allTEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

 

Das Verborgene sehen wir letztendlich, beim völlig Offensichtlichen dauert es anscheinend etwas länger.

Edward R. Murro

 

Die Zeit wird kommen, wo unsere Nachkommen sich wundern, daß wir so offenbare Dinge nicht gewußt haben.

Seneca

 

Den Ausspruch „alles ist Energie“ hat wohl jeder Mensch schon einmal gehört – sei es in Verbindung mit physikalischen Theorien von atomaren Strukturen bis hin zu Quantenzuständen, oder sei es in Bezug auf kosmische oder esoterische Sichtweisen der Realität(en)...

Von einer Umsetzung dieser Erkenntnis war jahrzehntelang aber nichts zu bemerken. Jedenfalls nicht in der akademischen Welt der Wissenschaft. Und Außenseiter hatten kaum eine Chance angehört zu werden – geschweige denn, daß sich jemand ernstlich mit ihren Vorschlägen befaßt hätte, neuartige Energiewandler zu untersuchen die sich aus bislang nicht definierten Quellen speisen. Und so dauerte es lange Jahre bis endlich anerkannt wurde, daß es tatsächlich noch viele neue Energiereservoirs gibt, von denen bisher niemand etwas geahnt hatte. Und daß sogar immer noch weitere entdeckt werden... wofür zunächst ein paar Beispiele gegeben werden sollen.


Als Initialzündung des Forschungsgebiets, das inzwischen als Micro Energy Harvesting (MEH) bezeichnet wird, gilt die Entwicklung des legendären Joggingschuhs von Joe Paradiso, einem Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) im amerikanischen Cambridge, der Ende der 1990er ein gewöhnliches Laufmodell präsentiert, das bei jedem Schritt einen schwachen elektrischen Puls durch die Sohle jagt. Die ins Gummi eingearbeiteten piezoelektrischen Keramiken geben, wenn man sie verformt, genügend Energie ab um z.B. einen kleinen GPS-Navigationssender zu betreiben. Der Schuh wird zwar nie bis zum Serienprodukt weiterentwickelt, doch andere übernehmen die Idee und realisieren sie auf verschiedenste Weisen. Ich berichte darüber ausführlich in dem entsprechenen Absatz Rucksack und Laufschuh des Kapitels Muskelkraft (s.d.).

In der Industrie und in der Gebäudetechnik spricht man übrigens weniger blumig vom Energy-Harvesting, sondern etwas nüchterner von energieautarken Systemen.


Und natürlich gibt es auch hier Vorläufer - und diverse Umsetzungen von verblüffender Nachhaltigkeit beweisen, daß unsere Vorfahren anscheinend intelligenter waren als die nachfolgenden Generationen, die sich vom ‚billigen Öl’, vom ‚sauberen Atomstrom’ und ähnlichen Märchen haben blenden lassen...

Der Piezo-Effekt wird beispielsweise schon 1880 entdeckt: Bei bestimmten Materialien – zumeist Kristallen – bildet sich eine elektrische Spannung wenn man sie verformt. Inzwischen wird dieser Effekt in zahlreichen Geräten genutzt, z.B. in Tintenstrahldruckern, Quarzuhren oder elektrischen Feuerzeugen.


Es gibt jedoch noch zahlreiche weitere Effekte, die eine Energieausbeute erlauben. Als Beispiel soll die Geschichte der Nutzung des atmosphärischen Luftdrucks zum Betrieb von Uhrwerken dienen.

Cox’s Timepiece Grafik

Cox’s Timepiece
(Grafik)


Als erstem gelingt es dem französischen Uhrmacher Le Plat im Jahre 1751 die Luft als Antrieb zu gebrauchen, wobei er allerdings Zugluft mittels eines großen Schaufelrades ausnutzt – sodaß man auch von einem windbetriebenen Uhrwerk sprechen könnte –, während der englische Automatenbauer und Uhrmacher James Cox zusammen mit dem belgischen Konstrukteur Jean-Joseph Merlin (der u.a. auch einen Rollschuh erfand, s.d.) in den 1760er Jahren die Luftdruckschwankungen als Antrieb für eine Bodenstanduhr nutzt, die unter dem Namen Cox’s Timepiece (o. Cox’s perpetual motion) bekannt wird. Sie soll zur Erfassung der Luftdruckveränderungen 68 kg Quecksilber enthalten haben.

Die erste rein durch den Luftdruck betriebene Uhr gelingt rund einhundert Jahre später dem österreichischen Ingenier Friedrich Ritter von Lössl. Im Jahr 1880 wird die erste von Lössl angefertigte autodynamische Uhr im Wiener Cottagegarten aufgestellt. Die Werke und Aufzugsvorrichtungen seiner Uhren sind bald so ausgefeilt, daß er ihre Betriebssicherheit über Jahrzehnte garantiert.

Die sich selbst durch die Luftdruckschwankungen aufziehende Lössl-Uhr auf dem Foto steht bis 1894 in Wien, muß dann aber dem Stadtbahn-Bau am Währingergürtel weichen. Lössl schenkt sie daraufhin 1897 der Gemeinde Aussee (heute Bad Aussee), wo sie noch immer steht – inzwischen aus unerfindlichen Gründen allerdings elektrisch betrieben, so als ob es heutzutage keine Luftdruckschwankungen mehr gäbe...

Der Schweizer Ingenieur Jean-Léon Reutter entwickelt 1928 die ersten Prototypen einer Tischuhr, die ihre Energie aus kleinsten atmosphärischen Veränderungen schöpft, und erhält bereits ein Jahr später das französische Patent darfür. Im Gegensatz zu den rein mit Umgebungsluft funktionierenden Lössl-Uhr verwendet Reutter als Arbeitsmittel für seine Uhr ein Flüssigkeitsgemisch, das ebenso auf Temperatur- wie auch auf Luftdruckschwankungen reagiert. Weitere Konstrukteure, die an dem Konzept weiterrabeiten sind C. Paganini und T. Dieden.

Seit Antoine LeCoultre seinen ersten Uhrenladen in Le Sentier im Jahr 1833 eröffnet und bis heute profiliert sich die Genfer Uhrenmanufaktur Jaeger Le Coultre mit der genialen Erfindung Reutters, schon minimale Temperaturunterschiede dienstbar zu machen - beispielsweise mit der Tischuhr Atmos. Diese Technik kann als eine der ersten neueren praktischen Umsetzungen auf dem Feld des Energy-Harvesting betrachtet werden.

Die anfänglichen Entwürfe arbeiten noch mit der Ausdehnung einer Quecksilbersäule, später wird ein Gasgemisch eingestzt. In den 1930er Jahren übernimmt Jaeger LeCoultre den Entwurf von Reutter, patentiert die Uhr und baut sie seitdem in Serie. Heute verwendet man bei Jaeger LeCoultre Äthylchlorid, das bereits bei 12°C verdampft. Das Geheimnis liegt in den Stoffwerten des Arbeitsmittels, das Ärzten auch als Anästhetikum bekannt ist.

Die Technologie ist an sich recht einfach: In einer Druckdose befindet sich ein Gasgemisch, das sich bei steigender Temperatur ausdehnt und bei sinkenden Temperaturen zusammenzieht. Diese Bewegung wird ausgenutzt, um die Antriebsfeder der Uhr aufzuziehen. Da es diese Schwankung schon zwischen Tag und Nacht gibt, kommt die Uhr ohne jede Batterie und ohne jedes Aufziehen aus. Ihr genügt ein Temperaturunterschied von nur einem Grad, um 48 Stunden lang zu laufen.

Standuhr Atmos Classique

Atmos Classique

Das wirklich geniale an der Atmos-Uhr ist jedoch, daß man sie kaufen kann, daß sie funktioniert und daß sie außerdem noch zwei gemeinhin als gültig erscheinende Annahmen widerlegt, erstens, daß die Umwandelbarkeit der Wärme in Arbeit unabhängig von Stoffeigenschaften sein soll, und zweitens, daß eine Maschine, die aus der Wärme der Umgebung Arbeit gewinnt – also ein Perpetuum mobile zweiter Art – unmöglich sei.

Thermodynamisch gesehen ist zwar nur ein Perpetuum mobile erster Art unmöglich, aber die tatsächliche, bereits langjährige Existenz eines Perpetuum mobile zweiter Art erstaunt zumindest. In dem Moment jedoch, in welchem das Reservoir der genutzten Energie bekannt ist, kann man auch getrost auf derart irreführende Bezeichnungen verzichten – denn die Energiequelle der Atmos-Uhren liegt ja im wahrsten Sinne des Wortes in der Luft.

Da diese Uhr in der Schweiz einen großen symbolischen Wert besitzt und als Aushängeschild für die andauernde Funktion und exakte Präzision eines schweizer Uhrwerks dient, wird sie von der Schweizer Regierung noch heute an Staatsgäste und Prominente verschenkt. Dabei wird es sich möglicherweise um eines der 76 Stück der Modelle Atmos 566 handeln, die von dem Designer Marc Newson aus durchsichtigem und blauem Baccarat-Kristall entworfen wurden und neben der Zeit auch die aktuelle Sternkarte anzeigt – und zwischen 2.600 $ und 70.600 $ kostet.


Als einen weiteren Vorreiter des Energy-Harvesting der Elektroingenieur und Erfinder Nikola Tesla betrachtet werden, der sich neben der drahtlosen Übertragung von Elektroenergie durch Induktion auch mit Vorrichtungen zur Nutzung und Verwendung von Strahlungsenergie beschäftigt und 1901 zwei entsprechende Patente dafür erhält (US-Nr. 685.957 und 685.958). Darin zählt er im Einzelnen UV-Licht, Kathoden- und Röntgenstrahlen auf.

Zudem berechnet Tesla die Resonanzfrequenz der Erde, wobei er davon ausgeht, daß die elektromagnetischen Wellen mit dieser Frequenz (6 – 8 Hz) von dem Planeten durch Blitze erzeugt werden. ,Offiziell’ entdeckt wird das Phänomen der Erdresonanzfrequenz allerdings erst im Jahr 1952 von den Physikern Winfried Otto Schumann und Herbert L. König, die es in den Folgejahren an der TU München experimentell weiter untersuchen. Als sie es 1960 auch nachweisen können, verbreitet sich bald der neue Name Schumann-Resonanz dafür.

Die Grundwelle der Schumann-Resonanz liegt bei 7,8 Hz, dazu kommen noch verschiedene Oberwellen zwischen 14 und 45 Hz. Die elektromagnetischen Wellen dieser Frequenzen bilden stehende Wellen entlang des Umfangs der Erde, die durch Blitze und andere Vorgänge in der Atmosphäre und der Ionosphäre ,angeheizt’ werden. Über einige Ansätze und Methoden, diese Energien zur Stromerzeugung zu nutzen, werde ich weiter unten noch ausführlich berichten.


Inzwischen gibt es bereits eine ganze Reihe von Produkten aus der Sparte des Energy-Harvesting. Hierzu ein Beispiel:

Im Jahr 2001 wird als Spin-off der Siemens AG die EnOcean GmbH gegründet, mit Sitz in Oberhaching bei München, die eine wartungsfreie und flexible ‚batterielose Funksensorik’ entwickelt und vermarktet. Die Grundidee beruht auf einer einfachen Beobachtung: Wenn Sensoren Meßwerte erfassen, ändert sich dabei auch immer der Energiezustand. Wird ein Schalter gedrückt, ändert sich die Temperatur oder variiert die Beleuchtungsstärke, dann wird dadurch stets genug Energie erzeugt, um Funksignale über eine Entfernung von bis zu 300 m zu senden.

Diese Technologien werden inzwischen auch unter dem Stichwort Low-power design vermarktet. Ich werde später noch weitere Beispiele und Umsetzungen präsentieren.


Über das immense Energiereservoir der Umgebungswärme, welche oftmals als Anergie bezeichnet wird – im Sinne von Abfallenergie bzw. (bislang!) nicht nutzbarer Energie –, habe ich schon in den Teilen A und B berichtet. Im Kapitel Wärmeenergie dieses Teiles C werden außerdem diverse Methoden vorgestellt, wie man mit geringen Temperaturunterschieden trotzdem wirkungsvoll Nutzenergie bzw. Exergie bereitstellen kann. In Bezug auf das Energy-Harvesting werde ich den aktuellen Stand der Technik ebenfalls weiter unten vorstellen.


Seitdem es den übergeordneten Fachbegriff des Energy Harvesting gibt, geht alles sehr viel schneller voran. Erstmals wird ernsthaft davon ausgegangen, daß es tatsächlich eine Überfülle unterschiedlichster nutzbarer Energieformen um uns herum gibt.

Mit Förderung der DFG und Industriepartnern nimmt im Oktober 2006 an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg das neue Graduiertenkolleg Micro Energy Harvesting seine Tätigkeit auf, als deutschlandweit erstes großes Forschungsvorhaben zum Thema Energy Harvesting. Sein Ziel ist die systematische Erforschung, Entwicklung und Anwendung von Methoden zur Energiewandlung, Energiespeicherung und -verteilung für autonome Mikrosysteme.

Neun Professoren und vier Nachwuchswissenschaftler aus dem Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) und dem Freiburger Materialforschungszentrum (FMF) werden gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (FhG-ISE) als assoziierter Partner zukünftig Forschungsarbeit leisten, wobei 16 DFG-finanzierte Stipendien sowie ein wissenschaftlicher Koordinator zur Verfügung stehen. Der Etat beträgt 2,4 Mio. € über 4,5 Jahre Laufzeit. Weitere 5 Industriestipendien stammen vom Forum für Angewandte Mikrosystemtechnik (FAM) sowie von überregionalen Industrieunternehmen.

Für die Wissenschaftler stellt das ‚Ernten’ von thermischer, mechanischer, optischer oder chemischer Energie aus der Umgebung eines Mikrosystems ein neues, hochinnovatives und aussichtsreiches Konzept dar, um verteilte Systeme ohne Stromkabel oder Batterien mit Energie zu versorgen. Diese dezentralisierten Mikrosysteme verbreiten sich im Moment in rasch wachsender Zahl in unterschiedlichen Bereichen. Im Kraftfahrzeug z.B. erfaßt eine große Zahl von Sensoren den Reifendruck, die Öltemperatur und wichtige Motorkennzahlen, während in der Medizintechnik portable und implantierte Meßsysteme für Blutdruck, Puls oder Blutzuckergehalt im Einsatz sind. Verteilte Sensor- und Aktorsysteme der Gebäudetechnik bestimmen Temperatur, Feuchte, CO2-Gehalt und Beleuchtungsstärke und steuern Licht-, Heizungs- und Klimatechnik. In der Produktionstechnik kontrollieren Netzwerke von Sensoren und Aktoren den Ablauf  der Fertigungsverfahren.

Der Einsatz von Mikrosystemen erfordert jedenfalls hoch zuverlässige, technisch einfache und langlebige Energieversorgungsmethoden, die außerdem eine vollständige Wartungsfreiheit aufweisen müssen. Wie sinnvoll die Entwicklungen dieses Sektors sind, der u.a. versucht, den Einsatz von Batterien zu reduzieren, geht aus einer Schätzung hervor, die während der Konferenz IDTechEx Energy Harvesting Europe in München im Mai 2010 bekannt wird, und der zufolge in Europa in den nächsten 50 Jahren 253 Milliarden nicht recycelbare Batterien auf Deponien landen werden, falls es nicht gelingt, bessere Alternativen zu finden.


Wie wichtig die Sparte schon nach wenigen Jahren geworden ist zeigt wiederumder Preis einer entsprechenden Studie vom Februar 2009. Für die detaillierte Informationen über ‚Energy Harvesting, Micro Batteries and Power Management ICs: Competitive Environment’ verlangt die irische Firma Research and Markets den stolzen Preis von 1.593 €. Genau zeitgleich geht auch das Energy Harvesting Journal online. Ein im Oktober 2010 aktualisierter 357-Seiten-Bericht ,Energy Harvesting and Storage for Electronic Devices 2010-2020’ kostet als elektronische Ausgabe 3.750 $, der Papierausdruck schlägt mit zusätzlichen 250 $ zu Buche. Die Ausgabe von 2012 wird bereits mit 3.995 $ berechnet.


Im Folgenden präsentiere ich den aktuellen Stand der Forschungen auf diesem zukunftsträchtigen Sektor samt vielen verschiedenen Umsetzungsformen - ganz ohne Kosten. Im Zuge der Updates habe ich mich für eine alphabetische Reihenfolge entschieden, auch wenn dies in einigen Fällen zu Überlappungen zwischen führt. Das Umwandeln der Bewegungen des menschlichen Körpers in Nutzenergie behandle ich ausführlich unter Muskelkraft, da es nicht dem Micro Energy Harvesting zugeordnet wird. Eine Ausnahme bilden Systeme, die auf mikromuskulären Bewegungen wie die des Augenlieds, der Finger (beim Tippen beispielsweise) oder des Herzschlags basieren, und die hier im Bereich der biologischen Wandler aufgeführt werden.

In vielen Fällen haben die Technologien eine lange Geschichte und diverse Vorläufer, deren Erwähnung dabei helfen soll, die Nutzung der unterschiedlichen Energiereservoirs in einen sinnvollen Kontext zu bringen.

Im Einzelnen geht es in diesem Kapitel um die folgenden Themen und Umsetzungsbereiche:

 

Atmosphärische Elektrizität
Biologische Systeme

Bakterielle Systeme
Flüssigkeiten
Insekten und Weichtiere
Muskuläre Systeme
Pflanzen
Tiere
Weitere Technologien

Blitze
Elektromagnetische Induktion
Elektrostatik
Funkwellen
Licht und Infrarot
Luftfeuchtigkeit
Magnetfeld
Ph-Wert
Piezoelektrizität
Piezoelektrische Zinkoxid-Nanodrähte
Regentropfen
Schall
Stoßdämpfer
Straßengeneratoren
Strömungen
Triboelektrizität
Verdunstungsgenerator
Vibration
Wärme
Weitere Technologien


Atmosphärische Elektrizität


Bereits im 19. und frühen 20. Jahrhundert untersuchen diverse Forscher die Möglichkeit, aus dem die Erde umgebenden elektrischen Feld nutzbare Elektrizität zu extrahieren. Das elektrostatische Feld der Erde (o. elektrisches Erdfeld) resultiert daraus, daß die Erdoberfläche eine elektrische Überschußladung aufweist, die durch ionisierende Strahlung aus dem Weltraum entsteht (Sonnenwind).

Der globale atmosphärische elektrische Kreislauf wiederum ist die kontinuierliche Bewegung des elektrischen Stroms zwischen der Ionosphäre und der Erdoberfläche. Dieser Fluß wird durch Gewitter angetrieben, die vor allem mit Hilfe von Blitzen eine elektrische Potentialdifferenz zwischen der Erdoberfläche und der Ionosphäre erzeugen.

Franklin-Motor Nachbau

Franklin-Motor
(Nachbau)

Die ersten Untersuchungen der Atmosphärische Elektrizität lassen sich bis in die 1740er Jahre zurückverfolgen, als Benjamin Franklin und der mit ihm befreundete Thomas-François Dalibard ihre berühmten Gewitter-Experimente beginnen.

Und auch der erste Elektromotor der Welt ist ein elektrostatischer, der im Jahr 1748 von Franklin erfunden wird - und der damit ein Glockenspiel betrieben haben soll. Der Erfinder behauptet sogar, einen Röstspieß mit einem Truthahn gedreht zu haben, wofür es aber keine Belege gibt (das weltweit erste Patent für einen elektromagnetischen, mit Batterien betrieben Motor reicht der Schmied Thomas Davenport im Jahr 1834 ein, es wird nach anfänglicher Ablehnung 1837 erteilt).

