Fluid-Generator mit Piezokeramiken erzeugt genug Strom, um Sensoren völlig autark ohne Batterie und Stromanschluss zu betreiben

Fluidwandler

Stuttgart - Wer künftig seinen Wasserhahn aufdreht, könnte nicht nur seinen Durst stillen, sondern gleichzeitig sein Handy aufladen. Deutsche Wissenschaftler entwickelten dazu einen kleinen Generator, der durch schwingende Piezomembranen Strom erzeugen kann. Dabei muss eine Flüssigkeit oder ein Gas durch die filigranen Kanäle des Stromerzeugers fließen, um die Membranen in Schwingung zu versetzen. Einen ersten Prototypen werden die Entwickler auf der Fachmesse "Electronica" Mitte November in München der Öffentlichkeit präsentieren.

"Unser Ziel ist es, in absehbarer Zeit bisher batteriebetriebene Geräte wie Wasserzähler autark mit Energie zu versorgen, so dass komplett unabhängige Systeme entstehen", sagt Projektleiter Axel Bindel von der Fraunhofer Technologie-Entwicklungsgruppe in Stuttgart. Anwendungen im Eigenheim sind wegen der bisher erreichten geringen Stromausbeute im Milliwatt-Bereich bei bis zu 50 Volt Spannung noch nicht vorgesehen. Doch in der Industrie kann das Modul überall zum Einsatz kommen, wo Flüssigkeiten oder Gase strömen.

Die fluid-elektrische Wandlung erfolgt innerhalb einer festen Geometrie, durch die das Medium in einer bestimmten Bahn geleitet wird. Dabei wird der konstante Fluidstrom in Schwingung versetzt. Es entsteht eine periodische Druckschwankung, die sich auf die Piezokeramiken im Generator übertragen wird. "So wandeln wir die fluidische Energie mittels Piezokeramiken in elektrische Energie um", sagt Bindel das Prinzip zusammen. Der Generator könne laut Bindel mit einfachen Verfahren produziert werden, um Kosten zu sparen.

Auch andere Wissenschaftler arbeiten an Generatoren, um Strom aus bewegten Medien zu erzeugen. So konzipierte Derek Stein von der Brown University in Providence ein Geflecht aus winzigen Nanoröhrchen, durch das mit einem äußeren Druck, beispielsweise beim Gehen in einer Schuhsohle erzeugt, Wasser gepumpt werden könnte. Da in den Nano-Dimensionen Reibungseffekte verringert werden, könnten besonders effizient an den Wänden der Nanokanäle elektrische Ladungen entstehen. Die hydrostatische Energie des Wasserdrucks könnte dabei – rein theoretisch – zu über 50 Prozent in elektrische Spannungen umgewandelt werden. Bei realistischen Drücken von etwa einer Atmosphäre wären Leistungen von bis zu 1,2 Watt pro Quadratmeter möglich. Möglich wäre ein Kraftwerk in der Schuhsohle, mit dem unterwegs Handy oder Laptop aufgeladen werden könnten.

Bereits vor zwei Jahren hatten Forscher von der Technischen Universität in Delft gezeigt, dass diese Stromgewinnung aus fließendem Wasser tatsächlich funktioniert. Allerdings strömte die salzhaltige Flüssigkeit im Experiment noch durch viel dickere, etwa 45 Mikrometer breite Kanäle. Dabei erreichten sie eine Effizienz von gut drei Prozent. Gelingt nun noch kleineren Kanälen die Vervielfachung des Wirkungsgrads, könnte dieses Kraftwerks-Prinzip tatsächlich von dem reinen Laborversuch zu praktischen Anwendungen führen. Mit einem extrem engen Netzwerk aus sehr vielen Nanokanälen wären laut Stein sogar noch effizientere Strömungskraftwerke mit mehreren Kilowatt pro Quadratmeter möglich. "Das wäre ganz grob vergleichbar mit der Leistungsdichte von Wasserkraftwerken in Staudämmen", sagt Stein.