Nanogeneratoren

Stefan Reschke, Dr. Ramona Langner, Dr. Diana Freudendahl

Das Wort Nanogenerator ist ein Sammelbegriff für kleine und kleinste Energiekonverter, bei denen meist eine nanoskalige Komponente, z.B. Nanoröhren, maßgeblich an der Energiekonversion beteiligt ist. Die Idee ist, sie aus ihrer direkten Umwelt ausreichend Energie ernten zu lassen (Energy Harvesting), um damit aktuelle und insbesondere zukünftige kleine elektronische Einheiten kontinuierlich und ausreichend mit Elektrizität zu versorgen. Solche Kleinstelektronik, wie z.B. hochsensible Bio-, Chemo- oder Umweltsensoren, mikroelektromechanische Bauteile (MEMS) oder Nanoroboter, sollen dadurch unabhängig von externer Energieversorgung durch Kabel oder relativ voluminöse Energiespeicher wie Akkumulatoren oder Batterien werden. Genutzt werden soll dabei die an sich im Überfluss vorhandene Energie aus der Umwelt, nämlich thermische, mechanische, chemische und biochemische Energie.

Während frühe Konzepte aus den 1990er Jahren speziell die Nutzbarmachung von Nanopartikeln und daraus ableitbaren Effekten untersuchten, liegt seit ca. 2005 der Schwerpunkt auf den klassischen energieumwandelnden Effekten Piezo-, Pyro- und Triboelektrizität durch nanoskalige Konfigurationen. Parallel gibt es auch Forschung zu Mikrobrennstoffzellen, beispielsweise auf der Basis Glukose/Sauerstoff oder Glukose/Luft zur Energieversorgung von implantierten medizinischen Systemen im menschlichen Körper, oder zu in dieser Größe exotisch wirkenden Energieerzeugern wie Windkrafträder im (Sub-)Millimeterbereich. Alle vorstehend genannten Nanogeneratoren funktionieren derzeit im Labormaßstab. In sehr frühem Forschungsstadium dagegen befinden sich Hybridkonzepte, die gleichzeitig mehrere Energieformen ernten können und so die Effizienz des Bauteils erhöhen. Das Ziel ist jeweils, den Energieertrag bei kleinster Bauweise zu optimieren.

Piezoelektrische Nanogeneratoren gewinnen aus mechanischer Verformung elektrische Energie. Die beiden wichtigsten Werkstoffe dafür sind Zinkoxid (ZnO) und Bleizirkontitanat (PZT), aber es wird z.B. auch mit Cadmiumsulfid (CdS) und Galliumnitrid (GaN) experimentiert. Aus ihnen werden auf unterschiedlichen Wegen Nanofäden hergestellt. Besonders interessant sind dabei hydrothermale Methoden, die aufgrund der sehr moderaten Prozesstemperaturen sehr wenig Energie verbrauchen und gleichzeitig eine gute Kontrolle des Fadenwachstums ermöglichen. Die Nanofäden werden schon durch kleinste Anregungen in Bewegungen gesetzt und erzeugen über Gitterverzerrungen Ladungsverschiebungen, die an der Oberfläche der Fäden als Spannung abgreifbar sind. Sie können über einen Frequenzbereich von wenigen Hz bis in den MHz-Bereich hinein schwingen und so mechanische Energie unterschiedlicher Quellen, z.B. Wind, Körperbewegungen oder Vibrationen verwerten. Es gibt unterschiedliche Arten, sie in Nanogeneratoren zu integrieren. Besonders vielversprechend scheinen vertikale Anordnungen dicht beieinander stehender Nanofäden (engl.: Nanowire, ähnlich einem Hochflorteppich) zu sein. Diese können derzeit pro Quadratzentimeter „Florfläche“ Spannungen von ca. 50 V und Stromstärken im zweistelligen Mikroampere-Bereich erzeugen.

