nur wenige Nanometer große Bereiche verteilt sind, die mit siliziumbasierter Keramik gefüllt sind. Diese Keramikphasen bilden winzige ,Inseln’ im ,Meer’ der Kohlenstoffmatrix und haben entgegengesetzte, sich ergänzende Wirkungen. Die Kohlenstoffmatrix ermöglicht den Elektronentransport in den Fasern und damit eine hohe elektrische Leitfähigkeit, während die Keramikphasen ebenso wirksam die Ausbreitung von Wärmeenergie verhindern.

Einen weiteren Softroboter aus thermoresponsiven Hydrogelen stellen Wissenschaftler der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) um Prof. Rainer Adelung, Fabian Schütt und Margarethe Hauck im Juni 2023 vor. In der einsehbaren Studie ,Overcoming Water Diffusion Limitations in Hydrogels via Microtubular Graphene Networks for Soft Actuators’ beschreibt das Team, dem Kollegen der Technischen Universität Dresden, des Helmholtz-Zentrum Hereon in Geesthacht und der italienischen University of Trento angehören, wie es das neue Verbundmaterial entwickelt hat, das ähnlich wie ein Muskel funktioniert.

Ab einer Temperatur von 32°C geben die Hydrogele Wasser ab und verringern so ihr Volumen. Sinkt die Temperatur, nimmt das Hydrogel das Wasser wieder auf und kehrt zu seinem ursprünglichen Volumen zurück. Material läßt sich in kurzer Zeit kontrolliert verkleinern und wieder vergrößern und der Prozeß beliebig oft wiederholen, was zu einer Art Bewegung führt.

Da der gesamte Prozeß der Volumenänderung bislang sehr lange dauert und für die meisten praktischen Anwendungen viel zu langsam ist, bauend die Kieler Materialforscher in ihr Hydrogel ein Netzwerk aus winzigen Röhren ein, um das Volumen von Hydrogelen schneller zu ändern. Der Ansatz folgt dem Vorbild der Natur, wo Pflanzen und Tiere vernetzte, hierarchisch aufgebaute Kapillar- und Kanalsysteme für einen effektiven Stoff- und Flüssigkeitstransport besitzen.

Durch die zahlreichen, miteinander verbundenen Röhren von wenigen Mikrometern Größe kann das Wasser ungehindert aus dem Hydrogel ab- und zufließen und ermöglicht so eine schnelle Volumensänderung, ohne an Stabilität zu verlieren. Eine extrem dünne Graphenbeschichtung macht die Röhren außerdem elektrisch leitfähig. So kann das Hydrogel mit elektrischem Strom erwärmt und der Wassertransport auf Knopfdruck gesteuert werden. Auch mit einem gerichteten Lichtstrahl ist es möglich, die Bewegung zu kontrollieren, wie im Fall des abgebildeten Greifers.

Ein Forscherteam der Nankai University unter der Leitung von Yucheng Luan präsentiert im Oktober 2023 ein Gerät mit dem es möglich ist, die thermische Bewegung von Molekülen in einer Flüssigkeit, die eine enorme Energiemenge enthält, zur Erzeugung eines stabilen elektrischen Stroms zu nutzen.

Der einsehbaren Studie ,Molecular thermal motion harvester for electricity conversion’ zufolge besteht der neue Energiesammler aus Nanoarrays aus piezoelektrischem Material, die in einer Flüssigkeit eingetaucht sind. Dadurch kann die Bewegung der Flüssigkeit die Stränge bewegen, ähnlich wie Seegras, das im Ozean schwankt. Als piezoelektrisches Material wird Zinkoxid gewählt, das leicht in verschiedene Nanostrukturen wie Nanowhisker synthetisiert werden kann, saubere und geordnete Strukturen aus vielen Nanodrähten, die Bürstenborsten ähneln. Als Flüssigkeit dient n-Oktan.