Die einfachste Version des elektrostatischen Motors von Franklin besteht aus einer horizontal liegenden Holzscheibe, aus der ringsumher schmale Glasstreifen mit Messing-Fingerhüten an den Enden ragen. Die Scheibe ist zwischen zwei Leidener Flaschen mit entgegengesetzter Polarität plaziert.

Franklin ist mit seinem Motor aber nicht ganz glücklich, da es erforderlich ist, die Flaschen durch eine zusätzliche Kraft zu reiben. Er baut daraufhin eine zweite Version der Maschine ohne Leidener Flaschen, deren Rotor einer 17-Zoll-Scheibe aus Glas besteht, die sich horizontal auf reibungsarmen Lagern dreht. Beide Oberflächen der Scheibe sind mit einem Goldfilm überzogen, mit Ausnahme einer Grenze um den Rand. Der Rotor ist damit aufgebaut wie ein moderner Flachplattenkondensator. Mit einer einzigen Ladung läuft diese Maschine 30 Minuten lang mit bis zu 50 U/m.

Der französische Arzt, Botaniker und Enzyklopädist Louis Guillaume Le Monnier (o.  Lemonnier) beobachtet 1752 eine atmosphärische Elektrifizierung auch bei schönem Wetter. Mit seinen elektrophysikalischen Versuchen, bei denen er durch eine Leidener Flasche erzeugten elektrischen Strom durch ein Kabel von etwa 1.850 m Länge transportieren läßt, beweist er als erster, daß Strom durch einen Leiter bewegt werden kann.

Lemonniers Experimente mit der atmosphärischen Elektrizität werden von dem italienischen Naturphilosophen Giovanni Battista Beccaria wiederholt und erweitert – der auch für die Verbreitung von Blitzableitern in Italien sorgt, die sich deshalb dort früher als im übrigen Europa durchsetzen. Beccaria sammelt eine große Anzahl von Beobachtungen, bei denen er einen einfachen Kugel-Elektrometer mit Eisendrähten, Drachen und sogar Raketen verbindet.

Der Schweizer Naturforscher Horace Bénédict de Saussure, der 1762 im Alter von nur 22 Jahren als Professor der Philosophie an die Akademie Genf berufen wird, erfindet verschiedene Arten von Instrumenten zur Erkundung der atmosphärischen Elektrizität – ebenso wie der englische Physiker John Canton, der unter anderem ein Elektroskop konstruiert und die in Leidener Flaschen gesammelte elektrische Ladung bestimmt.

Auf Grundlage der von Canton entwickelten Instrumente macht ab 1775 der italienische Physiker Tiberius Cavallo umfangreiche Beobachtungen im Bereich der amosphärischen Elektrizität und experimentiert auch mit Franklins Drachen.

Etwa um 1787 entdecken unabhängig voneinander der italienische Wissenschaftler Alessandro Volta und der britische Forscher Abraham Bennett erfolgreiche Verfahren zum Nachweis und zur Messung der atmosphärischen Elektrizität. Im selben Jahr ermittelt Charles Augustin Coulomb als erster die Verteilung der Elektrizität in der Luft.

Vion-Patent Grafik

Vion-Patent (Grafik)

Um die elektrischen Spannungen in der Atmosphäre zu untersuchen, entwirft der italienische Meteorologe, Seismologe und Vulkanologe Luigi Palmieri im Jahr 1845 verbesserte Meßgeräte. 1884 erscheint die deutsche Übersetzung seines Buches ,Die atmosphärische Elektricität’.

Die Verteilung der Elektrizität in der Luft wird im Jahre 1850 von dem italienischen Physiker und Neurophysiologen Carlo Matteucci untersucht, der hierfür eine verbesserte Coulomb-Drehwaage verwendet. Zudem ist er der Erste, dem es gelingt, den elektrischen Strom eines Muskels direkt zu messen.

Aus den 1850er und 1860er Jahren datieren Vorschläge des Ingenieurs Charles Hippolyte Vion aus Paris, das elektrisches Erdfeld technisch zu nutzen. Für ein Verfahren zur Nutzung der atmosphärischen Elektrizität erhält er 1860 das US-Patent Nr. 28.793.

Einen weiteren Versuch zur praktischen Nutzung der atmosphärischen Elektrizität führt ab 1864 der amerikanische Zahnarzt und Erfinder Mahlon Loomis aus Washington, Columbia, durch. Loomis, der davon träumt, diese Energiequelle in den Dienst der Menschheit zu stellen, schlägt verschiedene Geräte für das Sammeln vor – zudem gelingt es ihm in einer Reihe von Experimenten, erfolgreich eine primitive Form der drahtlosen Telegraphie zu realisieren.

Das Grundprinzip seines Systems ist einfach. In Virginia läßt er 1866 von zwei Berggipfel aus, die ca. 22,5 km von einander entfernt sind, mit Kupfer-Gaze bedeckte Drachen steigen, die von jeweils 180 m langen dünnen Leinen aus Kupferdraht gehalten werden. Dabei läuft jeder Draht durch einen Galvanometer. Sobald einer der Drähte geerdet bzw. wieder aus dem Bodenentfernt wird, gibt es eine Störung des atmosphärischen elektrischen Feldes, die durch den Galvanometer des anderen Drachens registriert wird.

Jedes Mal, wenn die Aktion wiederholt wird, schlägt die Nadel der Galvanometers aus. Nachdem Loomis 1872 ein Patent für seine Erfindung erhält (US-Nr. 129.971), versucht mehrere Jahre lang, sein System zu verbessern und Unterstützung dafür zu finden, doch letztlich stirbt sein ,Antennen-Telegraph’ mit ihm im Jahr 1886.


Ironie des Schicksals: Genau 1886 gelingt dem deutschen Physiker Heinrich Rudolf Hertz erstmals die Übertragung elektromagnetischer Wellen von einem Sender zu einem Empfänger. Im Jahr 1897 soll Hertz zudem vorgeschlagen haben, ein 300 m langes Metallnetz mit etwa 3,6 Millionen Sammler-Nadeln zu installieren, das von Drachen in die Luft gehoben wird. Mittels eines speziellen Kollektors soll die atmosphärische Elektrizität eine Batterie aus 20.000 Akkus aufladen.

Bislang konnte ich diese Angaben aber noch nicht verifizieren, ebensowenig wie die Information, daß Hertz (in der angelsächsischen Literatur manchmal nur als Heinrich Rudolph geschrieben), 1898 als optimierten Sammler ein elliptisches Luftfahrzeug mit facettierten Oberflächen entwirft, das zudem den Coanda-Effekt verwendet um die Wirkung des Windes zu minimieren.

Im Jahr 1870 baut der deutsche Physiker Johann Christoff Poggendorff einen sehr einfachen Motor, der aus kaum mehr als einer Kunststoffscheibe (Poggendorff nutzte damals Glas) und zwei Elektroden besteht. Obwohl er einen Wirkungsgrad von mehr als 50 % messen kann, wird die Meinung des Erfinders, daß sich mit dem Prinzip niemals effektive Antriebe werden bauen lassen, von vielen Wissenschaftlern seiner Zeit geteilt. Der Reiz dieser Motoren - dem sich trotzdem niemand entziehen kann - liegt in der Tatsache, daß sie, auch ohne viel Leistung zu erreichen, im Prinzip für immer laufen können.


Mit der Elektrizität in der Atmosphäre befaßt sich auch der österreichische Physiker Franz-Serafin Exner, der 1887 einen einfachen und kompakten Aluminium-Blatt-Elektrometer erfindet, welcher später von den Physikern Julius Elster und Hans Geitel weiterentwickelt wird, die damit das Vorhandensein von Ionen in der Atmosphäre nachweisen können.

Exner weckt auch das Interesse seines Schülers Victor Franz Hess für das Thema der Luftelektrizität. Der spätere Nobelpreisträger entdeckt im Jahr 1912 bei einem seiner Ballonaufstiege die Kosmische Strahlung, die er damals Höhenstrahlung nennt. Im frühen 20. Jahrhundert liefern Ballonaufstiege erstmals Informationen über das elektrische Feld in der oberen Atmosphäre.


Mark W. Dewey
aus Syracuse, New York, erhält 1889 das Patent für ein turmartiges Gerät, das die atmosphärischen Elektrizität nutzen soll (US-Nr. 414.943).

Palencsár-Patent Grafik

Palencsár-Patent (Grafik)


Im Jahr 1901 läßt sich der Ingenieur Andor Palencsár aus Budapest, Ungarn, unter dem Titel ,Apparatus for collecting atmospheric electricity’ ein kompliziertes System patentierten, das aus einem doppelwandigen, beheizten Ballon besteht, der von einem beweglichen Netz aus spitzen Kollektoren bedeckt ist (US-Nr. 674.427, beantragt 1900).

Bei diesem Projekt soll die Elektrizität einer rheostatischen Maschine zugeführt werden, einer mechanischen Vorrichtung zur Entwicklung eines Funkenstroms nach Art einer Flaschenbatterie, die auf den französischen Physiker Raymond Louis Gaston Planté zurückgeht. Dieser hatte die Maschine erfunden, als er die Unterschiede zwischen statischer Elektrizität und dynamischem Strom (d.h. aus Batterien) untersuchte.

Weitere Patente dieser Zeit stammen von J. Gallegos aus San José in Guatemala (Static electric Machine, US-Nr. 633.829, erteilt 1899); Elihu Thomson aus Swampscott, Massachusetts (Electrostatic motor, US-Nr. 735.621, angemeldet 1901, erteilt 1903); Harold B. Smith aus Worcester, Massachusetts (Apparatus for transforming electrical energy into mechanical energy, US-Nr. 993.561, angemeldet 1908, erteilt 1911); und Walter G. Cady aus Hiddletown, Cnnecticut (US-Nr. 1.693.806, angemeldet 1925, erteilt 1928).


Wichtige Arbeit bei der Beschaffung ozeanischer magnetischer Daten leistet das Forschungsschiff Carnegie, das auf den Weltmeeren, wo die Luft relativ sauber ist, im Auftrag der Abteilung für Terrestrischen Magnetismus der Stiftung Carnegie Institution for Science standardisierte Messungen durchführt. Frühere Messungen in der Nähe von Städten waren stark von der Rauchbelastung beeinflußt worden.

Die extra fast vollständig aus Holz und anderen nichtmagnetischen Materialien gebaute Yacht erlaubt empfindliche magnetische Messungen. Zwischen ihrem Start im Jahr 1909 und ihrer Zerstörung durch ein Explosion an Bord im Jahr 1929, als sie im Hafen von Apia auf Samoa aufgetankt wird, legt die Carnegie knapp 500.000 km zurück.

Ebenfalls aus dem Jahr 1909 stammt ein Patent namens ,Apparatus for collecting atmospheric electricity’ von Walter I. Pennock aus Philadelphia (US-Nr. 911.260).


Der Wissenschaftler Heinrich Nikolaus Johannsen aus Lübeck veröffentlicht 1911 ,Die Ausnutzung der Luftelektrizität’, in welchem er über seine entsprechenden Versuche auf dem Jakobsberg in Westfalen berichtet. In der Literatur wird ein 1912 erteiltes Patent (DE-Nr. 248580) erwähnt, bei dem es um das Auffangen von Luftelektrizität mit Leitern und hochgespannter Stromquelle geht – das sich bislang aber nicht auffinden ließ.

Bestätigt sind hingegen die Patente ,Improved Method of Obtaining Electricity from the Air’ (GB191207263) von 1912, sowie ,Einrichtung zum Auffangen von Luftelektrizität mittels längerer vertikaler oder schräger Leiter’ aus dem Jahr 1913 (AT61456 bzw. DEX61456). 1929 meldet Johannsen auch noch ein ,Verfahren zur Erzeugung von heiterem, warmem und ruhigem Wetter’ zum Patent an (DE-Nr. 591295, erteilt 1934). Ich denke, eine vertiefende Recherche würde sich hier lohnen und nehme gerne entsprechende Hilfestellungen an.


Der schottische Physiker und Nobelpreisträger Charles Thomson Rees Wilson gilt als der erste, der 1920 eine Theorie des globalen elektrischen Kreislaufs präsentiert.


Ebenfalls führend in diesem Bereich ist der heute weitgehend vergessene estnische Ingenieur und Erfinder Hermann Plauson, der während der Weimarer Republik der 1920er Jahre  Direktor der H. Otto Traun’schen Forschungslaboratorium GmbH in Hamburg ist. Bereits 1920 veröffentlicht Plauson ein Buch mit dem Titel ‚Gewinnung und Verwertung der atmosphärischen Elektrizität – Beitrag zur Kenntnis ihrer Sammlung, Umwandlung und Verwendung’, in welchem er Nikola Teslas Idee aufbaut, Maschinen mit dem ,Räderwerk der Natur’ zu verbinden.

Plauson-Patent Grafik

Plauson-Patent (Grafik)

In seinem US-Patent Nr. 1.540.998 (angemeldet 1921, erteilt 1925) beschreibt Plauson die Methoden zur Umwandlung statischer Elektrizität in kontinuierliche Stromimpulse. Seine geniale und originelle Idee ist, die statische Elektrizität in oszillierenden Ströme mit hoher Frequenz zu konvertieren.

Tatsächlich baut er einen elektrostatischen Generator (Plauson-Konverter), mit dem ihm die Erzeugung von erheblichen Mengen an elektrischer Leistung gelingt, die in ihrer Größenordnung mit der modernen Photovoltaik vergleichbar sind.

Sein System beinhaltet hauptsächlich mit Nadeln und Radium umhüllte, elektrisch leitende Ballons oder Aerostaten, die mit einem komplexen Verarbeitungssystem am Boden verbunden   sind. Hier wird zunächst mittels Funkenstrecke, Kondensatoren und Induktivität (Trafo) eine hochfrequente Wechselspannung erzeugt, um an der Sekundärwicklung des Trafos eine für die weitere Nutzung besser geeignete niedrigere Spannung zur Verfügung zu haben.

Ein begeisterter Anhänger der Idee ist der berühmte US-amerikanische Verleger und Science-Fiction-Autor Hugo Gernsback, der in seinem 1913 gegründeten Magazin The Electrical Experimenter (ab 1920: Science and Invention) im Februar 1922 ausführlich über Plausons Erfindung berichtet. Hier ist zu erfahren, daß die besten Ballons, die von dem Erfinder verwendet werden, aus dünner Aluminiumfolie gemacht sind.

Bei seinen in Finnland durchgeführten Experimenten gelingt es Plauson, mit einem einzelnen Ballon in einer Höhe von etwa 275 m einen konstanten Strom von 400 V und 1,8 A zu erzielen, was einer Leistung von 0,72 kW entspricht. Bei Verwendung von zwei Ballons in Verbindung mit einer speziellen Kondensator-Batterie beträgt die erhaltene Leistung sogar 3,4 kW (500 Volt/6,8 A). Außerdem erfindet Plauson eine Art elektrostatischen Drehtransformator, die ohne die Verwendung von Kondensatoren und Transformatoren Wechselstrom liefert und den Strom von den Sammler-Ballons regelrecht ,absaugen’ soll.

Zudem stellt er fest, daß durch die Punktierung der äußeren Oberfläche des Ballons mit Zink-Amalgam mehr Strom gesammelt werden kann – was sich mit Polonium-Amalgam noch weiter steigern läßt, wobei Plauson davon ausgeht, daß die Funktion dieser Amalgame rein photoelektrisch ist. Einhundert Stück solcher Fesselballons, jeweils etwa 100 m voneinander getrennt, sollen im Minimum einen Output von 200 PS erzielen.

Einem Folgeartikel im März ist zu entnehmen, daß Gernsback selbst die Idee weiterführt und die Errichtung von 300 m hohen Türmen vorschlägt (was knapp dem Eiffelturm entspricht), an deren Spitzen sich Sammelantennen aus einer Anzahl von Kupferrohren befinden. Damit der Turm gut von der Erde isoliert und vor Feuchtigkeit geschützt ist, wird ein komplexes, mehrschichtiges Fundament entworfen. Umgesetzt wird davon aber nichts.

T.T.Brown-Patent Grafik

T.T.Brown-Patent
(Grafik)

Interessanterweise läßt sich Plauson auch eine ,Windkraftmaschine, bestehend aus einem Pendelmast’ patentieren (DE-Nr. 495303, angemeldet 1925, erteilt 1930), über die ich bislang aber noch nichts herausfinden konnte.


Ein kurzer Artikel, der an 3. April 1923 in der New York Times auf der ersten Seite über eine erschreckende neue Waffe berichtet, die vor kurzem von einem sowjetischen Wissenschaftler namens Prof. Figu Posakoff erfunden worden sei und in der Lage ist, „die latente Energie der Atmosphäre nutzbar zu machen“, die sich in Gewittern und anderen atmosphärischen Katastrophen äußert, und dabei Gegenstände jeglichen Gewichts über nahezu unbegrenzte Entfernungen zu schleudern... entpuppt sich allerdings als ein Aprilscherz, der zwei Tage zuvor von der Deutschen Allgemeinen Zeitung lanciert worden war.

Trotzdem drucken die LA Times und viele andere amerikanische Blätter die Geschichte als Tatsache nach, teilweise noch bis zu einen Monat später und verbunden mit den beruhigenden Worten an die besorgte Öffentlichkeit, daß die Sowjets angeblich versprochen hätten, diese Entdeckung nur für friedliche Zwecke zu verwenden.


Etwas mehr bekannt als Plauson - zumindest in jenen Kreisen, die sich mit der Erforschung neuartiger Energiequellen beschäftigen – ist der US-amerikanische Physiker und UFO-Forscher Thomas Townsend Brown, der sich 1934 einen elektrostatischen Motor patentieren läßt (US-Nr. 1.974.483, angemeldet 1930).

Durch die teilweise enthusiastischen Berichte über die diversen Versuche wird nicht nur die öffentliche Phantasie angeregt, sondern auch Science-Fiction-Autoren. Der deutsche Schriftsteller und Ingenieur Hans Dominik veröffentlicht 1937 den Roman Himmelskraft, in dem eine große deutsche Elektrogesellschaft mit einer amerikanischen Konkurrenzfirma um die Vorherrschaft bei der Nutzung der atmosphärischen elektrischen Energie kämpft.

Die Beschreibung der Energiegewinnung durch ein riesiges Metallnetz, das an Helium-Ballons in 8 km Höhe schwebt und durch ein neues Element gewaltige Mengen Strom erzeugen kann, erinnert an die Plauson-Patente.


Nach dem Weltkrieg gehört aber auch diese Technologie zu jenen Erfindungen, die so gut wie vollständig von der Bildfläche verschwinden – denn neue Energieformen, die sich nicht wie die Brennstofftechnik und die Kernkraft monopolisieren lassen, sind zu dieser Zeit nicht gewollt.

Erst in den 1970er Jahren beschäftigt man sich erneut mit der atmosphärischen Elektrizität, als der aus Kharkov stammende und seit 1956 an der West Virginia University in Morgantown lehrende Prof. Oleg Dimitri Jefimenko Experimente durchführt, um elektrostatische Motoren mit Energie aus dem elektrischen Feld der Erde zu betreiben.

Zusammen mit dem Doktoranden David K. Walker installiert er im September 1970 eine etwa 7,20 m hohe Erdfeld-Antenne mit einer kleinen Menge radioaktiven Poloniums in einer Kapsel am einen Ende, die mit einem Draht mit einem Elektret-Motor verbunden ist – der sich daraufhin tatsächlich in Bewegung setzt. Durch Emission positiver Ladungen können Sonden dieser Art das Feld der Erde etwas effizienter anzapfen als Nadelspitzen.

