Aus der Luft gegriffen

Sonnenlicht, Wind und Wasser spielen bereits eine bedeutende Rolle als regenerative Energiequellen. Doch auch die Feuchtigkeit der Luft eignet sich, um nachhaltig Strom zu erzeugen. Für diesen Zweck entwickelten Forscher nun Minikraftwerke, die auf speziellen Kunststoffschichten basieren. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ berichten, stellten ihre Prototypen für einige Tage sogar Ströme mit Spannungen von bis zu 1000 Volt bereit.

In ihren Experimenten legten Huhu Cheng von der Tsinghua Universität in Peking und seine Kollegen zwei flexible Kunststoffschichten – jeweils 30 bis 70 Mikrometer dick – übereinander. Die obere Schicht bestand aus dem Polymer Polydiallyldimethylammoniumchlorid, die untere aus Polyvinylalkohol und Polystyrolsulfonsäure. Diese Materialien absorbieren Wassermoleküle aus feuchter Luft. Dabei entstehen frei bewegliche Ladungsträger in den Kunststoffschichten: einerseits negativ geladene Chloridionen, andererseits positiv geladene Protonen. Die dadurch aufgebaute Spannung griffen die Forscher mithilfe von zwei flachen Elektroden aus Kohlenstoff ab, was einen messbaren Stromfluss hervorrief.

In ersten Versuchsreihen erzeugten die Doppelschichten bei einer Luftfeuchte von 25 Prozent eine elektrische Spannung von knapp einem Volt. Erhöhte das Team die Luftfeuchte auf 85 Prozent, stieg der Wert auf bis zu 1,38 Volt an. Auch die Leistungsdichte nahm von 76 Nanowatt pro Quadratzentimeter bei relativ trockener Luft auf bis zu 5,5 Mikrowatt pro Quadratzentimeter bei feuchter Luft zu. Inspiriert durch die japanische Falttechnik Origami stapelten die Wissenschaftler um Wang einzelne Module geschickt übereinander und schalteten diese parallel. Mit 1600 Modulen erreichten sie elektrische Spannungen von bis zu 1000 Volt.

Der Strom aus solchen Minikraftwerken genügte, um sowohl Kondensatoren als auch Lithium-Ionen-Batterien langsam aufzuladen. In ihren Versuchen brachten die Forscher testweise eine handelsübliche 10-Watt-Lampe zum Leuchten. Sie konnten mit dem Strom aber auch Transistoren und Bildschirme mit elektronischer Tinte, wie sie in E-Books genutzt werden, betreiben. Bisher lieferten die Kunststoffschichten bis zu elf Tage lang zuverlässig einen kontinuierlichen Stromfluss. Die Lebensdauer ließe sich aber noch weiter erhöhen, sind sich die Forscher sicher. So lockt mit dieser Technologie eine mobile Stromquelle, die prinzipiell überall funktioniert.