Die von dem Team entwickelten Molecular Thermal Motion Harvester (MTMH) erreichen bei Raumtemperatur derzeit eine Ausgangsspannung von 2,28 mV und einen Ausgangsstrom von 2,47 nA. Die Leistung soll in naher Zukunft den Mikrowattbereich erreichen, womit sie für die Stromversorgung von Nanotechnologien wie implantierbaren medizinischen Geräten verwendet werden kann. Innerhalb von 8 - 12 Monaten sollen dann praktische Anwendungen realisiert werden, wobei die Technologie aber auch zu Generatoren in voller Größe und zur Energieerzeugung im Kilowattbereich skaliert werden kann.

Luan ist auch Gründer der East Eight Energy Co. Ltd. in Shanghai, die in die Entwicklung involviert ist, ohne daß sich aber weitere Details dazu finden lassen.

Ebenfalls im Oktober 2023 veröffentlicht Graeme A. Bird, emeritierter Professor der University of Sydney, einen Artikel über die Möglichkeit, aus der thermischen Bewegung von Luftmolekülen nützliche Energie zu gewinnen. Der im NanoWorld Journal unter dem Titel ,The Possibility of Harvesting Useful Energy from the Thermal Motion of Air Molecules’ erschienene Artikel ist Mitte 2025 - dem Zeitpunkt des aktuellen Updates - jedoch nirgends mehr auffindbar.

Bird hatte bereits im Januar 2015 eine Studie über die Energieübertragung der Brownschen Bewegung durch freitragende Nanodrähten auf Oberflächen veröffentlicht (,The rate of energy transfer from air as an initially stationary particle acquires Brownian motion’).

Weiter geht es im April 2024 mit der Studie ,Multistimulus-Responsive Miniature Soft Actuator with Programmable Shape-Morphing Design for Biomimetic and Biomedical Applications’, in der ein großes südkoreanisches Team der Chonnam National University, der Chosun University und des Korea Institute of Medical Microrobotics über die Entwicklung eines Aktuators berichtet, der eine programmierbare Formveränderung zeigt und schnell auf sechs verschiedene Stimuli reagiert: Temperatur, Hochfrequenzerwärmung, Nahinfrarotlicht, Magnetfelder, Feuchtigkeit und chemische Lösungsmittel.

Der multifunktionale weiche Aktor besteht aus Chitosan und magnetischen Nanopartikeln (MNP) und wird durch einfaches Gießen und Lasermikrobearbeitung hergestellt. Er hat das Potential, als kabelloser Miniaturroboter in verschiedenen Bereichen, einschließlich biomimetischer und biomedizinischer Anwendungen, eingesetzt zu werden. Da die Studie nicht öffentlich einsehbar ist, können hier keine weiteren Details aufgeführt werden.

Ingenieure der Princeton University und der North Carolina State University (NCSU) um Prof. Glaucio Paulino und Prof. Tuo Zhao zeigen im Mai 2024 einen weichen Roboter, der die Papierfaltkunst Origami mit modernen Thermo-Werkstoffen kombiniert. Diese Art von Robotern ist im allgemeinen schwer zu steuern, da Lenkvorrichtungen oft deren Steifigkeit erhöhen, so daß die Flexibilität darunter leidet. Die von Wärme angetriebene synthetische Roboterraupe schlängelt sich hingegen mit Leichtigkeit durch Labyrinthe, da das Lenksystem direkt ihren Körper eingebaut ist.

Der Roboter ist aus zylindrischen modularen, Segmenten zusammengesetzt, die eine Origami-Form haben, das sogenannte Kresling-Muster. Dieses ermöglicht es jedem Segment, sich zu einer abgeflachten Scheibe zu verdrehen und sich wieder zu einem Zylinder auszudehnen. Diese Dreh- und Ausdehnungsbewegung ist die Grundlage für die Fähigkeit des Roboters, zu kriechen und die Richtung zu ändern. Durch teilweises Falten eines Abschnitts des Zylinders kann dieser sich auch seitlich bewegen.

Zudem arbeiten die Segmenten unabhängig voneinander, kommunizieren aber miteinander und können sich auf Befehl zu längeren Einheiten zusammenfügen. Sie können sich leicht trennen, wobei Magnete verwendet werden, um sie zu verbinden. Durch die Fähigkeit, sich während des Betriebs zusammenzusetzen oder aufzuteilen, kann der Roboter einzeln oder als Schwarm arbeiten. Dabei kann er auch Fracht transportieren.