Zwei Monate später führt Jefimenko gemeinsam mit dem Doktoranden Henry Fischbach-Nazario einen Koronamotor (corona motor) vor, der 70 W erreicht und mit einer Antenne verbunden ist, die an einem Ballon in etwa 25 m Höhe hängt.

Jefimenko-Koronamotor

Jefimenko-Koronamotor

Der Koronamotor bildet eine besondere Bauform des elektrostatischen Motors, die aus einer geraden Anzahl von Nadeln oder Blättern als Elektroden besteht, die eine Scheibe oder einen Zylinder umgeben, welche(r) aus einem elektrisch isolierenden Material wie Kunststoff hergestellt ist. Die Elektroden sind abwechselnd mit unterschiedlichen Polaritäten geladen: eine ist negativ, die nächste positiv. Eine gute Beschreibung nebst Versuchs-Videos findet sich auf der Seite der rimstar.org (s.d.).

Jefimenko gibt beiden Motoren eine Erstladung aus einem 20.000-Volt-Generator. Wenn sie mit voller Geschwindigkeit laufen, verbrauchen sie etwa ein Millionstel Ampere Strom. Dies entspricht 0,02 W, also der Leistung die benötigt wird, um ein 20-Gramm-Gewicht in einer Sekunde 10 cm anzuheben.

Im Magazin der Universität vom Frühjahr 1971 wird erklärt, daß es sich um die weltweit ersten Motor handelt, die durch atmosphärische Energie betrieben werden. Mit Antennen verbunden laufen sie mit bis zu 1.000 U/m, wobei die Leistung allerdings nur etwa ein zehntausendstel PS beträgt. Gemessen werden dabei bis zu 6.000 V.

Sehr ausführlich gehen die US-Magazine New Scientist im März bzw. Popular Science im Mai 1971 auf diese Entwicklungen ein. In letztgenanntem Artikel werden sogar detaillierte Anleitungen veröffentlicht, wie man z.B. ein Wimshurstmaschine (s.o.) selbst bauen kann.

Im Jahr 1973 veröffentlicht Jefimenko das Buch ,Electrostatic motors; their history, types, and principles of operation’, das ebenso wie seine anderen Publikationen von seiner Firma Electret Scientific Co. in Waynesburg, Pennsylvania, herausgegeben wird. Der Autor berichtet davon, daß ein neuartiger elektrostatischer Motor bereits 1961 von dem russischen Physiker A. N. Gubkin erfunden worden sei. Dieser Motor basiert auf einem 1919 von  Prof. Mototaro Eguchi am Higher Naval College in Tokio als Kleinenergiespeicher entwickelten Elektret.

Eine kleinere und einfachere Version soll ebenfalls 1961 von J. D. N. Van Wyck und G. J. Kühn in Südafrika gezeigt worden sein. Dieser Motor besteht aus einer etwa 3 mm dicken und 40 mm durchmessenden, horizontal gelagerten Kunststoffscheibe, deren Rand von sechs radial gerichteten Nadelspitzen in gleichen Abständen gestreift wird. Wird die Maschine an eine Quelle von 8.000 – 13.000 V angeschlossen, erreicht sie Drehzahlen bis zu 12.000 U/m.


Ein Übersichtsartikel ,Electrostatic Motors Are Powered By Electric Field of the Earth’, der im Netz einsehbar ist, wird im Oktober 1974 von C. L. Stong veröffentlicht. Der Autor berichtet darin auch über eigene Versuche. Inzwischen lassen sich im Netz auch schon diverse Bauanleitungen für derartige atmosphärische Motoren finden, die sich mit einem 3D-Drucker realisieren lassen.


Weitere Patente aus jener Zeit stammen von Bollee Boudewijn aus Eindhoven, Niederlande (Electrostatics Synchronous Motor, US-Nr. 3.433.981, angemeldet 1967, erteilt 1969); s.a. US-Nr. 3.436.630); von Tex Yukl aus Baker, Oregon (Method and apparatus for capturing an electrical potential generated by a moving air mass, US-Nr. 4.494.009, angemeldet 1983, erteilt 1985); sowie von Philippe Robert, Jean-Sebastien Danel und Bernard Diem (Electrostatic Motor,  US-Nr. 5.965.968, angemeldet 1997, erteilt 1999).


Ab 1997 erforscht auch das Unternehmen Meridian International Research (MIR) die Grundlagen der Umwandlung atmosphärischer Energie in nutzbare Elektrizität. Mit einer einfachen, 5 m hohen Zink-Antenne wird eine ausreichende Ladung erhalten, die eine Anzahl von weißen LEDs zu betreiben. Die Firma erwähnt zwar weitere experimentelle Untersuchungen mit metallischen Aerostat-Sammlern und anderen Antennen, veröffenbtlicht aber keinerlei nähere Details. Das letzte Update der Seite stammt zudem von 2008.


Die Firma SEFE Inc. in Tempe, Arizona, meldet 2011 das Patent für eine neue Methode an, die atmosphärische Energie zu sammln (Atmospheric Energy Collection, US-Nr. 20120286623). Als Erfinder wird ein Mark Ellery Ogram aus Tucson angegeben. Das System basiert auf einem Windsack aus elektrisch leitendem Material als Energiekollektor.

Obwohl sich noch diverse weitere Patente dieses Unternehmens bzw. Erfinders finden lassen, die mit Ballons, Blimps und Antennen funktionieren sollen, lassen sich bislang keinerlei Umsetzungen nachweisen (z.B. Atmospheric electrical generator, US-Nr. 7.855.476, angemeldet 2008, erteilt 2010; Dynamic electrical converter system, US-Nr. 8.102.078, angemeldet 2008, erteilt 2012; Atmospheric static electricity collector, US-Nr. 8.283.811, angemeldet und erteilt 2012). Zudem scheint die Firma 2015 aufgelöst worden zu sein.


Im Jahr 2013 startet ein gemeinsames Projekt der University of Colorado, der Pennsylvania State University und des National Center for Atmospheric Research, bei dem mit Unterstützung der National Science Foundation ein Computermodell des elektrischen Erdfeldes erstellt wird (The Global Electric Circuit project).

Die virtuelle Darstellung soll es Wissenschaftlern auf der ganzen Welt ermöglichen, mit dem System zu experimentieren und das Wissen über die Elektrizität in der Atmosphäre vorantreiben.


Siehe auch: Blitze sowie Elektrostatik.


Biologische Systeme


Die hier aufgeführten Umsetzungen des Micro Energy Harvesting lassen sich in erster Linie in bakterielle Systeme sowie in Geräte unterteilen, die auf muskulären Wirkungen oder auch der Strömung des Blutkreislaufes basieren.

Bei den als erstes behandelten bakteriellen Systemen kommen Mikroben, Einzeller und Algen zum Einsatz, deren treibstoff-generierende Nahrung hauptsächlich die Inhaltsstoffe von Abwässern und Sedimenten sowie organisches Material wie Pflanzen oder Tiere sind. Ihre Verarbeitung erfolgt hauptsächlich durch mikrobielle oder enzymatische Bio-Brennstoffzellen, die ebenfalls bei den anschließend behandelten Flüssigkeiten, insbesondere denen des Körpers, wie Blut, Urin, Speichel, Schweiß usw. zum Einsatz kommen.

Insekten und andere Lebewesen bilden - allerdings nicht als Nahrung, sondern lebendig - die nächste Gruppe, die zur Energieproduktion herangezogen wird. Daran schließen sich Systeme an, die durch unterschiedliche Muskeln in Betrieb gesetzt werden, angefangen von Herzmuskeln bis hin zu Fingern, die auf Tastaturen anschlagen. In der alphabetischen Reihenfolge geht es dann mit Pflanzen aller Art weiter, sodann mit Tieren und zum Abschluß werden noch einige Technologien vorgestellt, die sich der obigen Zuordnung entzogen haben.


Bakterielle Systeme


Bakterielle Systeme, deren Funktion auf einer Umwandlung von Biomasse beruht, sind in Form von Biogasanlagen schon weit verbreitet. Die zellulären ,Werktätigen’ lassen sich aber auch in kleinerem Maßstab nutzen. So beschreibt Michael Potter, Professor für Botanik an der University of Durham, bereits 1911 eine einfach aufgebaute biologische Brennstoffzelle, die mit dem Elektronentransfer von Escherichia coli-Bakterien funktioniert, deren Technik aber in Vergessenheit gerät, da die Spannung, die sich aus solchen Zellen gewinnen läßt, nicht sehr hoch ist.

Barnet Cohen von der Johns Hopkins Medical School in Baltimore entwickelt 1931 mikrobielle Halbzellen, die in Serie geschaltet eine Spannung von bis zu 35 V generierten, dabei allerdings nur einen Stromfluß von 2 mA erreichen.

Forschungen, Enzyme direkt für die Oxidation in Bio-Brennstoffzellen einzusetzen, beginnen dann in den frühen 1960er Jahren als Produkt des Interesses der NASA, Möglichkeiten zu finden, menschlichen Abfall an Bord von Raumfahrzeugen in nutzbare Energie zu recyceln, sowie als Bestandteil der Suche nach einem künstlichen Herzen, konkret als Energiequelle, die direkt in den menschlichen Körper eingesetzt werden könnte.

Die erste enzymatische Brennstoffzelle (Enzymatic Fuel Cell, EFC) wird 1963 von Richard S. Berk an der Wayne State University in Detroit, Michigan, gemeinsam mit Jamies H. Canfield, einem Mitarbeiter der Firma Magna Corp. im kalifornischen Anaheim, hergestellt. In ihrem Papier beschrieben sie den elektrochemischen Einfluß von photosynthetischen Organismen, die auf Platinelektroden wachsen oder sich in deren Nähe befinden.

Sie stellen dabei die elektrochemische Daten von zwei Halbzellsystemen vor, bestehend aus blau-grünen Meeresalgen und Rhodospirillum rubrum, und zeigen, wie ihre Kombination zum Bau einer biologischen Solarbatterie führt, die Lichtenergie in elektrische Energie umwandelt. Im Ein-Elektroden-Betrieb erreicht eine sandgestrahlte Platinelektrode, die mit einer Population von Meeresalgen bewachsen ist, bei Beleuchtung eine Stromdichte von 4,3 µA/cm2, während eine Zelle, die aus einer Algen-Kathode und einer Suspensions-Anode mit R. rubrum besteht, nach kontinuierlicher Beleuchtung für 21 Stunden eine  Spannung von 0,96 V und ein Stromdichte von 75 µA/cm2 liefert. Die Forschungen erfolgen mit Förderung durch die U.S. Navy.

Eine weitere Arbeit zu diesem Thema bildet die ebenfalls 1963 erschienene Studie von M. G. DelDuca et al., die Wasserstoff verwenden, welcher mittels Fermentation von Glukose durch Clostridium butyricum als Reaktant an der Anode einer Wasserstoff/Luft-Brennstoffzelle erzeugt wird. Das dabei auftretende Problem der instabilen Wasserstoffproduktion durch die Mikroorganismen wird allerdings erst 1976 durch eine Weiterentwicklung von S. Suzuki, I. Karube et al., gelöst – dem Team, auf das auch das aktuelle Designkonzept der biologischen Brennstoffzellen zurückgeht.

1964 folgt die Veröffentlichung einer Studie über Enzyme-verwendende Bio-Brennstoffzellen von A. T. Yahiro, S. M. Lee und D. O. Kimble, die bei der Firma Space-General Corp. in El Monte, Kalifornien, tätig sind. Hier wird die Verwendung einer aus Plexiglas konstruierten Zelle beschrieben, die mit Platin-Folienelektroden und einer Ionenaustauschmembran ausgestattet ist. Zum Einsatz kommen Flavoprotein-Enzyme und sowohl Glucoseoxidase- als auch D-Aminosäure-Oxidase-Systeme. Die Zelle erzeugt 175 - 350 mV.

Weitere Publikationen aus dieser Zeit befassen sich primär mit implantierbaren Brennstoffzellen für ein künstliches Herz. Da man jedoch bald erkennt, daß Leistungsdichte und Lebensdauer den Anforderungen eines künstlichen Herzens nicht genügen würden, richten sich die Arbeiten auf implantierbare Zellen für andere medizinische Anwendungen neu aus. Signifikante Umsetzungen sind aus dieser Zeit aber nicht nachzuweisen.

Die Forschungen gehen erst in den 1980er und frühen 1990er Jahren weiter, nachdem klar ist, daß metallische Katalysatoren die gewünschten Ergebnisse nicht liefern würden. Nun werden ehrgeizige Bemühungen unternommen, aus Bio-Brennstoffzellen ,grüne’ Stromquellen zu machen. So wird die Idee beispielsweise von M. J. Allen, und später von H. Peter Bennetto aufgegriffen, die beide am Kings College London tätig sind und hauptsächlich untersuchen, wie das Ganze überhaupt funktioniert. Um 1983 setzen A. P.  F. Turner et al. in Bio-Brennstoffzellen erstmals Übergangsmetallkomplexe als Redoxvermittler ein, während B. Persson und L. Gorton im Jahr 1985 über eine Anode berichten, die auf einem adsorbierten Redox-Mediator basiert.

Die Idee der mikrobiellen Brennstoffzelle (Microbiologial Fuel Cell, MFC) erlebt in den 1990er Jahren eine Renaissance, als der Koreaner Byung Hong Kim entdeckt, daß sich bestimmte Bakterienarten besonders gut für diese Zellen eignen. Immerhin können diese anders als herkömmliche Batterien praktisch unbegrenzt Strom liefern – solange nämlich die Bakterien am Leben sind und genug Nahrung bekommen. Ein weiterer Vorteil von MFCs ist, daß sie das durch die Photosynthese erzeugte organische Material verwenden, welches von der Pflanze über die Wurzeln ausgeschieden wird und bis zu 70 % des pflanzlichen Gesamtumsatzes beträgt.

G. T. R. Palmore und H.-H. Kim beschreiben 1999 eine stark verbesserte membranartige Zelle mit diffundierenden Komponenten in beiden Kammern, deren Output über 1 V beträgt.

In den frühen 2000er Jahren beginnt an der University of Massachusetts (UMass) in Amherst ein Forschungsteam unter der Leitung des Mikrobiologen Derek Lovley die Fähigkeit des Bakteriums Geobacter zu erforschen, aus organischer Substanz Strom zu erzeugen und zu leiten. Den Stamm Geobacter metallireducens hatte Lovley erstmals im Jahr 1987 im Sand-Sediment des Potomac River in Washington D. C. isoliert, während der Geobacter sulfurreducens zum ersten mal 1994 von Caccavo Jr. et al. beschrieben wird.

Bis zum Jahr 2005 gelingt es dem Forschungsteam um Lovley, den Mechanismus dieser Fähigkeit zu identifizieren. Es handelt sich um Pili genannte, haarähnliche Ausstülpungen, welche die Geobacter wie Girlanden aus Nanodrähten umgeben und einen dünnen Biofilm schaffen, der Elektronen aus dem Organismus zu Eisen im Schlamm oder Abwasser leitet. Im Laufe der Folgejahre schaffen es die Wissenschaftler einen Stamm von Geobacter zu entwickeln, der bei der Erzeugung von Energie acht mal effizienter als andere Geobacter-Stämme ist, was dazu dazu beiträgt, daß es die elektrische Mikrobe 2009 auf die Liste der 50 Top-Erfindungen des Time Magazine schafft.

Zu diesem Zeitpunkt arbeiten auch Forscher an der University of Minnesota - Twin Cities um Daniel Bond an einer von der National Science Foundation (NSF) finanzierten Studie über den G. sulfurreducens, bei der festgestellt wird, daß das Bakterium Proteine besitzt, welche die Elektronen den ganzen Weg zu der Elektrode führen, was im Vergleich zu anderen Bakterien einzigartig ist.

2010 erregt die Forschung die Aufmerksamkeit der US-Marine, die an einen möglichen Einsatz in MFCs denkt, die mit Meerwasser laufen – weshalb das aktuelle Projekt von Lovley auch von der Marine zusammen mit dem Energieministerium und der National Science Foundation finanziert wird. Wie bereits im April bekannt wird, arbeitet das Office of Naval Research (ONR) zudem selbst an der Entwicklung einer mikrobiellen Brennstoffzelle, die Strom aus Nährstoffen im Schlamm und Abwasser beziehen soll.

Navy-Forscher des Space and Naval Warfare Systems Center (SPAWAR) verwenden bereits kleine und leichte MFCs zum Betrieb von Sensoren, um die im Pazifik gefährdeten grünen Meeresschildkröten zu verfolgen. Nun hat man das Ziel, eine MFC zu entwickeln, die stark genug ist um ein 120 cm langes, autonomes Roboter-Unterwasserfahrzeug zu versorgen, das auf dem Meeresboden ruhend Meeresorganismen zerlegt, um seine Batterien wieder aufzuladen.

ZPBC-Sensor

ZPBC-Sensor

Im Juni 2011 verlautet, daß das U.S. Naval Research Laboratory (NRL) eine neue Art der Wasserstoff-Brennstoffzelle verwendet, die Bakterien nutzt, um variablem Auftrieb zur Verfügung zu stellen. Dieser ermöglicht einem autonomen Ozean-Sensor, mit Leichtigkeit an der Oberfläche zu bleiben bzw. zu tauchen. Aus diesem Grund besteht die Ernte des mikrobiellen Stoffwechsels auch nicht aus Strom, sondern aus dem Nebenprodukt Gas.

Das Gerät wird Zero Power Ballast Control (ZPBC) genannt, weil es keine Energiequelle benötigt, um in der Wassersäule nach unten und oben zu sinken bzw. zu steigen. Der zylindrische Sensor besteht aus zwei Kammern: einen oberen Abschnitt, der die gesamte Elektronik und die Ventile enthält, und einer unteren Kammer, die unter Druck gesetzt wird, während die Bakterien wachsen.

In einem Test in Sattahip an der Küste von Thailand wird das System verwendet, um einen Bathythermograph-Sensor zu bewegen, eine Fallsonde zur Bestimmung des Temperatur- und Druckprofiles im Meer. Dabei erzeugen die Bakterien genügend Wasserstoffgas, um den Zylinder an der Oberfläche schwimmen zu lassen. Das Crimson Viper genannte Experiment wird im Rahmen einer Partnerschaft zwischen dem US-Pazifik-Kommando und der Abteilung Wissenschaft und Technologie der Royal Thai Defense durchgeführt.

Anfang 2012 ist zu erfahren, daß man sich am NRL nun auch mit autonomen Mikro-Rovern beschäftigt, die nur rund 1 kg wiegen. Gefördert durch Mittel aus dem NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) Programm untersucht der Robotiker Gregory Scott an der Abteilung für Raumfahrttechnik die Machbarkeit winziger Planeten-Roboter, die durch MFCs angetrieben werden. Dabei konzentriert sich seine Forschung auf Reinkulturen anaerober Bakterien, wie Geobacter sulfurreducens, sowie auf die Erhöhung der produzierten Energie.

Scott rechnet damit, daß ein Teil der mikrobiellen Energie verwendet wird, um die On-Board-Elektronik und Steuerungssysteme aufrecht zu erhalten, während der Rest eine Batterie oder einen Kondensators langsam auflädt. Sobald genügend Energie gespeichert ist, würde der autonome Roboter in der Lage sein, wissenschaftliche Instrument mit höherem Stromverbrauch zu verwenden oder sich nach weiterzubewegen.

Eine weitere Arbeitsgruppe der UMass um den amerikanischen Physiker Mark Tuominen kann bereits 2011 nachweisen, daß ein dünner Film aus G. sulfurreducens elektrischen Strom mit einer Leitfähigkeit von ca. 5 Millisiemens pro cm leitet. Es dauert anschließend bis zum Oktober 2014, bis eine neue Studie ausführlich belegt, daß die Bakterien tatsächlich Strom wie ein Kupferdraht leiten – was ein völlig neues Feld für selbstorganisierende Elektronik eröffnet und die bisherigen Zweifler zum Verstummen bringt.

