Stromgenerator nutzt Reibungselektrizität

Wenn Kinder Wolle über einen Luftballon reiben, ihn so elektrisch aufladen und dann ihre Haare zu Berge stehen lassen, dann nutzen sie den sogenannten triboelektrischen Effekt – sie verschieben elektrische Ladungen. Auf demselben Prinzip aufbauend haben Forscher nun einen überraschend effizienten Stromgenerator entwickelt, der sich mit leichtem Wind oder Wasser aus dem Hahn ebenso betreiben lässt wie mit Körperbewegungen. Dabei sei er deutlich flacher und günstiger herzustellen als bisherige Stromerzeuger dieser Art, berichten die Forscher im Fachblatt „Nature Communications".

„Unser Generator beruht auf Reibungselektrizität, einem universell anwendbaren Ladungseffekt“, schreiben Zhong Lin Wang vom Georgia Institute of Technology und Kollegen. Der übliche Elektrogenerator hingegen beruhe vor allem auf elektromagnetischer Induktion und erfordere große Magnete und Kabelspulen. Je kleiner man diese mache, um Platz zu sparen, desto geringer werde die Stromausbeute. Der neue triboelektrische Generator ist hingegen flach – nur so groß wie eine Untertasse – und benötigt daher wenig Material. Der Prototyp lieferte eine Effizienz von 24 Prozent, was im Vergleich zu bisherigen Versuchen einen deutliche Steigerung darstellt.

Das Herzstück des Generators besteht aus vier flachen, übereinander liegenden Scheiben, durch deren Mitte eine gemeinsame Drehachse führt. Die unteren drei bilden den Stator, die feste Unterlage: Auf einer Acrylschicht liegt eine Goldscheibe mit geschickt angeordneten Elektroden unter einer Kunststoffschicht. Darüber liegt drehbar der Rotor des Generators auf, eine Kupferscheibe, die wie die Elektrodenscheibe in 120 radial nach außen laufende schmale Stücke geschnitten ist. Beim Kupferrotor wurde jedes zweite Stück entfernt. Beim Stator hingegen bilden diese Schnitte zwei sechzigfach ineinander greifende Elektroden: Jeder zweite Strahl läuft im Zentrum der Fläche aus, während seine Nachbarn im Außenkreis enden. Wenn sich die Rotorscheibe dreht, überstreichen deren Strahlfinger also immer abwechselnd Elektrode A und B. Dieser im Prinzip zweidimensionale Aufbau ist mit herkömmlichen Schnitt- oder Ätzmethoden einfach herzustellen und im Einsatz robust und wenig störanfällig.

Elektrischer Strom wird nun generiert, indem die Rotorfinger abwechselnd über die Elektrodenfinger von A und B streichen. Durch den direkten Kontakt und die unterschiedliche Elektronenaffinität der Materialien wandern Elektronen, und es entstehen elektrostatische Ladungen, die bei geschlossenem Stromkreis abfließen können. Auf diese Weise erzeugte der Generator einen konstanten Wechselstrom: Bei 3000 Umdrehungen pro Minute und zehn Zentimetern Durchmesser gelangen Spannungsspitzen bis zu 850 Volt und ein Stromfluss von rund drei Milliampere. Bis zu 1,5 Watt elektrischer Leistung lieferte der Prototyp und ließ Felder von Leuchtdioden hell strahlen. Mit einer passenden Adapterschaltung versorgten die Forscher auch eine elektrische Uhr oder ein Mobiltelefon mit Strom.

Das neue System könnte dank seiner kleinen und leichten Bauform künftig tragbare Elektronik mit Strom versorgen, indem es die Bewegung des Körpers in elektrische Energie umwandelt. Zu diesem Zweck versahen Wang und Kollegen ihre Rotorplatte einfach mit zwei Schwungmassen, die jede Schwingung noch verstärken – eine komplette Umdrehung des Rotors ist für den Effekt nicht nötig. Auch Wind- und Wasserkraft könnten schon bei niedriger Intensität ein brauchbares Energieniveau liefern, so die Erwartung des Teams. Wenn sich Struktur und Herstellung des Stromgenerators auf einen großen Maßstab bringen lassen, erscheint sogar eine industrielle Energieerzeugung möglich. Entsprechende Studien stehen allerdings noch aus.