Die Formänderung gelingt durch die Kombination zweier Materialien, die bei Erwärmung unterschiedlich schrumpfen oder sich ausdehnen. Im vorliegenden Fall handelt es sich um ein Flüssigkristall-Elastomer und Polyimid, das entlang der Falten des Kresling-Musters zu dünnen Streifen kombiniert ist. Aktiviert wird der Roboter durch eine steuerbare, hochgradig biegsame und dünne Heizung aus einem Silbernanodraht-Netzwerk entlang jeder Falte.

Elektrischer Strom der Nanodraht-Heizung erwärmt die Streifen, und die unterschiedliche Ausdehnung der beiden Materialien führt zu einer Faltung des Streifens. Wird der Strom abgeschaltet, nimmt er seine alte Form wieder ein. Durch die Kalibrierung des Stroms und des in den Steuerstreifen verwendeten Materials können die Forscher die Faltung und Biegung und damit die Bewegung des Roboters genau steuern.

Da die aktuelle Version des Roboters eine begrenzte Geschwindigkeit aufweist, werden die Forscher als nächstes mit verschiedenen Formen, Mustern und Instabilitäten experimentieren, um sowohl die Fortbewegungsgeschwindigkeit als auch die Steuerung zu verbessern. Der Artikel ,Modular multi-degree-of-freedom soft origami robots with reprogrammable electrothermal actuation’ ist im Netz einsehbar.

Im Dezember 2024 berichten Wissenschaftler des Institute of Chemistry der Chinesischen Akademie der Wissenschaften um Yanlin Song in der einsehbaren Studie ,Hermetic hydrovoltaic cell sustained by internal water circulation’ über eine neue Methode der hydrovoltaischen Stromerzeugung, bei der in einem versiegelten Behälter kontinuierlich Elektrizität aus Wasser erzeugt wird. Die Hermetic Hydrovoltaic Cell (HHC) besitzt eine interne Stromerzeugungseinheit aus Ruß und Papiertüchern, welche die Wärme aus der Umgebung und einen Zirkulations-Hydrovoltaik-Effekt nutzt, um mittels spezieller Kapillareffekte Strom zu liefern.

Wenn man Wasser in einem Nanokanal einschließt, bleiben darin nur Ionen mit einer Polarität übrig, die der Oberflächenladung entgegengesetzt sind. Sobald das Wasser dann durch die Kanäle diffundiert, um zu verdunsten, entstehen Strom und Spannung. Sinkt die Außentemperatur wieder, kondensiert das Wasser in der Zelle zurück und kann bei Wiedererwärmung erneut durch die Nanoröhrchen diffundieren.

Bei der Umsetzung wird auf einer Quarzplatte eine Elektrode plaziert und darüber eine PEI/CB-Kunststoffschicht gebreitet (Polyetherimide/carbon black), über der die zweite Elektrode angelegt wird. Polyetherimid ist ein thermoplastisches Hochleistungspolymer, das mit Kohlenstoffpartikeln - dem Ruß - dotiert wird, um Wasser hindurch zu leiten. Die Spannung entsteht bei der Diffusion durch die Plastikschicht. Eingesammelt wird das Wasser dann oberhalb der PEI/CB-Schicht in einer Gewebeschicht - den Papiertüchern. Von dort aus kann es später wieder zur Quarzplatte zurücksickern.

Im Gegensatz zu fotovoltaischen Zellen funktionieren hydrovoltaische Zellen lichtunabhängig und sind gegen Wind und Feuchtigkeit beständig, weshalb die Technologie für den Einsatz unter rauhen Bedingungen prädestiniert ist. Sie könnte in extremen Umgebungen wie Wüsten ebenso wie in feuchten tropischen Regenwäldern eingesetzt werden, wo nur ein Prozent des Sonnenlichts den Waldboden erreicht. Auch der Einsatz in unterirdischen Baustellen im Dunkeln ist denkbar. Die Leistung einer Zelle liegt bislang bei ca. 8 nW. Auf dem Foto ist ein Versuch mit 24 in Reihe geschalteten HHCs zu sehen.

 

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