Mittels den neuen elektrostatischen Kraftmikroskopie (Electrostatic Force Microscopy, EFM) gelingt es, einen visuellen Eindruck des elektrischen Stroms zu gewinnen und zu belegen, daß die Pili der Geobacter eine Ladung ähnlich wie Kohlenstoff-Nanoröhrchen leiten, und dies unter gleichartigen Bedingungen von Temperatur und pH-Wert.

Im Mai 2013 wird berichtet, daß die Lovley-Laborgruppe unter Leitung von Amit Kumar einen Stamm stromerzeugender Geobacter sulfurreducens-Bakterien entwickelt habe, der unter Verwendung von Wasserstoffgas als alleinigem Elektronendonor sowie Kohlendioxid als alleiniger Kohlenstoffquelle gedeihen kann. Die Arbeit wird durch eine Finanzierung durch das US Department of Energy und das Office of Naval Research unterstützt.

Miniroboter EcoBot

EcoBot


Zurück zur Chronologie: Das Intelligent Autonomous Systems Laboratory, eine Kooperation zwischen der University of the West of England (UWE) und der University of Bristol (später: Bristol Robotics Laboratory, BRL), stellt im Jahr 2003 einen autonomen Miniroboter namens Ecobot I vor, der von acht mikrobiellen Brennstoffzellen (Microbial Fuel Cell, MFC) angetrieben wird, die mit Zuckerwasser betankt werden. EcoBot steht dabei für den Begriff Ecological Robot.

MFCs enthalten in der Regel zwei Elektronen, die durch eine Ionenaustauschmembran getrennt sind. Die Bakterien wachsen und breiten sich auf der Anodenseite aus, wo sie einen Biofilm bilden (ein dichtes Zellaggregat) und als Katalysatoren für die Umwandlung des organischen Substrats in CO2, Protonen und Elektronen dienen.

Bereits 2004 folgt mit dem Ecobot II ein Modell, das sich selbst mit Treibstoff versorgt. Bestimmte Enzyme der in seinen Brennstoffzellen lebenden Mikroben zersetzen organisches Material (Fliegen, Käfer, Pflanzen usw.) und setzen dabei den Zucker frei, der wiederum den Bakterien als Brennstoff für ihren Stoffwechsel dient, bei welchem die Elektronen entstehen, die den Stromfluß erzeugen. Bereits im Versuchsaufbau reicht das aus, um eine Maschine mit dem Gewicht von 1 kg im Zeitlupentempo von 10 cm pro Stunde voran zu bewegen.

2010 wird der etwa 6 kg schwere EcoBot III präsentiert, der sich durch den Verzehr und das Ausscheiden von Biomasse ebenfalls selbst mit Strom versorgen und eine ganze Woche lang unbeaufsichtigt laufen kann. Der Bot verwendet einen Satz von 48 MFCs, um aus deren Stoffwechselprozeß die Elektronen zu beziehen, die er für den Betrieb seiner Ultra-Low-Power-Schaltung benötigt.

Der Roboter ernährt sich dabei aus teilweise verarbeitetem Abwasser, indem er zu einem Trog navigiert und dort aufnimmt, was er für den unter Sauerstoffausschluß ablaufenden Gärprozeß benötigt, bei dem die Mikroorganismen die im Abwasser enthaltenen Kohlenwasserstoffe in Kohlendioxid, Protonen und energiereiche Elektronen zerlegen. Unverdaute Materie wird alle 24 Stunden mittels einer Pumpe, die Druckwellen verwendet, in ein Katzenklo ausgeschieden.

Die Effizienz des EcoBots von nur 1 % ist bislang noch sehr bescheiden, soll zukünftig aber stark verbessert werden. Dafür ist der Verbrauch schon jetzt sehr niedrig: In einem Test benötigt der Roboter für eine Betriebsdauer von fünf Tagen lediglich acht dicke Fliegen. Immerhin ist Chitin, der Hauptbestandteil von Insektenpanzern, ein Mehrfachzucker.


Pumpe des EcoBot IV

Das Projekt von Ioannis Ieropoulos und seinen Kollegen wird vom Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) gefördert und in Zusammenarbeit mit Wessex Water umgesetzt. Weshalb als Lockstoff für die Fliegen auch stinkendes Abwasser dient – das gleichzeitig auch die Bakterien enthält, die aus den Fliegen schlußendlich den Strom gewinnen.

Im Februar 2013 wird berichtet, daß ein Team unter der Leitung von Peter Walters eine 3D-gedruckte Pumpe hergestellt habe, die für ihren Betrieb den Druck nutzt, der durch lebende Hefe erzeugt wird. Der unter Verwendung von Formgedächtnislegierungen entstandene künstliche Muskel soll der vierten Generation, dem EcoBot IV,  als eine Art Herz mit einem Volumen von 24,5 ml dienen, das den Herzschlag imitiert und den Roboter mit Treibstoff versorgt. Dabei wird das Ventil der Pumpe, das die Bewegung der Membran steuert, durch Strom aus einer MFC angetrieben, die ihre Energie wiederum aus menschlichem Urin bezieht (s.u.).

Die Technik ist nicht sehr kompliziert: Membran öffnet sich, um den durch die Hefe erzeugten Druck freizugeben, expandiert und schrumpft dann wieder, um einen neuen Zyklus zu beginnen. Bei der Kompression wird der Urin in die Brennstoffzelle gepumpt. Das Team hofft, daß der neue Bot in der Lage sein wird, den durch die Hefe entstehenden Abfall abzupumpen und sich davon ernähren.

Immerhin ist die uringespeiste MFC in der Lage, genug Strom zu erzeugen, um Kondensatoren aufzuladen, deren gespeicherte Energie verwendet wird um einen Pumpzyklus des künstlichen Herzens zu starten. Das Array aus 24 MFCs, das derzeit kontinuierlich rund 3,2 mW Leistung bei einer Spannung von 3 V produziert, benötigt anschließend 2 - 3 Stunden, um die Kondensatoren erneut aufzuladen. Sowohl die Hartplastik-Elemente als auch die Formen für die weichen Silikonteile der Pumpe werden mit einem 3D-Drucker hergestellt.

Im Jahr 2014 kooperiert das BRL mit der University of Bath, um einen preiswerten Sensor zur Überwachung der Wasserqualität in Entwicklungsländern zu entwickeln. Das im 3D-Druck erstellte Gerät wird durch Bakterien mit Strom versorgt und kann direkt in Flüssen und Seen aufgestellt werden, um eine kontinuierliche Überwachung in Echtzeit zu ermöglichen. Sobald die Bakterien durch den Kontakt mit Giftstoffen im Wasser gestört werden, fällt die Stromausbeute rapide ab und der Sensor gibt Alarm.

Das Gerät ist in der Lage, das Vorhandensein selbst sehr kleinen Mengen von Schadstoffen im Wasser zu erfassen. Im Test detektieren die Forscher um Prof. Mirella Di Lorenzo winzige Konzentrationen von Cadmium in Mengen, die weit unter den akzeptierten Grenzwerten liegen.

Ende 2015 folgt der Schwimmroboter Row-bot, der von Ruderwanzen inspiriert ist und seine Energie ebenfalls aus Schmutzwasser gewinnt. Die Teile für den Rahmen werden mit einem 3D-Drucker angefertigt und von einer elastischen Membran umhüllt. Während er von einen 0,75 W Motor und vier Rudern angetrieben über die Wasseroberfläche gleitet, strömt nährstoffhaltiges Wasser ins Innere seiner Brennstoffzelle.

Ähnlich wie der EcoBot III soll auch der Row-bot zukünftig selbständig nach Nahrung suchen und sich dabei beispielsweise an Konzentrationsunterschieden im Wasser orientieren – um sowohl Nahrung zu finden, als auch die am stärksten belasteten Zonen eines Gewässers. Im nächsten Schritt ist das Hinzufügen von Überwachungs- und Kontrollsystemen geplant, damit der Roboter für Umweltanalytik- und Sanierungsprojekte verwendet werden kann.

Insektenfalle der SNU

Insektenfalle
der SNU


Wie im Oktober 2011 bekannt wird, arbeiten schon zwei Teams an der Entwicklung mechanischer Insektenfallen für Roboter wie den EcoBot, welche die Venusfliegenfalle (Dionaea muscipula Ellis) imitieren, eine fleischfressende Pflanze aus der Familie der Sonnentaugewächse. Dies bedeutet in erster Linie, Materialien zu finden, welche nicht nur die Anwesenheit eines Insekts erkennen, sondern sich auch sehr schnell schließen können. Die Blätter der lebenden Pflanze schnappen nämlich in nur 100 Millisekunden zu.

An der Seoul National University (SNU) in Südkorea wird dies von Seung-Won Kim und seinen Kollegen mit Formgedächtnismaterialien durchgeführt, die zwischen zwei stabilen Formen wechseln, wenn sie Druck, Wärme oder einem elektrischen Strom ausgesetzt werden. Das Gewicht eines Insekts aktiviert eine Feder aus dem Formgedächtnismetall, die zwei als Blätter wirkende Kohlefaser-Schalen kräftig zusammenklappen läßt. Um die Falle wieder zu öffnen reicht es, an die Feder einen Strom anzulegen.

Das SNU-Team stellt im März 2014 einen neuartigen Betätigungsmechanismus vor, der eine abwickelbare Fläche nutzt und aus künstlichen Blättern besteht, die aus einem asymmetrisch laminierten, kohlenstoffaserverstärkten Material hergestellt werden.


Prof. Mohsen Shahinpoor an der University of Maine (UMaine) in Orono entwickelt wiederum eine künstliche Venusfliegenfalle aus einer Substanz, die er selbst vor einigen Jahren erfunden hatte. Das Ionic Polymeric Metal Composite (IPMC) benannte Nanomaterial besteht aus Polymermembranen, die mit Gold-Elektroden beschichtet sind und als künstliche Muskeln agieren. Fährt ein Strom durch die Membran, biegt sie sich in eine Richtung – wird die Polarität umgekehrt, in die andere. Das mechanische Biegen des Materials produziert wiederum eine Spannung, die Shahinpoor nutzt, um damit Sensoren zu versorgen.

Wenn ein Käfer auf der Falle landet und damit eine kleine Spannung erzeugt, löst er damit eine größer Stromquelle aus, um an den ,Blättern’ entgegengesetzte Ladungen anzulegen, sodaß sie sich gegenseitig anziehen und die Falle schließen.

Carnivorous Clock

Carnivorous Clock


Interessanterweise kursierte bereits im Februar 2011 eine Meldung durch die Blogs, in welcher von einer fleischfressenden Uhr berichtet wird.

Die Carnivorous Clock der britischen Designer James Auger und Jimmy Loizeau, die tatsächlich schon aus dem Jahr 2009 stammt, wird durch eine MFC angetrieben und ist mit einem großen Laufband ausgestattet, auf dem sich klebriger Honig befindet. Auf diesem sollen sich Fliegen verfangen, die weitergeleitet schließlich unten in einen kleinen Shredder fallen, wo sie zerkleinert und einer Brennstoffzelle zugeführt werden.

Die MFC erzeugt den Machern zufolge genügend Energie, um die kleine LCD-Uhr an der Unterseite zu versorgen – die für zwölf Tage Betriebszeit acht Fliegen ,verbraucht’. In Zukunft soll auch das Laufband, das gegenwärtig noch Strom aus der Steckdose benötigt, mit einer MFC betrieben werden, was dann jedoch einige Insekten mehr erfordern würde.


Bereits im Jahr 2004 sollen Prof. Ismet Gursul und sein Wissenschaftlerteam von der Universität Bath an der Konstruktion eines rund 15 cm langen Flugzeugs arbeiten, das sich seinen eigenen Treibstoff ‚fängt’ und daher ohne Auftanken oder Batteriewechsel über längere Zeit autonom agieren kann. Wie Vögel und Insekten soll sich das Mikro-Flugzeug selbst mit Nahrung versorgen. Leider lassen sich darüber keine Details mehr finden.


An anderer Stelle wird daran gearbeitet, energieautarke Roboter für militärische und zivile Zwecke zu entwickelt, welche die Biomasse ebenso verwerten können wie konventionelle Treibstoffe. Eine deratige Roboter-Plattform soll sozusagen als Allesfresser agieren und selbst auf ‚Futtersuche’ gehen, um sich verlorene Energie aus der Vegetation in der Umgebung zurückholen.

Als eine Art Vorläufer der Geräte, welche Biomasse verarbeiten, kann der Canard Digérateur des französischen Ingenieurs und Erfinders Jacques de Vaucanson aus dem Jahr 1739 betrachtet werden, ein mechanischer Automat in Form einer Ente, welche die Fähigkeit zu haben schien, Getreidekörner zu fressen, sie zu verstoffwechseln und wieder auszuscheiden. Tatsächlich wurde die Nahrung in einem Innenbehälter gesammelt, während vorgespeicherter Entenkot aus einem zweiten Behälter ausgeschieden wurde, doch Vaucanson hoffte ernsthaft, daß eines Tages ein wirklich verdauender Automat ausgeführt werden könnte. Seine mechanische Ente bestand aus mehr als 400 beweglichen Einzelteilen, konnte mit den Flügeln flattern, schnattern und Wasser trinken.

Am anderen Ende der Zeitskala ist der belgische Konzeptkünstler Wim Delvoye zu verorten, dem es nach mehreren Jahren Forschungsarbeit und mit der Hilfe von Wissenschaftlern 2006 gelingt, mit seinem Werk Cloaca Vaucansons Traum zu verwirklichen und eine Maschine zu präsentieren, die den Verdauungsvorgang des Menschen exakt simuliert und von echten visuell nicht zu unterscheidende Exkremente produziert. Was sich Vaucanson allerdings nie hätte vorstellen können: Die Exkremente werden anschließend in Folie eingeschweißt und sehr erfolgreich als Kunstwerke an Sammler und Händler verkauft...


Für Roboter mit selbständiger Energiegewinnung wird von Prof. Stuart Wilkinson an der University of South Florida in Tampa im Jahr 1998 der Begriff Gastrobot geprägt, was wörtlich ,Roboter mit Magen’ bedeutet. Er meint damit „eine intelligente Maschine, die sich ihren gesamten Energiebedarf aus der Verdauung von richtigem Essen beschafft“, und zwar in Form von Kohlenhydraten, Lipiden oder auch Alkohol, wobei üblicherweise eine Mischung aus Kohlenhydraten und Protein verwendet wird. Die Nahrung wird dann durch eine mikrobielle Brennstoffzelle in Gase und andere potentielle Energieformen umwandelt.

Im Jahr 2000 stellt Wilkinson, dessen Arbeit von der Tampa Electric Co. finanziert wird, eine Umsetzung vor, die aus drei Wagen besteht und im Kern eine MFC mit E. coli Bakterien besitzt, die mit Zucker gefüttert werden. Die einzigen Nebenprodukte der Energieerzeugung sind Wasser und CO2.

Aus dem 1 m langen Roboter Chew Chew, der wie eine Spielzeugeisenbahn aussieht, sollen später einmal autonome Rasenmäher entstehen, die sich mittels der Verdauung des Schnittguts, das sie schneiden, selbst betreiben – oder auch kleinere Versionen, die in Regenrinnen leben und sich ihre Betriebsenergie dadurch beschaffen, daß sie die sonst verstopfenden Blätter fressen. Obwohl Fleisch einen höheren Heizwert hat als Vegetation, konzentriert sich Wilkinson laut eigener Aussage auf Pflanzen, da ein Fleisch fressender Roboter erst einmal wesentlich mehr Energie aufwenden müßte, um seine Nahrung zu locken, zu fangen und zu töten. Später scheint das Projekt aufgegeben worden zu sein, auch die Homepage ist seit 2006 statisch.

SlugBot

SlugBot


Im Jahr 1999 präsentieren Wissenschaftler um Ian Kelly an der University of the West of England (UWE) in Bristol einen Prototypen namens SlugBot entwickelt, der durch Gemüsebeete fahren, mit seiner Kamera Schnecken aufspüren, diese mit einem 1,8 m langen Greifarm mit drei ,Fingern’ in seinen Tank befördern und daraus Energie gewinnen soll. Um nicht auch andere Lebewesen zu erwischen, werden die Bilder der Videokamera mit einer speziellen Erkennungssoftware geprüft, bevor der Greifarm die Nacktschnecken mit einer maximalen Geschwindigkeit von 10 Exemplare pro Minute packt.

Zwar wird der SlugBot noch von Akkus angetrieben, doch das Ziel der Entwickler ist, daß der Schneckenvernichtungsroboter selbständig zur Aufladestation zurückkehrt, wenn der Behälter voll ist oder die Batterien zur Neige gehen. Dort werden die Schnecken in eine Fermentierungskammer gefüllt, in der Bakterien sie zu Biogas verarbeiten, das wiederum die Energie für einen Generator liefert, der die Batterien wieder auflädt.

Obwohl die Initiatoren meinen, daß es „technisch gesehen interessanter ist, eine bewegliche Beute zu fangen, als lediglich Pflanzen einzusammeln“, kommt das Gerät nie über das Konzeptstadium hinaus. Die UWE wird uns dagegen aber noch häufiger begegnen.

EATR Grafik

EATR (Grafik)


Das US-Unternehmen Robotic Technology Inc. konzipiert bereits 2003 den Energetically Autonomous Tactical Robot (EATR), doch so richtig voran kommt das Projekt erst 2008, als die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) in die Förderung einsteigt und die Entwicklung einer externen Hybrid-Verbrennungsmaschine durch die Firma Cyclone Power Technology finanziert. Mittels dieser sollen die Akkus nachgeladen werden, die den Roboter in Betrieb halten.

Obwohl der EATR mit seiner groben Energiegewinnungsmethode, welche auf der 2005 von Harry Schoell erfundenen Cyclone Mark V Engine basiert, einem ORC-Motor mit externer Verbrennung, damit eigentlich aus dem Bereich des MEH herausfällt, möchte ich seine Geschichte kurz präsentieren, da sie einen gewissen, makabren Reiz besitzt.

An der Entwicklung des EATR beteiligt ist auch das Intelligent Systems Laboratory der University of Maryland. Einer hier durchgeführten Musterrechnung zufolge kann der EATR aus 1,5 – 5 kg Holz oder Pflanzen eine Kilowattstunde erzeugen, was ihm eine Fahrstrecke von 3 – 12 km erlaubt. In der nächsten Phase des Projekts geht es vor allem um die Fähigkeit, Biomasse-Energiequellen von jenen Stoffen zu unterscheiden, die keine Energie liefern, sie richtig zu verarbeiten und daraus elektrische Energie zu erzeugen. Die kommerzielle Nutzung des Projekts sieht neben militärisch einsatzfähigen EATR-Systemen auch zivile Anwendungen z.B. in der Land- und Forstwirtschaft vor.

Als sich im Jahr 2009 Gerüchte darüber verbreiten, daß sich dieser Roboter auch vom Fleisch toter Menschen ernähren könnte, die im Kampf fallen, versuchen es die Initiatoren anfänglich noch mit Schadensbegrenzung. Während Cyclone Power die Mark V Engine erfolgreich weiterentwickelt, wird die Arbeit am EATR jedoch bald darauf eingestellt.


Zu welchen Design-Ideen derartige Entwicklungen führen können beweist das Project Nomad von Jason Battersby. Der Design-Student am schwedischen Umea Institute of Design schlägt im Rahmen eines Seminars ‚The Ultimate Driving Experience’ im November 2009 ein künstliches Reittier vor, das mittels GPS-Empfänger auch selbständig nach Vegetation Ausschau halten kann, um sich dort aus der Nahrung Bio-Sprit für seinen Motor herzustellen.