Pyroelektrische Nanogeneratoren wandeln thermische Energie in elektrische um, die Ausbeute ist derzeit jedoch noch sehr gering. Genutzt wird die Eigenschaft mancher Ionenkristalle, beim Erwärmen oder Abkühlen Ladungstrennung zu zeigen. Dabei laden sich einander gegenüberliegende Oberflächen entgegengesetzt elektrisch auf. Wird ein Verbraucher angeschlossen, kann so Strom von einer zur anderen Oberfläche fließen und für Ladungsausgleich sorgen. Auf diese Weise kann die Rest- bzw. Abfallwärme anderer Prozesse weiterverwertet werden. Allerdings ist für jeden Ladezyklus eine Veränderung der Umgebungstemperatur zum vorherigen Voraussetzung für eine erneute Ladungstrennung. Es ist auch möglich, den so genannten sekundären pyroelektrischen Effekt zu nutzen. Dieser ist eigentlich der oben beschriebene piezoelektrische Effekt, nur dass in diesem Fall die Verformung rein aus der thermischen Expansion bzw. Kontraktion des Materials resultiert. Wichtige Werkstoffe sind Bariumtitanat (BTO), PZT und ZnO.

Triboelektrische Nanogeneratoren gewinnen aus Reibungseffekten elektrische Energie. Dazu werden derzeit zwei unterschiedliche Bewegungsgeometrien der Reibpartner untersucht: Einerseits die klassische laterale Relativbewegung, bei der die Flächen in entgegengesetzten Richtungen übereinander gleiten, und andererseits der auf kleinstem Bauraum einfacher realisierbare vertikale Kontakt-Separations-Modus. Dort sind zwei oder mehrere Werkstofffolien in geringem Abstand parallel zueinander angeordnet. Sie werden im unbelasteten Zustand durch einen sehr dünnen rahmenförmigen Abstandhalter getrennt gehalten. Bei leichter Belastung kommen sie sofort in flächigen Kontakt, der zu einem Ladungstransfer von einem Werkstoff zum anderen führt. Wird der Kontakt wieder getrennt, baut sich zwischen den Folien innenseitig ein elektrisches Potential auf, das zu Stromfluss führt. Grundsätzlich müssen Werkstoffpaarungen ausgesucht werden, die bei möglichst kleiner relativer Bewegung zueinander möglichst große triboelektrische Effizienz ermöglichen. Diese kann durch angepasste Oberflächenstrukturierung im Mikro- oder Nanobereich zusätzlich verbessert werden. Außerdem müssen die Werkstoffe auch in sehr kleinen Baugrößen noch effektiv und unter den gegebenen Einsatzbedingungen langfristig funktionieren. Als eine für den Kontakt-Separations-Modus gut geeignete Paarung haben sich z.B. die Kunststoffe Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polyimid gezeigt. So können pro Quadratzentimeter Spannungen im hohen zweistelligen Voltbereich und Leistungen im Milliwattbereich erzielt werden.

Ein wesentlicher Treiber der Hybridkonzeptforschung ist die moderne Medizintechnik. Es werden zunehmend neue Anwendungsbereiche für vorübergehend oder dauerhaft im Körper verbleibende funktionelle Implantate wie z.B. Biomonitoringsysteme oder Dosierpumpen für Medikamente erschlossen. Diese Implantate sollten über ihre gesamte Verweildauer im Körper möglichst unabhängig von externer Energiezufuhr ihre Aufgaben erfüllen können. In jüngster Zeit wurden hierfür mehrere experimentelle Hybridsysteme vorgestellt, die parallel biochemisch-biomechanisch bzw. thermisch-biomechanisch Energie ernten können. Allerdings macht innerhalb des menschlichen Körpers derzeit nur die erste Variante Sinn, für die u.a. ein ausschließlich auf Fasern basierendes flexibles Funktionsmuster konzipiert wurde.

Kurzfristig sollen Nanogeneratoren die klassische Energieversorgung von Kleinstelektronik unterstützen und deren Serviceintervalle verlängern. Mittelfristig wird erwartet, dass sie so unterschiedliche Produkte wie intelligente Textilien, portable Mikroelektronik, Einzelsensoren und Sensornetzwerke, transparente und flexible Displays mit integrierter Computer- und Kommunikationstechnik oder wartungsfreie medizinische Implantate ausreichend mit Energie versorgen können. Hierbei wird allerdings auch von einer mit weiterer Miniaturisierung der entsprechenden Produkte einhergehenden Senkung des Energieverbrauchs ausgegangen.

*Fraunhofer Institut für
Naturwissenschaftlich-Technische
Trendanalysen
Appelsgarten 2, 53879 Euskirchen
berichtet in jeder Ausgabe exklusiv
über Werkstofftrends

Speichere in deinen Favoriten diesen permalink.