Bio-Cleaner2 Grafik

Bio-Cleaner2
(Grafik)


Etwas ernsthafter ist der Entwurf einer Designergruppe auch China, der im April 2013 in den Blogs vorgestellt wird.

Der segmentierte Schwimmroboter Bio-Cleaner2 ist ein innovatives System, das die Technik der Roboter-Schlange mit der Biokraft von Shewanella oneidensis (spezialisierten Bakterien, die Metalle abbauen) kombiniert, um das Problem der Wasserverschmutzung durch Schwermetalle zu lösen.

Dabei erzeugen die Bakterien durch das Verfahren der Zerlegung oder Zersetzung der Schwermetalle Strom und sauberes Wasser, wobei der Strom die Roboter-Schlange in Betrieb hält, während das saubere Wasser zurück ins Meer abfließen kann.


Die oben erwähnte Idee eines autonomen Rasenmähers wird einer Meldung vom Februar 2014 von dem US-Startup EcoMow aufgegriffen, das ein Team von Ingenieuren und Studenten der George Mason University in Fairfax, Virginia, gegründet haben, wobei aber auch hier ein Verbrennungsmotor geplant ist, der sich aus Pellets von gemähtem Gras speist – weshalb ich dieses Projekt hier nicht weiter verfolgen werde.



Im Jahr 2007 beschäftigen sich bereits diverse Gruppen mit der Weiterentwicklung und Nutzung mikrobieller Brennstoffzellen. Forscher der Saint Louis University in Missouri um Shelly Minteer arbeiten beispielsweise an einer Bio-Brennstoffzelle für mobile Endgeräte, die Zucker in Energie umwandelt und zudem klein genug ist, um in Handys oder MP3-Playern eingesetzt werden zu können.

Das System, das bei Raumtemperatur funktioniert, bietet eine drei- bis vierfach längere Laufzeit als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien – und mit dem Prototypen, der etwa die Größe einer Briefmarke hat, betreiben die Wissenschaftler erfolgreich einen Taschenrechner und verwendeten ihn als Ladegerät für ein Mobiltelefon. Ein besonderer Vorteil der Bio-Brennstoffzelle ist, daß sie mit nahezu jeder Zuckerquelle betrieben werden kann, sei es Traubenzucker, kohlensäurehältige Getränke, gesüßte Limonade oder Baumsaft. Geldgeber für die Studien ist das US-Verteidigungsministerium.

Bereits 2005 hatte Minteer gemeinsam mit Kollegen von der Washington University in St. Louis eine aufwärts strömende mikrobielle Brennstoffzelle  entwickelt (Upflow Microbial Fuel Cell, UMFC), um Strom zu erzeugen, während gleichzeitig Abwasser behandelt wird. Während eines fünfmonatigen Testzeitraums, in dem als Elektronendonor eine Saccharoselösung ,zugefüttert’ wird, erzeugt die UMFC kontinuierlich Strom mit einer maximalen Leistungsdichte von 170 mW/m2. Um diese zu erzielen wird allerdings ein künstlicher Elektronenmediator namens Hexacyanoferrat in die Kathodenkammer eingeführt. Mehr zu den Abwasser-Systemen gibt es weiter unten.


Auch der japanische Elektronikkonzern Firma Sony stellt einen Brennstoffzellen-Prototypen vor, der auf Zuckerbasis läuft und 50 Milliwatt Strom erzeugt, wodurch vier zusammengeschlossene Zellen genügend Energie lieferen, um einen MP3-Player zu betreiben. Eine neu entwickelte Kathodenstruktur sorgt dafür, daß das System mit ausreichend Sauerstoff versorgt und gleichzeitig die notwendige Menge Wasser beibehalten wird. Das vergleichsweise hohe Energielevel wird durch einen optimierten Elektrolyten erreicht.


Eine Gruppe von Studenten des Massachusetts Institute of Technology (MIT) entwickelt 2007 wiederum eine MFC, das ausschließlich mit Pflanzenabfällen läuft. Der BioVolt genannte Prototyp verwendet Zellulose-fressende Bakterien, wobei die größte Herausforderung für die Studenten ist, eine billiges und doch effizientes Gerät für den Einsatz in Entwicklungsländern zu entwickeln, was teilweise durch den Einsatz eines Nicht-Platin-Katalysators gelingt.

Dem Team zufolge sollen sich die Kosten auf nur 2 $ belaufen – wobei das Gerät aber rund sechs Monate brauchen würde, um einen Handy-Akku vollständig aufzuladen, was nicht gerade eine praktische Lösung darstellt. Eine Verbesserung des Katalysators könne die Geschwindigkeit allerdings ums 100-fache steigern. Für die Herstellung des ersten Prototyps gewinnt das MIT-Team einen Preis des von Dow-Chemicals gesponserten MADMEC-Wettbewerb.


Im Rahmen einer Kooperation mit der Brauerei Fosters schließt die University of Queensland in Australien den Bau eines MFC-Prototyps ab, der Brauereiabwasser in Kohlendioxid, sauberem Wasser und Elektrizität umwandelt. Sollte sich der 10 Liter Prototyp bewähren, ist geplant eine Version mit einem Volumen von 660 Gallonen zu errichten, die schätzungsweise 2 kW Leistung erzeugen wird, wobei der Produktion von sauberem Wasser noch größte Bedeutung beigemessen wird. Und man dann auch kaum mehr von MEH sprechen kann.


Vier afrikanische Studenten, die sich 2007 bei dem ,How to Create Things & Have Them Matter’-Kurs von David Edwards an der Harvard University in Cambridge treffen, gründen eine Initiative um Licht nach Afrika zu bringen – unter Verwendung einer Erfindung, die auch als Dirt Power bekannt wird. Gemeinsam mit weiteren Kommilitonen entwickelt das Team unter der Leitung von Hugo Van Vuuren eine kostengünstige Batterie für den Einsatz in Afrika südlich der Sahara, wo mehr als 500 Millionen Menschen ohne Strom leben.

Grundlage scheint eine MFC zu sein, die um 2006 herum von Prof. Peter R. Girguis gestaltet worden war, einem Experten für Organismische und Evolutionäre Biologie der Harvard University. Dieser hatte eine ,lebende Batterie’ erforscht, die am Boden des Pazifischen Ozeans durch Mikroben betrieben wird, die in der Nähe von hydrothermalen Quellen leben. Indem sich die Mikroben von schädlichen Chemikalien ernähren, die aus dem Meeresboden aufsteigen, schaffen sie elektrische Ströme, welche durch die Wände der kaminähnlichen Strukturen fließen, die sie bewohnen.

Guirguis, der auch noch 2012 an dem Thema dran ist und den Strom inzwischen durch die Implantation einer Elektrode an der Seite eines Unterwasser-Kamins im 2.200 m Tiefe an der pazifischen Nordwestküste gemessen hat, hofft diese Energie erschließen zu können, um am Meeresboden Sensoren zu betreiben. Zwar sei die Menge der von den Mikroben produzierte Energie eher bescheiden, dafür aber von Dauer.

Mikrobielle Brennstoffzellenbatterie von Lebônê

MFC von Lebônê

In einem Pilotprojekt der Initiative Lebônê Solutions, einer Ausgründung des Harvard-Teams, werden die mikrobiellen Brennstoffzellen, die ausschließlich mit Bodenbakterien betrieben wird und genügend Strom für LED-Leuchten und das Laden von Handy-Batterien produziert, im Jahr 2008 Dorfbewohnern in Tansania zur Verfügung gestellt – der Heimat von Teammitglied Steven Lwendo. Das Wort Lebônê bedeutet im übrigen ,Lichtstab’ in der Sprache Sesotho, die im südlichen Afrika gesprochen wird.

Die Billig-MFC besteht aus einem 5-Gallonen-Plastikeimer, einer Anode aus Graphit-Stoff, einer Hühnerdraht-Kathode, mit Gülle vermischtem Schlamm, einer Sandschicht als Ionen-Barriere sowie Salzwasser als Elektrolyt. Das mit einem kleinen elektronischen Power-Management-Board verbundene System ist für Entwicklungsländer ideal, da die MFCs billig zu produzieren, einfach aufgebaut und umweltfreundlich sind.

Im Juni 2009 startet ein weiteres Pilotprojekt in Namibia, das von der Lighting Africa Initiative der Weltbank mit 200.000 $ gefördert wird. Hier werden 100 MFCs im Boden eingegraben und dort bewässert, um mehrere Monate lang Strom an zehn Haushalte zu liefern, die keinen Zugang zum Elektrizitätsnetz haben. Die Zellen sind aus kleinen Segeltuchtaschen gefertigt, die für erhöhte Spannung miteinander verknüpft werden können. Das US-Magazin Popular Mechanics wählt die Lebônê-MFC daraufhin als eine der 10. brillantesten Innovationen des Jahres 2009.

Und da es nach einiger Zeit weitere 100.000 $ von der Gates Foundation gibt, ann das Team umfangreiche Laboruntersuchungen durchführen und einen dritten Feldtest in Uganda vorbereiten, der im Sommer 2012 beginnen soll. Die Zellen produzieren derweil 75 – 400 µW Leistung und haben 0,4 – 0,8 V, weshalb ein Computer-Chip integriert werden muß, um die Spannung auf die 4 V zu steigern, die das Laden eines Handys erfordert, und der zwischen 2 $ und 7 $ kostet.


Solche Boden-basierten mikrobiellen Brennstoffzellen dürfen übrigens nicht mit den sogenannten Erd-Batterien verwechselt werden, die ihren Strom durch die galvanische Reaktion von zwei unterschiedlichen Metallen erzeugen (s.d.).


Von Mitarbeitern der Middlesex University in Hendon, im Norden von London, wird 2007 für Unterrichtszwecke ein von Schlamm betriebener Wecker geschaffen, der bald darauf in verschiedenen Onlineshops zu Preisen von rund 10 £ angeboten wird.

Das Kit enthält eine Digitaluhr mit Leitungen, Blumentöpfe, Zink und Kupfer-Streifen, einen Schraubenzieher, Drahtverbindungen sowie detaillierte Anweisungen. Es soll Kinder dazu ermutigen über die Umweltfragen nachzudenken, während sie gleichzeitig ein wenig Chemie lernen.

Schlamm-betriebene Soil Lamp

Soil Lamp


Eine sehr ästhetische Umsetzung desselben Konzepts stellt die dänischen Designerin Marieke Staps im April 2008 auf der Ausstellung Milan Design Week vor. Ihre LED-Tischleuchte Soil Lamp wird ausschließlich mit der Elektrizität des biologischen Lebens innerhalb des Schlammes betrieben, welcher in den Sockel gefüllt wird.

Der Strom wird mittels einer Kupfer- und einer Zinkelektrode abgegriffen, und als einziger ‚Betriebsstoff’ muß dem Schlamm von Zeit zu Zeit etwas Wasser hinzugefügt werden.


Die Idee kommt ein weiteres mal im September 2009 in die Presse, als von Marjolein Helder und David Strik die niederländische Firma Plant-e B.V.  gegründet wird, ein Spin-off der Universität Wageningen, das Strom aus lebenden Pflanzen verwenden will, um Handys aufzuladen und Wi-Fi-Hotspots zu versorgen. Für Veranstaltungen und Präsentation entwickelt die Firma die erste ,Ökostromwand’, mit der ein Mobiltelefon geladen wird und die auch schnell den Spitznamen Wall-E bekommt.

Das von Bert Hamelers konzipierte und seitens der Environmental Technology Group der Universität 2007 entwickelte und patentierte System, dessen erste Tests von David Strik durchgeführt werden, ist die Grundlage des nun Plant-e genannten Produkts, das darauf basiert, daß ein großer Teil der von Pflanzen via Photosynthese erzeugten organischen Stoffe, die nicht für das Pflanzenwachstum selbst verwendet werden, über die Wurzeln in den Boden ausgeschieden werden. Die dort lebenden Mikroorganismen brechen die organischen Verbindungen auf um Energie zu gewinnen, wobei als Abfallprodukt Elektronen freigesetzt werden.

Durch die Bereitstellung einer Elektrode für die Mikroorganismen können diese Elektronen als nicht unbeträchtliche Menge Strom geerntet werden, und dies, ohne daß die Pflanze dabei in irgendeiner Weise beeinträchtigt wird. Derzeit werden nur 0,4 W pro Quadratmeter erzeugt, doch Berechnungen zufolge sollte es möglich sein, in Nordwesteuropa mit einem optimierten System 3,2 W/m2 zu produzieren – was bedeutet, daß sich mit 100 m2 bis zu 2.800 kWh/Jahr bereitstellen ließen.

Von 2009 bis 2012 werden die Pflanzen-MFCs durch ein multidisziplinäres Team in einem europäischen Forschungsprojekt (RP7) namens PlantPower erforscht – wobei etwas überraschend ist, daß auf der Projektseite zu lesen ist, daß dieses Projekt zum Spin-off der Firma Plant-e geführt habe.

Im Jahr 2012 wird als Proof-of-Concept auf dem Nederlands Instituut voor Ecologie (NIOO-KNAW) die erste stromerzeugende Dachbegrünung installiert. Marjolein Helder forscht derweil an der Universität Wageningen weiter an MFCs. Wie im Novemberbekannt wird, als Helder ihre Doktorarbeit verteidigt, konzentriert sich das Team nun auf Feuchtgebiete, die schätzungsweise etwa 6 % der Erdoberfläche ausmachen.

Eine im März 2013 gestartete Crowdfunding-Kampagne, bei der 100.000 € eingesammelt werden sollen, scheitert allerdings, da nur weniger als die Hälfte des erhofften Betrags zusammenkommt. Dafür kann das Unternehmen, in dessen Besitz sich das Patent inzwischen befindet, bereits im Mai mitteilen, daß die niederländische Provinz Friesland in die Weiterentwicklung der Plant-e-Technologie investieren wird. Zusammen mit der Wasserbehörde Rijn&Ijssel soll nun an Prototypen für Anwendungen im großen Maßstab gearbeitet werden. Im Juli wird auch die niederländische Provinz Gelderland zum Investor – was bei diesem Namen bestimmt ein gutes Omen ist.

Die ersten Produkte werden im Februar 2014 in einer limitierten Auflage von 20 Systemen angeboten. Es sind vier Systeme von jeweils 100 m2 und heißen Plant-e Mobile, Plant-e Hotspot, Plant-e Dach und Plant-e Kreisverkehr. Bereits im März wird das erste System an die Het Rijksvastgoedbedrijf (RVB) verkauft, eine niederländische Regierungsorganisation für Immobilien, um auf den Hembrug-Gelände in Zaandam installiert zu werden. Im April wird ein zweites Plant-e-System von den Gemeinden Ede und Wageningen gekauft, dessen Installation auf dem Food Innovation Strip erfolgt, der die beiden verbindet. Beide Anlagen werden im November eröffnet, wobei das letztere System vorerst die Lichter in einer Sicherheitsbarriere betreibt.

Im Oktober stellt die Firma eine neue Do-It-Yourself-Box für Workshops und Schulen vor, mit welcher Experimente mit der Plant-e-Technologie durchgeführt und Erfahrungen gesammelt werden können. Die Box enthält Materialien für 25 Pflanzen-Batterien und kostet 742,98 €. Ein DIY-zu-Hause-Paket mit Material für fünf Batterien wird mit 179,99 € berechnet, jeweils exklusiv der Pflanzen.

Im Januar 2015 scheitert auch eine Kickstarter-Kampagne, als von 88 Interessenten nur 6.923 € eingezahlt werden, was weit von den anvisierten 25.000 € entfernt ist. Dafür kauft die Stadtteilentwicklunggesellschaft Kerckebosch im März das dritte Plant-e-System, das auf dem Dach und an der Wand des Christian College Zeist (CCZ) plaziert und Strom für einen W-LAN-Hotspot erzeugen soll.

E-Kaia

E-Kaia

Im August wird Plant-e zudem durch das Weltwirtschaftsforum als einer der weltweit 49 vielversprechendsten Technologie-Pioniere ausgezeichnet. Außerdem wird gemeldet, daß nun auch die Provinz Zuid-Holland und der Wasserverband Delfland in einen Feldversuch investieren werden, bei dem Ende September entlang der N470 in Südholland das erste Plant-e-Röhrensystem installiert wird. Dieses ist für die großtechnische Stromerzeugung mit Pflanzen in feuchten Naturgebieten wie Mooren, Mangrovenwäldern, Reisfeldern und Deltagebieten entwickelt worden und soll bis 2017/2018 seine Marktreife erreichen.


Ebenfalls im Jahr 2009 entwickeln drei chilenische Studentinnen Evelyn Aravena, Camila Rupcich und Carolina Guerrero an der Duoc UC in Valparaíso und der Andrés Bello National University den ersten Prototyen ihres E-Kaia, eines USB-Ladegeräts, das indirekt die Sonnenenergie nutzt, aber dennoch Tag und Nacht Strom liefern kann, indem es in der Nähe von Pflanzen in die Blumenerde gesteckt wird. Aufgrund der konstanten Stromproduktion kann es nicht nur Smartphones laden, sondern auch eine Lampe mit Energie versorgen.

Nach Angaben der Entwicklerinnen benötigt der E-Kaia mit seinem Output von bis zu 5 V bei etwa 600 µA lediglich anderthalb Stunden, um ein Smartphone vollständig zu laden.

Nachdem die drei durch die Chilean Economic Development Agency finanziell gefördert werden, können sie das Produkt bis zur Marktreife bringen, das nun im Laufe des Jahres 2015 auf den Markt kommen soll, was sich bislang aber nicht bestätigen ließ.


Im August 2011 zeigt der Cambridge-Doktorand Paolo Bombelli in Zusammenarbeit mit den Designern Alex Treiber und Carlos Peralta auf der Ausstellung London Design Week, wie die nächste Generation der biophotovoltaischen Umsetzungen aussehen könnten. Am bekanntesten werden sie mit einer von Moos betriebenen Lampe, die in einen Beistelltisch integriert ist.

Der Tisch ist Teil des Forschungsprojekts Design in Science, in dessen Rahmen die Möglichkeiten der Verschmelzung von Design und Wissenschaft geprüft werden.

Moss FM

Moss FM

Auch ein Offshore-Kraftwerk, das pro Quadratmeter 5 – 6 W erzeugen kann, erregt beträchtliches Interesse. Die BPV-Anlage bestehend aus einer Vielzahl mit Algen beschichteten, schwimmenden Platten, die letzendliech wie gigantische Seerosenblätter aussehen. Nach Angaben der Designer würde dieses Kraftwerk auch während der Nacht Energie erzeugen, als Folge der überschüssigen Elektronen innerhalb der Algenzellen, die während der Tagesstunden gespeichert wurden.

Weitere Ideen, die das Team vorstellt, umfassen für den Hausgebrauch bestimmte BPV-Paneele sowie Solarmasten, die wie vertikale Türme mit Algen bedeckt sind.

Die Solarzelle auf Bio-Basis, die manchmal auch Photo-Microbial Fuel Cell genannt wird, geht ab 2013 in Form eines eines Bildungs-Baukastens für Schulen am Hills Road Sixth Form College in die Erprobung. Als nächste Stufe wollen sich die Wissenschaftler mit der breiten Palette der möglichen kommerziellen und praktischen Anwendungen beschäftigen. Mehr zu den biologischen Solarzellen findet sich im Kapitel Sonnenenergie (s.d.).

Im Februar 2014 zeigt das Cambridge-Team dann das erste von Pflanzen betriebene Radio der Welt, das unter dem Namen Moss FM in Zusammenarbeit mit der Schweizer Designerin Fabienne Felder konstruiert worden ist. Das Team hofft, daß es in weniger als fünf bis zehn Jahren gelingt, die Technologie auch wirtschaftlich lebensfähig zu machen.

Nomadic Plants

Nomadic Plants


Bereits im März 2012 erscheint in den Blogs ein etwas befremdliches, aber dennoch interessantes Design, das auch auf Pflanzen-MFCs aufbaut – sowie auf der Laufmechanik der bekannten Strandbeests des holländischen Künstlers Theo Jansen, die ich im Kapitelteil Wind und Kunst beschreibe (s.d.).

Unter dem treffenden Namen Nomadic Plants stellt der Designer Gilberto Esparza aus Aguascalientes in Mexico einen autonomen ,begrünten’ Roboter vor, der eine MFC nutzt, um die Energie von verschmutztem Wasser für seine Bewegung einzusetzen.

Der Roboter schafft eine auf Gegenseitigkeit beruhende zwischen der Mechanik, Vegetation und Mikroorganismen, bei der letztere regelmäßig das verunreinigte Wasser ,genießen’ dürfen und dafür wiederum die Energie für die Betriebsabläufe des Roboters erzeugen, wie z.B. das selbständige gießen seiner Grünfläche.


Wie überaus ästhetisch eine moderne Umsetzung der Technologie aussehen kann, belegt der Prototyp eine biophotovoltaischen Paneels, das seine Energie aus Bakterien im Boden bezieht und im Februar 2014 in den Blogs kursiert.

Das auf dem Campus des nahe Barcelona gelegenen Valldaura Self Sufficient Lab, einem Institut für fortschrittliche Architektur in Katalonien, installierte Paneel ist 2 x 2 m groß, 10 cm dick und aus mit Epoxidharz beschichtetem Polystyrol hergestellt, das zur Erhöhung der Steifigkeit mit Holz verkleidet ist. Dabei wird ein Voronoi-Muster in drei verschiedenen, jeweils unterschiedlich großen Ebenen gewählt: einer ersten und großen, die dem Stück seine Steifigkeit gibt, eine zweite, die in die verschiedenen Batteriegruppen aufgeteilt ist, sowie eine dritte und kleinste, welche die Batteriezellen enthält.

Diese betreiben wiederum einen Arduino-Mikrocontroller, der die Sensoren für die Datenaufnahme sowie die Bewässerungspumpe steuert. Entwickelt und hergestellt wird das energieerzeugende Paneel von Marios Mouzakopoulos, Pablo Marcet, Ashwini Mani und Akanksha Kargwal.

PlantLamp

PlantLamp


Im November 2015 präsentiert ein Team von Lehrern und Studenten der Universidad de Ingeniería y Tecnología (UTEC) in Peru eine Kombination aus Pflanze und LED-Lampe, die den pragmatischen Namen PlantLamp trägt (Plantalámpara).

Die sich selbst mit Strom versorgende Leuchte greift auf die Elektronen zurück, die freigesetzt werden, wenn Geobacter-Bakterien in der Erde auf von den Pflanzen ausgesonderte Nährstoffe treffen. Als Elektronen setzen die Wissenschaftler ein im Pflanzenkasten integriertes Netz ein, das mit einer Batterie verbunden ist, die mit der so gewonnenen Energie geladen wird und ihrerseits einer starke LED-Lampe betreibt.

Das Team um Prof. Elmer Ramirez verteilt zehn Prototypen der neuartigen Pflanzen-Lampe in der Regenwaldsiedlung Nuevo Saposoa, wo die Menschen von der außergewöhnlichen LED-Lampe ziemlich angetan sind, die immerhin zwei Stunden Licht pro Tag abgibt.


Daß sich symbiotische Bakterien auch in einem erdlosen Medium einsetzen lassen, um Strom zu produzieren, zeigt die russische Designerin Elena Mitrofanova am Institute for Advanced Architecture in Katalonien, die dabei mit Paolo Bombelli von der University of Cambridge zusammenarbeitet.

Der Entwurf Moss Voltaics besteht aus modularen und aneinander montierbaren Ton-Ziegeln, in deren Hohlräumen sich als Substrat wasserabsorbierende Hydrogele und leitfähige Kohlenstoff-Fasern befinden, die im wesentlichen als Anoden dieses Moos-basierten Energieerzeugungssystems fungieren. Die Kunststeine selbst bilden eine schützende Hülle für das Moos, beschatten es vor dem Sonnenlicht und ermöglichen ein  gedeihliches, feuchtes Mikroklima. Und Moss wurde gewählt, weil es besonders robust ist, wenig Wasser benötigt und auch in nördlichen Klimazonen gut wächst.

Das skalierbare System, dessen einzelne Elemente 0,4 – 0,5 V liefern, kann entweder parallel oder in Reihe geschaltet und an Fassaden von Gebäuden installiert werden. Mit einem Aufbau aus 16 Modulen werden bislang zwar nur 3 W erzeugt, doch dies soll mit Hilfe künftiger Technologien gesteigert werden.


Doch auch die wissenschaftlichen und kommerziellen Entwicklungen gehen weiter:

Unter den ersten, die sich mit Mikroben zur Stromgewinnung beschäftigen, ist Prof. Bruce E. Logan von der Pennsylvania State University (PSU). Bereits im März 2004 kann er einen Stromgenerator zeigen, der seine Energie ausschließlich aus Abwasser bezieht. Da das Gerät dabei auch noch schädliche organische Materie zerlegt, macht es gleichzeitig den Job einer Kläranlage. Es handelt sich um die erste MFC, die zur Stromerzeugung speziell menschliche Abfälle verarbeiten soll – frühere Entwürfe liefen nur mit Glukose-Lösungen (s.u. Flüssigkeiten).

Die MFC, die mit einer Unterstützung der National Science Foundation in Höhe von 87.000 $ entwickelt wurde, besteht aus einer abgedichteten, 15 cm langen Dose mit knapp 6,5 cm Durchmesser. Im Inneren befinden sich ein zentraler Kathodenstab, der von einer Protonenaustauschmembran (PEM) umgeben ist, die nur für Protonen durchlässig ist, sowie acht um die Kathode herum angeordnete Graphitanoden.

Logan-MFC

Logan-MFC

Die Bakterien gruppieren sich um die Anoden und zersetzen die organischen Abfälle, die hineingepumpt werden, wobei Elektronen und Protonen freigesetzt werden. Ohne Sauerstoff, der die Elektronen aufnehmen würde, werden diese von den Enzymen der Bakterien an die Anoden übergeben, während die Protonen – durch polarisierte Moleküle auf der PEM dazu veranlaßt – zur zentralen Kathode wandern, wo sie sich mit Sauerstoff aus der Luft zu Wasser verbinden.

Es ist diese Übertragung von Elektronen an den Elektroden, welche die Spannung zwischen diesen aufbaut, so daß die Zelle einen externen Schaltkreis anzutreiben vermag. Logan berichtet, daß die Brennstoffzelle bis zu 78 % des organischen Materials aus dem Wasser entfernt und dabei zwischen 10 und 50 mW Leistung pro Quadratmeter Elektrodenoberfläche erzeugt. Später produziert die Zelle sogar bis zu 200 mW pro Quadratmeter, genug, um eine kleine Glühbirne mit Strom zu versorgen.

Später scheint der Wissenschaftler von der Ein-Kammer-Konstruktion aber wieder abzukommen. So ist im April 2009 zu erfahren, daß er sich inzwischen mit einzelligen Mikroorganismen namens Archaeen (o. Archaebakterien) beschäftigt, die durch kleine Stromstöße dazu angehalten werden, CO2 aus der Luft aufzunehmen und in Methan umzuwandeln, welches sie dann in Form winziger ,Fürze’ wieder freigegeben. Besonders bemerkenswert ist dabei die hohe Effizienz der Methanobacterium palustre Mikroben von etwa 80 % bei der Umwandlung von Strom zu Methan.

Die Elektromethanogenese, bei der die methanogenen Archaeen Kohlendioxid zu Methan reduzieren, geschieht bei einem festgelegten Potential von weniger als - 0,7 V (gegen Ag/AgCl) in einem elektrochemischen Zweikammer-Reaktor, der eine abiotische Anode und eine Biokathode enthält, jedoch keine Edelmetallkatalysatoren. Der Prozeß benötigt nur sehr wenig Strom, sodaß er auch durch Photovoltaik-Energie angetrieben werden könnte.

Mit einem Dreikammer-Reaktor gelingt es zudem, aus Brackwasser oder Meerwasser bis zu 90 % des Salzes zu entfernen – und dies ohne Verbrauch, sondern während der Erzeugung von Strom.

Die mit Unterstützung der National Science Foundation gemachte Innovation wird 2009 zum Patent angemeldet (US-Nr. 20090317882), wobei als Erfinder neben Prof. Logan auch noch Shaoan Cheng genannt wird. Eine ähnliche Anmeldung stammt aus dem Jahr 2011 (US-Nr. 20110281333). Hier werden Prof. Paul W. Brown und Wendy E. Brown als Erfinder benannt.

Im April 2012 folgt die Meldung, daß die innovative Technologie nun in die Praxis umgesetzt werden soll, indem gemeinsam mit Kollegen der Stanford University ein CO2-zu-Methan-Bioreaktor konzipiert wird. Hierfür wird an der Gestaltung fortschrittlicher Kathoden-Technologien gearbeitet, die das Wachstum von Methanbakterien fördern und die Methanproduktion maximieren. Zudem werden auch neue Materialien für Elektroden untersucht, einschließlich eines Kohlenstoff-Gittergewebes, das den Bedarf an Platin und anderen Edelmetallkatalysatoren obsolet machen könnte.


Forscher der Oregon State University (OSU) unter der Leitung von Prof. Hong Liu entwickeln ihrerseits 2007 eine neue MFC mit Luftkathode, die 10-mal mehr Energie produziert als dies bisher möglich war. Dem Team gelingt es, 1.500 W pro Kubikmeter Reaktorvolumen zu erzeugen.

Über die weiteren Schritte wird hier im Juli 2010 berichtet, als die Ingenieure der OSU feststellen, daß sich die Stromproduktion aus Abwasser durch Beschichten der MFC-Graphitanoden mit einer Nanopartikel-Goldschicht über 20 Mal erhöhen läßt. Auch die Beschichtung mit Palladium erzeugt eine Erhöhung, die aber nicht annähernd so hoch ist. Die Forscher glauben, daß auch viel billigere Nanopartikel-Beschichtungen mit Eisen eine ähnlich starke Zunahmen bewirken wie bei Gold, zumindest für einige Arten von Bakterien.

Im Juli 2012 erfolgt die Meldung von einem weiteren Durchbruch: Mithilfe eines veränderten Anoden-Kathoden-Abstands, effektiverer Mikroben sowie neuen Trennmaterialien liefert die MFC jetzt mehr als 2 kW Leistung pro Kubikmeter flüssigen Materials, was laut OSU bis zu 100 Mal mehr ist, als bisher mit mikrobiellen Brennstoffzellen erreicht wurde. Nun werden Geldgeber und Partner für ein Pilotprojekt gesucht.


Die 2007 gegründete israelische Biotechnikfirma Emefcy Ltd. mit Sitz in Caesarea entwickelt einen neuartigen Prozeß, der Wasserwerken dabei helfen soll, in ihren Kläranlagen deutlich weniger Energie zu verbrauchen. Das Megawatter genannte Verfahren verwendet eine herkömmliche MFC-Technologie, die zu einem sogenannten Electrogenic Bioreaktor ausgebaut wird.

Ein biogenischer Reaktor besteht aus zwei Bereichen: In einem befindet viel Abwasser, aber keine Umgebungsluft, im anderen dafür nur Luft und kein Abwasser. Beide Bereiche sind durch eine Membranwand aus Polyethylen-Kunststoff getrennt – dafür aber durch eine elektrisch leitende Oberfläche miteinander verbunden, auf der die Bakterien wachsen.

Während die Mikroorganismen – in erster Linie Shewanella oneidensis und Geobacter sulfurreducens – die Nährstoffe im Abwasser verarbeiten, erzeugen sie Elektronen, die zum Sauerstoff in der Luft drängen und dabei über Elektroden abgeführt werden. Um den Prozeß zu erleichtern, entwickelt Emefcy ein Nanodrahtmaterial, das sich auf der Oberfläche der Bakterien ansiedelt, die somit selbst leitfähig werden.

Die Firma will nun zeigen, daß die Idee umsetzbar ist. Durch eine 2011 durchgeführte Finanzierungsrunde, bei der die Risikokapitalfirma Energy Technology Ventures (ETV) einsteigt, die dem Elektrokonzern GE und den Energieriesen NRG Energy und ConocoPhillips gehört, kann Emefcy die Hochskalierung des Verfahrens abschließen. Das einzelne Modul, das etwa der Größe von einem Kubikmeter hat, soll pro Tag bis zu 3 m3 Abwasser behandeln können, in Abhängigkeit von der vorhandenen Menge an organischem Material. Über die erwartete Strommenge ist jedoch nichts zu erfahren.

In Israel wird eine Demonstrationsanlage gebaut, die Anfang 2013 auf 16 Module erweitert werden soll. Details über die tatsächliche Leistung oder Wirtschaftlichkeit dieser Module werden aber nicht herausgerückt. Die Firma hofft, daß das skalierbare System kommerziell zu einem Preis von 4.000 - 5.000 $ pro Modul angeboten werden kann.

In der Brennstoffzellen-Industrie besteht allerdings große Skepsis gegenüber den Ansprüchen des Unternehmens, daß das System auch im kommerziellen Maßstab funktioniert. Dazu sei der Unterschied zwischen einem Demo-System mit künstlich kontaminiertem Wasser für Labortests und einer professionellen Anlage der realen Welt mit Tausenden Tonnen Abwasser, deren Zusammensetzung sich ständig ändert. Zudem wird davon ausgegangen, daß 80 % der Energie, die von den Mikroben erzeugt wird, während des Verfahrens verloren geht, da die Elektronen nicht die Elektroden erreichen.

Zhen He, ein Forscher an mikrobiellen Brennstoffzelle der University of Wisconsin-Milwaukee, weist in diesem Zusammenhang darauf hin, daß sich von den fast 4.000 Papieren, die bislang über MFCs veröffentlicht wurden, weniger als 2 % mit der Verarbeitung von Wassermengen größer als ein Liter befassen.

Dessen ungeachtet wird Emefcy auf dem CleanEquity-Forum in Monaco im März 2015 zum Gewinner der Auszeichnung für Spitzenleistungen im Bereich der Entwicklung von Umwelttechnologien – worauf die Firma sofort eine weitere Finanzierungsrunde ausruft. Tatsächliche Verkäufe kann die Firma aber noch immer nicht nachweisen.


Wie sich schwimmende Mikroorganismen einsetzen lassen, um winzige Zahnräder anzutreiben, berichten im Dezember 2009 Wissenschaftler des Argonne National Laboratory in Idaho Falls, die dabei mit ihren Kollegen der Northwestern University zusammenarbeiten.

Das Team um Projektleiter Igor Aronson bringt Bakterien der Gattung Bacillus subtilis dazu, im Kreis zu schwimmen und durch ihre Schwimmbewegungen mikroskopische kleine Zahnräder in Rotation zu versetzten. Die Zahnräder haben einen Durchmesser von 380 µm und sind um ein Millionenfaches schwerer als die Bakterien. Um die Räder in Bewegung zu setzen, bedarf es daher entsprechend großer Gruppen der Mikroorganismen.

Nachdem die Bakterien zunächst ziellos in der Lösung umher schwimmen, stoßen sie irgendwann mit den Zähnen der Rädchen zusammen und beginnen, diese zu zu drehen. Befinden sich in der Lösung mehrere Zahnräder, deren Zähne ineinandergreifen, werden auch dieses Getriebe von den Bakterien in Bewegung versetzt.

Über den Gehalt von Sauerstoff und Stickstoff in der Flüssigkeit gelingt es zudem, die Geschwindigkeit des Biomotors zu regulieren oder ihn anzuhalten. Die Bakterien bewegen sich umso schneller, je höher der Sauerstoffgehalt ist. Wird hingegen Stickstoff in die Lösung geleitet, verlangsamt sich die Bewegung, bis sie schließlich zum Stillstand kommt, wenn kein Sauerstoff mehr da ist.

Damit der Versuch funktioniert, erweisen sich zwei Bedingungen als entscheidend: die Zähne der Zahnräder dürfen die keine symmetrische Form haben, sondern ihre Kanten müssen verschieden lang sein – und die Konzentration der Bakterien in der Lösung muß hoch genug sein, damit sich diese zu einer kollektiven Schwimmbewegung zusammentun.


Im Februar 2010 beweist ein Forscherteam um Lars Peter Nielsen von der Universität Aarhus in Dänemark, daß bestimmte (nicht benannte) Bakterien eigene Ranken oder Nanodrähte wachsen lassen, sodaß man bald in der Lage sein könnte, eine riesige lebendige Batterie aus Bakterien zu bilden, die in Salzwasser gedeihen. Sobald es gelingt, den Mechanismus vollständig verstehen, könnte diese Batterien beispielsweise verwendet werden, um saubere Energie für Überwachungsbojen in den Ozeanen zu liefern.

Grundsätzlich werden Elektronen in Bakterienkolonien erzeugt, wenn organische Stoffe und Schwefelwasserstoff im Sediment an die Oberfläche transportiert werden, wo sie mit Sauerstoff reagieren. Tests zeigen allerdings, daß es eine viel engere Verbindung zwischen den Schichten von Bakterien gibt, als nur eine einfache molekulare Diffusion oder herkömmliche chemische Reaktionen.

Es stellt sich heraus, daß die Bakterien an der Oberfläche den Sauerstoff, während die Bakterien im Boden das Sediment verbrauchen, wobei ein Nanodraht-Netzwerk bestimmte Bakterien miteinander verbindet, damit dies alles funktioniert. Um diese Energie nutzen, könnte ein großes Netzwerk aus Graphitelektroden in den Meeresboden eingebettet werden, um die kleinen Ströme zu sammeln, die aus den Bakterien emittieren. Wie viel Energie sich mit dieser Methode tatsächlich erzeugen ließe, ist allerdings noch nicht bekannt. Es hat sich bislang auch nichts über eine Fortführung dieser Untersuchungen finden lassen.


Im April 2010 meldet die Presse, daß es Wissenschaftlern der Stanford University in Kalifornien in Zusammenarbeit mit Won Hyoung Ryu von der Yonsei University in Seoul, Südkorea, gelungen sei, Energie aus den photosynthetischen Prozessen in der einzelligen Grünalge Chlamydomonas zu sammeln, indem sie direkt auf die Elektronen-Ströme zugreifen,die  auf der zellulären Ebene erzeugt werden.

Die Photosynthese findet in den Chloroplasten der Pflanzenzellen statt, wo das Sonnenlicht in chemische Energie umgewandelt wird. Dabei werden energiereiche Elektronen frei – und als Nebenprodukte entstehen nur Protonen und Sauerstoff. Die Forscher entziehen der Alge nun die gesammelte Sonnenenergie, bevor die Pflanze sie nutzen kann, indem sie eine winzige Goldelektrode in die Chloroplasten einer Algenzelle einsetzen und diese mit einem Meßgerät verbinden. Um den Kreislauf zu schließen, wird eine weitere Goldelektrode in das Wachstumsmedium eingebracht.

Werden die Algen mit einer Halogenlampe beleuchtet, fangen die Goldelektroden bis zu 20 % der dabei frei werdenden Elektronen ab. Je nach Lichtintensität werden Energiewerte von 0,6 bis 6,0 Milliampere pro Quadratzentimeter gemessen. Bevor das Verfahren jedoch kommerziell nutzbar gemacht werden kann, gilt es insbesondere die Frage zu klärten, welchen Einfluß der Verlust der Elektronen auf die Lebenszeit der Zellen hat.

Auf jeden Fall ist das Ernten von Elektronen auf diese Weise wesentlich effizienter, als Biokraftstoffe zu verbrennen, da die meisten hierfür verarbeiteten Pflanzen nur etwa 3 - 6 % der verfügbaren Sonnenenergie speichern. Ryus Verfahren erreicht hingegen bereits jetzt schon eine Effizienz von etwa 20 % und könnte – zumindest theoretisch – eines Tages sogar bei 100 % landen. Die nächsten Schritte sind die Nutzung einer Pflanze mit größeren Chloroplasten für einen größeren Sammelbereich sowie eine größere Elektrode, die mehr Elektronen erfassen kann.

Biophotovoltaische Zelle Grafik

Biophotovoltaische Zelle
(Grafik)


Ebenfalls mit der Energiebeschaffung aus Algen beschäftigen sich ab 2010 die Professoren Chris Howe und Alison Smith von der University of Cambridge, die gemeinsam mit ihren Kollegeginnen Prof. Laurie Peter und Petra Cameron von der University of Bath an der Entwicklung einer biophotovoltaischen Zelle (biophotovoltaics, BPV) auf Basis von Algen und photosynthetischen Bakterien arbeiten. Hierzu bedienen sie sich der Abscheidung eines Films aus Photosynthesezellen auf einer transparenten leitfähigen Elektrode, die einer mit Platin-Nanopartikeln angereicherten Kohlenstoffkathode gegenübersteht.

Bei Sonneneinstrahlung beginnen die Algenzellen mit der Spaltung von Wasser und der Produktion von Sauerstoff, Elektronen und Protonen, wobei die Algenzellen sehr großzügig Elektronen erzeugen. In der Regel würden diese von den Algen verwendet werden, um Kohlendioxid in organische Verbindungen umwandeln. Statt dessen saugt das Gerät die Elektronen ab, um Strom zu generieren.

Das Team verwendet als konzeptionellen Beweis ein Gerät, das eine Uhr mit Strom versorgt. Die Effizienz der Wandlung von Sonnenlicht in Elektrizität beträgt zwar nur 0,1 %, soll aber durch die Untersuchung verschiedener Algenarten gesteigert werden, indem die produktivsten, Elektronen abgebenden Typen gefunden werden. Wirtschaftlich könnte die Angelegenheit trotzdem werden, denn Algenzellen können auf der See schwimmen und Strom aus Sonnenlicht und Meerwasser erzeugen, ohne dazu teure Landflächen zu benötigen.


Wie man sich ein praktisches Gerät vorstellen könnte, das Algen zur Energieerzeugung nutzt, zeigt auch der ungarische Industriedesigner Peter Horvath.

Das Konzept seiner Biolamp, das bereits im Januar 2011 in den Blogs erscheint, ist eine umweltfreundliche Straßenlaterne, die mit im Wasser schwimmenden Algen gefüllt ist und eine Pumpe zum Ansaugen des städtischen Smog besitzt. Aus diesem wird das CO2 in O2 umgewandelt, worauf der Sauerstoff wieder in die Atmosphäre abgegeben wird.

Wenn die Lampe mehr Biomasse hat als sie braucht, verwendet sie ein unterirdisches Rohrsystem, um diese zur nächsten Füllstation zu fördern, wo sie in einem Biokraftstoff umgewandelt werden kann. Das komplizierte System ist vermutlich nicht umsetzbar, kann aber gut als Anregung zur Entwicklung einiger Innovationen dienen.


Christopher Hurley
, ein auf Energiespeicher-Systeme spezialisierter Ingenieur der U.S. Army (CERDEC), gibt im August 2010 bekannt, daß das Verteidigungsministerium im Folgejahr Feldversuche mit selbstentwickelten enzymatischen Brennstoffzellen durchführen wird, die billig und ungiftig sind und mit der nicht brennbaren Kraftstoffquelle Zucker betrieben werden, welche bereits Teil der Lieferkette der Army ist. Die erste Zielanwendung ist es, eine saubere, erneuerbare Energiequelle für die Soldaten zur Verfügung zu stellen, um deren Last an Batterien zu verringern.

Auf der Power Sources Conference demonstriert Hurley eine Bio-Batterie, die mit einer elektronischen Vorrichtung verbunden ist, welche einen Mikroprozessor und eineLCD-Anzeige umfaßt und diese unter Verwendung von weniger als 20 ml Zuckerlösung für mehr als 10 Stunden versorgen kann. Allerdings läßt sich später nichts mehr über eine Weiterentwicklung dieser Zelle finden.


Wissenschaftler der University of Wisconsin-Milwaukee (UWM) um Prof. Junhong Chen berichten im Juli 2012, daß sie einen kostengünstigen Nanostäbchen-Katalysator identifiziert haben, dessen Effizienz der von Platin gleicht. Die mit Stickstoff angereicherten Eisen-Kohlenstoff-Nanostäbchen könnten zu billigen und wirkungsvollen MFCs führen, die ihre eigenen Wasserstoff aus Abwasser erzeugen.

Bisher besteht der Katalysator in der Regel aus Platin, das zwar gute Arbeit leistet, mit über 1.200 $ pro Unze (28,35 g) dafür aber auch extrem teuer ist. Außerdem ist Platin, wie viele andere Katalysatoren, anfällig für eine ,Vergiftung’ durch Verunreinigungen, welche die Oberfläche bedecken und teuren Ersatz erfordern.

Im Gegensatz dazu wird der Nanostäbchen-Katalysator der UWM von billigen, gängigen Elementen zusammengesetzt: Er besteht aus Stickstoff, der mit der Oberfläche eines Kohlenstoffstabes verbunden ist, welchen einen Kern aus Eisencarbid besitzt, eine Struktur, die sich optimal für den Elektronentransport eignet.

Auch nach mehr als drei Monaten des Testens zeigt der neue Katalysator eine konstante Leistung, die dem des Platins sogar überlegen ist und alle Indikatoren eines stabilen und skalierbaren Systems zeigt. Und da Platin 60 % der Kosten einer MFC ausmacht, sind die Einsparungen, die der neue UMW-Katalysator verspricht, der mit nur 5 % der Kosten eines Platinkatalysators zu Buche schlägt. Weshalb sich Chen und sein Team nun darauf konzentrieren, die genauen Eigenschaften des Katalysator zu studieren und für die Massenproduktion geeignet zu machen.


Im Mai 2013 berichten die Fachblogs über eine Entdeckung an der University of Georgia (UGA), wo es einem Forschertem um Prof. Ramaraja Ramasamy gelingt, die Photosynthese direkt zur Stromerzeugung zu nutzen. Immerhin sind Pflanzen die unangefochtenen Meister der Sonnenenergie, die nach Milliarden Jahren der Evolution in den meisten Fällen eine Quanteneffizienz von fast 100 % erreichen, was bedeutet, daß eine Pflanze für jedes Photon des eingefangenen Sonnenlichts die gleiche Anzahl von Elektronen erzeugt.

Versuch an der UGA

Versuch an der UGA

Die Wissenschaftler entwickeln einen Weg, um die Photosynthese zu unterbrechen, wodurch sie die Elektronen einfangen können, bevor die Pflanze diese nutzt um Zucker zu machen. Ihre Technologie beinhaltet, aus den Pflanzenzellen Strukturen herauzustrennen, die Thylakoide genannt werden und für die Erfassung und Speicherung der Energie aus dem Sonnenlicht verantwortlich sind. Anschließend manipulieren sie die in den Thylakoiden enthaltenen Proteine, um den Weg zu unterbrechen, entlang dem die Elektronen fließen.

Diese modifizierten Thylakoide werden dann auf einer speziell konstruierten Unterlage aus Kohlenstoff-Nanoröhren immobilisiert. Die Nanoröhrchen, zylindrische Strukturen, die fast 50.000 mal feiner sind als ein menschliches Haar, wirken als elektrischer Leiter, welche die Elektronen aus dem Pflanzenmaterial erfassen und in einem Draht weiterleiten.

Bereits im Laborexperiment wird mit dem neuen Ansatz ein elektrischer Strom erzielt, der um zwei Größenordnungen höher ist als alles, was zuvor über ähnliche Systemen berichtet wurde. Bis diese Technologie das Niveau der Kommerzialisierung erreicht, muß Ramasamy zufolge aber noch viel getan werden. Zu allererst geht es darum, die Stabilität und Leistung des Geräts zu verbessern.


Über weiterführende, wissenschaftliche Untersuchungen wird im Juli 2013 berichtet, als Sabine Sané, Doktorandin am Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg, auf der Basis ihrer Doktorarbeit ein Konzept entwickelt, einen Baumpilz für die Erzeugung von Strom einzusetzen – und dabei gleichzeitig Mikroschadstoffe im Abwasser abzubauen. Hierzu gehören u.a. Schwermetalle, synthetische organische Stoffe, Viren und Bakterien. Liegt deren Konzentration im Mikrogrammbereich pro Liter, spricht man von Mikroschadstoffen. Hinzu kommen Substanzen, die durch Kläranlagen nicht abgebaut werden, wie etwa Arzneimittelrückstände, Kontrastmittel oder Antibiotika aus der Massentierhaltung.

Abhilfe schaffen könnte Sané zufolge der Baum-Weißfäulepilz Trametes versicolor (Schmetterlingstramete), der vorwiegend auf Rotbuchen in Mitteleuropa wächst und das Enzym Laccase absondert, mit dem die Mikroschadstoffe oxidiert und damit in ihre Bestandteile zerlegt werden können. Als wirtschaftlich günstige Methode wird das ganze Pilzgemisch eingesetzt, wobei sich zeigt, daß der Pilz wie Schimmel auf dem Apfelsaft auch auf einer flüssigen Kultur wächst, wenn er nur seine Nährstoffe bekommt.

Zudem stellt Sané fest, daß sich mit dem selben Baumpilz auch die Leistung einer hybriden mikrobiell-enzymatischen Brennstoffzelle verbessern läßt. Für ihr Konzept erhält sie einen Preis der Huber Technology Stiftung 2014 zum Thema ,Ressourcen und Energie aus Wasser’.

 

Eine andere Form der Zwangsarbeit für Bakterien ist es, ihre Bewegungen zum Antreiben winziger Motoren zu nutzen, und so gibt es bereits mehrere Gruppen die versuchen, lebende Organismen in mikromechanische Bauelemente zu integrieren und Mikroroboter oder Mikrotransportsysteme zu realisieren.

Howard C. Berg von der Harvard University berichtet im Juli 2003 über die Fortbewegungsmethode begeißelter Bakterien wie Escherichia coli mittels rotierender dünner helikaler Filamente (s.u.), die jeweils an ihrer Basis durch einen reversiblen Drehmotor angetrieben werden, welcher wiederum durch einen Ionenfluß mit Energie versorgt wird.

Der einzelne Motor hat einen Durchmesser von etwa 45 nm und ist aus etwa 20 verschiedenen Teilen zusammengesetzt. Er entwickelt sein maximales Drehmoment im Stillstand, kann sich aber auch mit mehreren hundert Hz drehen. Die Drehrichtung wird dabei durch eine Sensorik gesteuert, die es den Zellen ermöglicht, sich in Regionen anzusammeln, die als günstiger erachtet werden.

Berg meint, daß man inzwischen zwar schon eine ganze Menge über Motorstruktur, Genetik, Zusammenstellung und Funktion weiß – aber noch nicht wirklich verstehen würde, wie das Ganze tatsächlich funktioniert.

Trotzdem kann der Wissenschaftler gemeinsam mit N. Darnton et al. von der Brown University in Providence, Rhode Island, schon 2004 zeigen, wie eine bakterielle Fest/Flüssig-Schnittstelle zu konstruieren ist, aus der sich Pumpen oder Mischer für mikrofluidische Systeme bauen lassen. Dabei werden Kolonien des Bakteriums Serratia marcescens auf einer festen Oberfläche aus Polydimethylsiloxan (= Silikonkautschuk o. Silikonharz) oder Polystyrol (Polystyren) angesiedelt, sodaß die Zellkörper eine dicht gepackte Monoschicht bilden (Bakterienteppich), während sich ihre Flagellen weiterhin frei drehen können.

Bei den Flagellen (o. Geißeln) handelt es sich um nicht aktiv verformbare fadenförmige Proteinstrukturen auf der Oberfläche einzelner Zellen, die durch Rotation peitschenartig bewegt werden und hauptsächlich der Fortbewegung dienen, aber auch Nahrungspartikel Herbeistrudeln oder die Zelle am Substrat verankern können. Einzeller mit Geißeln werden Flagellaten (o. Geißeltierchen, Geißelalgen) genannt und verfügen über eine einzige Flagelle – bis hin zu Tausenden davon.

Die mit Tracer-Perlen sichtbar gemachte Bewegung der Flüssigkeit nahe einer bakteriell belebten ebenen Fläche erweist sich als sehr viel stärker als die weiter entfernte Bewegung. Zudem zeigen die Tracer-Perlen komplexe, sich ständig ändernde Strömungsmuster, einige davon linear (Flüsse), andere rotativ (Whirlpools), die aber auch für mehrere Minuten einigermaßen stabil bleiben können. Durch eine verbesserte Koordinierung hofft man nun, größere und längerfristige Effekte produzieren zu können.

Gerade zum Zeitpunkt der aktuellen Updates im März 2016 erscheint ein Bericht von Forschern des Imperial College London um Morgan Beeby und weiteren Kollegen aus verschiedenen US-Universitäten, denen es mittels einer 3D-Kryoelektronentomographie genannten Technik erstmals gelungen ist, hochauflösende Bilder von den biologischen Motoren und ihrer Funktion zu machen.

Die Abbildungen zeigen, daß verschiedene Bakterien auch ziemlich verschiedene und auch unterschiedlich große Motoren haben, obwohl sie alle eine Reihe fester Ringe an ihrer Basis besitzen – dem Äquivalent eines Stators. Dieser feste Abschnitt ermöglicht es ihnen, einen Drehmoment zu erzeugen, der es dem propellerartigen Schwanz wiederum erlaubt, das Bakterium nach vorne zu treiben.


In einer Veröffentlichung vom Juli 2005 präsentieren Douglas B. Weibel et al. an der Harvard University den Prototyp eines Mikrotransportsystems, bei dem Einzeller der Alge Chlamydomonas reinhardtii als Mikro-Transporter oder ,Mikro-Ochsen’ dienen, um an ihnen befestigte Mikroobjekte mittels ihrer Geißeln durch einen Kanal aus Polydimethylsiloxan in Richtung einer Lichtquelle zu bewegen. Dabei wird Oberflächenchemie verwendet, um an den Zellen Lasten in Form von 1 - 6 µm durchmessenden Polystyrolkügelchen zu befestigen, Phototaxis, um die schwimmenden Zellen zu steuern, und Photochemie um die Lasten wieder zu lösen.

Die beweglichen Mikroorganismen können Mikro-Lasten von 3 µm Durchmesser mit Geschwindigkeiten von etwa 100 - 200 µm/s über Entfernungen bis rund 20 cm transportieren. Die Forschung wird durch Zuschüsse aus dem Department of Energy und dem National Institutes of Health (NIH) unterstützt.


Der Aspekt der Biogefährdung durch gentechnisch veränderte Mikroorganismen, wenn sie außerhalb des Labors verwendet werden, wird im Rahmen eines Berichts vom Oktober 2005 thematisiert, in welchem Atsuko Uenoyama und Makoto Miyata von der Osaka City University über die erfolgreiche Herstellung gleitender ,Geister’ der Spezies Mycoplasma mobile berichten, die ihren Namen deshalb trägt, weil sie sich von allen Mycoplasma-Spezies, die als die kleinsten lebenden Einheiten überhaupt betrachtet werden, am schnellsten fortbewegt.

Das herstellen der Geister gelingt durch die teilweise Auflösung der Zellmembran unter Verwendung von Triton X-100, einem nichtionischen Tensid aus der Gruppe der Octylphenolethoxylate, das wissenschaftlich als Octoxinol 9 bekannt ist. Triton X-100 und Nonidet P40 sind die Markennamen dieser Substanz.

Diese Geister sind zwar nicht (mehr) lebendig, ihre Motoreinheiten aber noch aktiv, so daß sie mit einer ähnlichen Geschwindigkeit gleiten wie die intakten Zellen, wenn exogen Adenosintriphosphat (ATP) zugeführt wird. Dabei werden rund 85 % der Geister reaktiviert. Die japanischen Forscher betrachten solche Geister als vormontierte supramolekulare Motoreinheiten mit hervorragender Leistung, mit denen zudem das Problem einer potentiellen Biogefährdung umgangen wird. Die Reaktivierungsaktivität und die Hemmung durch verschiedenen Nukleotide und ATP-Analoga, sowie deren kinetische Parameter zeigen, daß die Maschine durch die Hydrolyse von ATP zu ADP und Phosphat angetrieben wird, die durch eine bislang unbekannte ATPase verursacht wird.


Im September 2006 berichten Forscher um Prof. Yuichi Hiratsuka am Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) über ihre Forschungen an dem Einzeller Mycoplasma mobile. Der Mikroorganismus hat einen birnenförmigen Zellkörper, ist etwa 1 µm lang und bewegt sich über Festkörperoberflächen kontinuierlich mit Geschwindigkeiten von bis zu 5,2 µm pro Sekunde.

Um einen aus Siliziumdioxid konstruierten, 20 µm großen Rotor auf einer Siliziumbahn in Drehung zu versetzen, wird ausgenutzt, daß die Bakterien dazu neigen, entlang lithographischer Mikrostrukturen – wie entlang am Fußende winziger Wände – zu gleiten. Dies macht es möglich Muster zu entwerfen, welche die Richtung ihrer Bewegung steuern.

Bakterien-Rotor

Bakterien-Rotor

Das zu drehende Rädchen des Mikromotors sitzt dabei mit kleinen Füßchen in dem darunter angelegten, kreisförmigen Siliziumkanal, und die sich darin vorwärts bewegenden Bakterien schieben die Füßchen dabei vor sich her. Damit die Einzeller ,zusammenarbeiten’, wird in den Kanälen ein spezielles Eiweiß integriert, auf das die Bakterien angewiesen sind. So gelingt es, daß sich 65,7 % aller Mycoplasma-Zellen in dieselbe Richtung bewegen und den Rotor damit in Drehung versetzen. Bei einem mutierten Strang desselben Lebewesens und mit einer speziellen Beschichtung der Konstruktion lassen sich sogar 84 % der mit Glukose gefütterten Arbeiter in die korrekte Richtung weisen. In seltenen Fällen ändert ein sich kontinuierlich drehender Rotor abrupt die Richtung.

Obwohl der Rotor eine Drehzahl von 1,5 - 2,6 U/m erreicht, was einer linearen Geschwindigkeit von 1,2 – 2,1 μm pro Sekunde entspricht (oder rund 7 mm pro Stunde), kommt der winzige Motor lange nicht an die Leistungsfähigkeit mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) heran, und sein Drehmoment ist um etwa vier Größenordnungen kleiner als der von elektrostatischen Mikroaktuatoren. Dem gegenüber steht, daß sich das Antriebsmittel des Mikrobenmotors erneuert und Verschleißerscheinungen selbst repariert.


Im Rahmen eines Projekts ab 2010 (?), an dem mehrere britische Universitäten beteiligt sind, entwickelt Eileen H. Yu, eine Forscherin an der Newcastle University, mit ihren Kollegen zusammen ein neues alkalisches Brennstoffzellensystem mit Anionenaustauscher-Membran, welches den Zucker und die komplexen Kohlenhydrate verwertet, die in Anlagen- und Industrieabfällen reichlich vorhanden sind.

Bislang habe ich weitere Veröffentlichungen von Yu erst wieder aus dem Jahr 2016 gefunden, als eine kritische Analyse der Integration mikrobieller Elektrosynthese (MES) Systeme in die Abfallströme von Bioraffinerien erscheint, bei der durch die Wiederverwendung von CO2 Biokraftstoffe und Chemikalien hergestellt werden. In einer zweiten Publikation aus diesem Jahr geht es um die Energiegewinnung aus menschlichem Serum mittels Bio-Brennstoffzellen, die auf Buckypapier basieren (s.u. Flüssigkeiten).


Eine Entdeckung von Wissenschaftlern der University of East Anglia (UEA) um Prof. David Richardson, die im Mai 2011 in der Presse erscheint, betrifft den Mechanismus, mit denen einige Bakterien überleben, indem sie ,Felsen atmen’. Dabei handelt es sich um Mikroorganismen, die in der Erde tief unter der Oberfläche leben und durch das Verarbeiten von Gestein – vor allem von Eisen-Mineralien – überleben.

Die dabei gewonnenen Erkenntnisse, daß die Bakterien nämlich winzige biologische Drähte konstruieren können, die sich durch die Zellwände erstrecken und es dem Organismus ermöglichen, wie mit einem Stecker direkt mit einem Mineral in Verbindung zu treten und diesem Elektronen zuzuleiten, sollen nun bei der Entwicklung neuer MFCs helfen.


Im Juni 2011 meldet die Fachpresse, daß es den Professoren Kelvin B. Gregory und Philip R. LeDuc an der Carnegie Mellon University (CMU) gelungen sei, die bislang weltweit kleinste MFC herzustellen. Die mikrobielle Stromerzeugung nutzt dabei eine sogenannte mikrofluidische Flußkontrolle.

Die neue Vorrichtung hat die Größe eines menschlichen Haares und erzeugt ihre Energie aus dem Stoffwechsel von Bakterien, die auf dünnen Goldplättchen in Mikrokanälen sitzen und einen Biofilm bilden, der natürliche organische Verbindungen als Brennstoff nutzt.


Ein Team von Forscherinnen der Michigan State University (MSU) um die Mikrobiologin Gemma Reguera veröffentlicht im September 2011 einen Bericht, in dem sie erklären wie die Mikroben Strom erzeugen, während sie Atommüll reinigen.

Daß der Geobacter die Fähigkeit hat, Uran zu immobilisieren, war schon zuvor bekannt, doch die Forschung bekommt neue Relevanz, als das Team an dem Mikroorganismus Nanodrähte entdeckt, die nicht nur für die Uran-Reduktion verantwortlich sind, sondern auch als Manager der elektrischen Aktivität agieren. Zudem geben sie dem Geobacter Schutz und ermöglichen es ihm in radioaktiver Umgebung zu überleben und zu wachsen.

Ein weiterer Erfolg stellt sich ein, als das Team einen Geobacter-Stamm gentechnisch so verbessert, daß sich die Produktion von Nanodrähten erhöht, wodurch der modifizierte Stamm die radioaktiven Abfälle effizienter reinigen kann. Darüber hinaus zeigt auch seine Lebensfähigkeit als katalytische Zelle eine signifikante Verbesserung. Die Wirksamkeit dieses Mechanismus bewährt sich bei einer Probe von der Bereinigung der Uranfabrik in Rifle, Colorado.

Reguera und ihr Team reichen Patentanmeldungen ein und plant nun weitere Forschungen zur Entwicklung von MFCs, die Strom erzeugen.

Bakterien-Display

Bakterien-Display


Biologen und Bio-Ingenieure der University of California in San Diego bekommen Ende 2011 viel Presse für eine lebendige Leuchtreklame, welche sie aus Millionen von Bakterienzellen geschaffen haben, die in regelmäßigen Abständen unisono fluoreszieren – d.h. gemeinsam aufleuchten und sich dann wieder verdunkeln. Das hat zwar nichts mit einer Stromproduktion zu tun, zeigt aber sehr gut, wie weit die Forscher auf dem neuen Gebiet der synthetischen Biologie bereits sind.

Um die bakterielle Blinkanzeige zu erstellen, wird von dem Team um Jeff Hasty zuerst ein fluoreszierendes Protein an die biologischen Uhren der Bakterien gekoppelt. Anschließend werden die Uhren der Tausenden Bakterien in den jeweiligen einzelnen Kolonien synchronisiert – und dann nochmals die Tausenden von blinkenden Bakterienkolonien, damit alle im Gleichklang periodisch aufleuchten. Die Grundlage dafür waren bereits in Veröffentlichungen in den Jahren 2008 und 2010 beschrieben worden: zum einen die Konstruktion einer robusten und abstimmbaren biologischen Uhr, um blinkende, leuchtende E. coli Bakterien zu erzeugen, die bereits das Gen für grün leuchtendes Eiweiß aus Quallen enthielten, und zum anderen den Bau eines Netzwerks, um die Uhren zu synchronisieren.

Hierfür nutzen die Forscher die Fähigkeit der Bakterien, miteinander zu kommunizieren, indem sie Signalstoffe in Form von Gasen in ihre Umgebung abgeben, die von Artgenossen verstanden werden. Je höher die Anzahl der Organismen, desto höher steigt die Konzentration des Signalstoffs. Erreicht dieser eine bestimmte Schwelle, dann ändern sämtliche Individuen synchron ihr Verhalten.

Dies zu steuern, gelingt den Wissenschaftlern mit einem speziell entwickelten mikrofluidischen Chip, der einen Signalstoff namens AHL zu jeder der Kolonien emittiert. Zwischen dem AHL und dessen Rezeptor LuxR wird zudem eine positive und eine negative Rückkopplung installiert, bei der sich ein selbst regulierendes, periodisches An- und Abschwellen der Konzentration des Signalstoffs aufbaut – worauf die gesamte Bakterienkolonie ihr Verhalten synchronisiert.

Die größeren der Mikrofluidik-Chips enthalten 50 – 60 Mio. Bakterienzellen und haben die Maße einer Büroklammer, die kleineren mit rund 2,5 Mio. Zellen sind etwa ein Zehntel so groß. Jede der blinkenden Bakterienkolonien wird von den Forscher ein Biopixel genannt – als individueller Lichtpunkt, ähnlich wie die Pixel auf einem Computermonitor. Die größeren Mikrofluidik-Chips enthalten etwa 13.000 Biopixel, die kleineren ca. 500.

Eine sinnvolle und bereits angedachte Umsetzung dieser Entwicklung sind empfindliche Sensoren mit Bakterien-Displays, die das Vorhandensein und die Konzentrationen von verschiedenen toxischen Substanzen und Krankheitserregern anzeigen. Im Gegensatz zu den derzeit verfügbaren Einweg-Detektoren, die nur einen einzigen Messwert liefern, können die lebenden Sensoren kontinuierlich über lange Zeiträume eingesetzt werden. Hasty hofft nun, innerhalb von fünf Jahren einen günstigen, zuverlässigen und handlichen Sensor entwickeln zu können.

Bakterienkunst

Bakterienkunst


Eine weitere künstlerische Umsetzung stammt von den beiden Designern Matt Neff und Orkan Telhan an der University of Pennsylvania, die Geobacter Bakterien einsetzen, um ein kleines, erstaunliches und völlig autarkes flackerndes Meisterwerk zu schaffen.

Ihr Kunstprojekt vom Mai 2014 sieht aus wie ein winziger, in einem Glaskasten plazierter Bildschirm, umgeben von Erde und kleinen Pflanzen, was aber eine Illusion ist, denn tatsächlich handelt es sich um eine Zeichnung aus elektrolumineszierender Tinte, die im Siebdruckverfahren auf eine flache Oberfläche aufgebracht wurde – und nun mit ständig wechselnden Geschwindigkeiten vor sich hin flackert.

Die Elektrizität, welche die Tinte aktiviert, kommt von den Geobactern, die in der Erde des Terrariums leben und Strom erzeugen, wenn sie sich von organischem Material ernähren. Je mehr die Bakterien zu fressen bekommen, desto heller ist das Bild – das damit eine ganz neue Art und Weise darstellt, die Aufmerksamkeit auf alternative Energiequellen zu ziehen.


Ein Wissenschaftler-Team der University of Colorado Denver um die Professoren Zhiyong Ren und Jae-Do Park hat Meldungen vom April 2012 zufolge ein neuartiges System entwickelt, das die Energieausbeute von MFCs drastisch erhöht. Auch diese Arbeiten werden durch das Office of Naval Research finanziert.

Messungen an einem Prototypen, der auf einer Durchlauf-MFC und einem maximierten Leistungsstromkreis (Maximum Power Circuit) basiert, zeigen, daß das System im Vergleich zu einer üblicherweise verwendeten Ladungspumpe die Energieabgabe 76 mal erhöht und die Energieeffizienz 21 mal verbessert. Leider sind in den zugänglichen Informationen keine genaueren technischen Angaben oder gar echte Leistungsdaten zu finden.


Nur einen Monat später folgt die Nachricht, daß Forscher an der University of Leeds in Großbritannien untersuchen, wie sich Strom aus Elektroden generieren läßt, die von Bakterien oder anderen lebenden Zellen überzogen sind und Licht oder Wasserstoff als Brennstoff bekommen. Bei ihrer, mit einem Zuschuß des Europäischen Forschungsrats in Höhe von 1,42 Mio. £ finanzierten Arbeit konzentrieren sich die Wissenschaftler um Lars Jeuken in erster Linie auf bakterielle Enzyme, und wie anorganische Materialien und biologische Moleküle wechselwirken.

Um eine vollständige Kontrolle der biochemischen Interaktionen bei ihren Elektroden zu erreichen, wie es bislang nur begrenzt möglich war, kombiniert das Team die neuesten Entwicklungen der Oberflächenphysik, der Kolloid- und organischen Chemie mit der Membranbiologie und der Elektrochemie. Das Ergebnis soll nun bei Membranproteinen angewendet werden und Energie aus Licht und Wasserstoff erzeugen.

Jeukens Forschung ist auch ein Beitrag zu dem neuen Interdisziplinären Zentrum für Mikrobielle Brennstoffzellen (Interdisciplinary Centre for Microbial Fuel Cells, ICMFC), das gemeinsam von den Universitäten Leeds, Sheffield und York eingerichtet wird, um die Leistung der MFCs mit einer Kombination aus synthetischer Biologie und Nanotechnik weiter zu verbessern.


Im Juli 2012 erscheint ein Bericht der Forscher César Torres und Sudeep Popat von der Arizona State University, die MFCs in Zukunft mit kommunalen Abfallströmen sowie Quellen landwirtschaftlicher und tierischer Abfälle verknüpfen wollen, um ein nachhaltiges System für die Behandlung von Abfall zu schaffen, das zur gleichen Zeit der Energieproduktion dient.

Ihre Studie ist die erste umfassende Analyse der Einschränkungen, denen die Kathoden von MFCs unterworfen sind, um Quellen der Ineffizienz zu identifizieren. Sie soll dazu beitragen, diese Systeme durch kontinuierliche Verfeinerung der Betriebsbedingungen und Materialien weiter zu entwickeln.


Am Okinawa Institute of Science and Technology in Japan arbeitet eine Forschungsgruppe wiederum daran, MFCs billig und effizient genug für reale Anwendungen zu machen, wie im Oktober 2012 berichtet wird. Eine große Herausforderung dabei ist es, robuste und preisgünstige Elektroden zu konstruieren, die den elektrischen Strom gut leiten, korrosionsbeständig sind und die Bakterien nicht vergiften, die auf ihren Oberflächen sitzen. Um dies zu erreichen werden neue Arten von Elektroden gebaut und getestet, die mit Nanopartikeln besetzt sind.

Die Idee dabei ist, einen Kern aus billigem Material mit einer sehr dünnen Schicht aus einem teureren, biokompatiblen Metall zu beschichten und die resultierenden Nanopartikel dann auf der Oberfläche einer Kohlenstoffelektrode zu vekleben. Zusätzlich zu der Kostenreduzierung bei dem teuren Metall wird dies auch die Oberfläche der Elektrode vergrößern, so daß sie mehr stromerzeugende Bakterien beherbergen kann. Auf dem Foto ist die topographische 3D-Rasterkraftmikroskopie-Aufnahme von metallischen Nanopartikeln zu sehen, die auf Graphit deponiert sind.


Mikroskopische Organismen könnten auch im Bereich der Bio-Elektronik sehr viel mehr tun – doch die Zellmembran bildet eine ,schmierige Barriere’, die den Fluß der Elektronen zwischen dem Organismus und den elektronischen Komponenten blockiert. Forscher am Lawrence Berkeley National Laboratory (LBL) um Caroline Ajo-Franklin berichten im Februar 2013, daß dieses Hindernis wahrscheinlich fallen wird, da es ihnen gelungen sei, die Elektronenübertragungswege der bekannten E. coli Bakterien zu verbessern.

Frühere Untersuchungen hatten festgestellt, daß eine relativ schwache Form von Elektronentransfer tatsächlich natürlich bei Shewanella oneidensis MR-1 Bakterien auftritt. Der Weg dieses Transfers besteht aus einem Komplex von MtrCAB-Proteinen, die es den Elektronen ermöglichen die Zellmembran zu durchqueren und zu Metalloxiden oder Mineralien zu gelangen. Durch diesen Mechanismus kann S. oneidensis buchstäblich  auf Metallen ,atmen’, auch wenn kein Sauerstoff verfügbar ist.

Um ein robusteres System zu entwickeln, begannen die Forscher E. coli dahingehend zu manipulieren, große Mengen an MtrCAB-Proteinen zu produzieren und zu veranlassen, Nanokristalle von Eisenoxid zu reduzieren (diese Reduktion bezieht sich auf die Übernahme von Elektronen oder die Freigabe von Sauerstoff). Allerdings zeigte sich dabei, daß die gentechnisch veränderten E. coli sogar weniger effizient als S. oneidensis arbeiten, mit reduziertem Wachstum und langsamerem Elektronentransfer.

Das Team entdeckt, daß zu viel des Guten wirklich zu viel des Guten ist, denn die zusätzlichen MtrCAB-Proteine ​​machten die E. coli im Grunde krank. Um die richtige Balance zu finden, werfen die Forscher einen ganzheitlichen Blick auf die Sache – was bedeutet, daß sie hunderte von Varianten überprüfen, um einen effektiveren Stamm von E. coli zu finden. Dabei stellt sich heraus, daß der Stamm, der an der Anode den größten Strom erzeugt, nicht etwa der Stamm ist, der entwickelt wurde, um die Anzahl der Elektronenleitungen in der Membran zu maximieren, sondern die Stämme mit optimierter Zellgesundheit, obwohl diese nur eine moderate Menge von Elektronentransport-Proteinen haben.

Besonders interessant ist die Interpretation der veröffentlichten Ergebnisse, denen zufolge jede Zelle das Potential hat, zu einem lebendigen Draht umgewandelt zu werden, der elektrische Energie erzeugt und direkt mit gefertigter Elektronik interagiert, mit den zusätzlichen Boni, zur Selbstreparatur und Selbstvermehrung in der Lage zu sein.

SLFC und SLFC-Stack

SLFC und SLFC-Stack


Ebenfalls im Februar 2013 wird der Bericht über eine nicht-enzymatische Glukose-Brennstoffzelle veröffentlicht, die von Vlad Oncescu und David Erickson an der Cornell University in Ithaca, New York, entwickelt worden ist.

Im Gegensatz zu den bisher entwickelten Geräten, die ein ,Sauerstoffmangel-Design’ verwenden, bei dem die Elektroden übereinander gestapelt werden und das zu geringen Volumenleistungsdichten und komplizierten Herstellungsverfahren führt, zeigt die neuartige platinarme Einzelschicht-Brennstoffzelle (Single Layer Fuel Cell, SLFC) eine hohe Leistung von 2 μW cm2 und eine gute Langzeitstabilität.

Die SLFC könnte daher als Beschichtungsschicht direkt auf großen implantierbaren Geräten integriert werden – oder gestapelt, um eine hohe volumetrische Leistungsdichte zu erhalten (> 16 μW cm3). Hier abgebildet ist eine doppelseitigen SLFC zusammen mit einem Stapel aus zwölf SLFCs.


Ein Internationales Team um Viktor Andoralov und Magnus Falk von den Universitäten Malmö und Lund in Schweden stellt im November 2013 eine Bio-Brennstoffzelle vor, die auf nanostrukturierten Elektroden im Mikromaßstab basiert. Von solchen Brennstoffzellen angetriebene miniaturisierte und in sich geschlossene Bio-Baugruppen könnten eine neue Generation von implantierbaren, drahtlosen und minimal-invasiven neuronalen Schnittstellen für neurophysiologische in-vivo-Untersuchungen wie auch für klinische Anwendungen ermöglichen.

In ihren Report beschreiben die Wissenschaftler die Herstellung einer direkten enzymatischen Glukose/Sauerstoff-Brennstoffzelle (EFC) mit echten nanostrukturierten 3D-Mikro-Goldelektroden, die mit geeigneten Biokatalysatoren modifiziert sind. Dabei beruht die einfache Herstellungsmethode für die 3D-Elektroden auf einer elektrochemisch gesteuerten Transformation von physikalisch abgeschiedenen Gold-Nanopartikeln (AuNPs).

Im Experiment kann belegt werden, daß die mediator- und membranlose EFC in der Zerebrospinalflüssigkeit (Liquor) und im Gehirn einer Ratte betrieben werden kann und dabei auch ausreichende Mengen an elektrischer Energie liefert, um eine geschlossene Bio-Baugruppe zu betreiben, nämlich 7 μW/cm2 in vitro und 2 μW/cm2 in vivo, bei einer Betriebsspannung von 0,4 V.  Nicht zuletzt wird auch noch eine induktive Kopplung zwischen den 3D-NanoBio-Elektroden und lebenden Neuronen demonstriert.


Shuji Fujita und seine Kollegen von den Advanced Materials Laboratories der Sony Corp. in Kanagawa, Japan, präsentieren im Mai 2014 das Konzept einer Bio-Brennstoffzelle, die Strom aus erneuerbaren Brennstoffen wie Kohlenhydraten generieren und in der Unterhaltungselektronik eingesetzt werden soll. Hierfür müssen solche Zellen durch wiederholtes Betanken wiederverwendbar sein.

Anhand eines Prototypen zeigen sie die stabile Erzeugung von Strom aus einer Glukose-betriebenen Zelle über mehrere Tankzyklen. Erreicht wird die Möglichkeit zum Wiederaufladen durch das Immobilisieren von Nicotinamidadenindinucleotid (NAD), einen Elektronentransfermediator, sowie Redox-Enzymen in hohen Konzentrationen auf porösen Kohlenstoffpartikeln, die eine Anode bilden, während ihre elektrochemischen und enzymatischen Aktivitäten nach der Immobilisierung erhalten bleiben.

Diese Bioanode kann kontinuierlich für mehr als 60 Zyklen bei 1,5 mA/cm2 ohne wesentlichen Spannungsabfall betankt werden, während zusammengesetzte Zellen aus diesen Bioanoden und Bilirubin-Oxidase-basierten Biokathoden verwendet werden können, um einen tragbaren Musik-Player bei 1 mW/cm3 zehn Betankungszyklen lang zu versorgen.


Wie im Januar 2015 bekannt wird, gelingt es auch dem Elektrochemiker Luis Cesar Colmenares und dem Bakteriologen Roman Netzer an der unabhängigen Forschungsorganisation SINTEF in Norwegen, nach mehrjähriger Entwicklungsarbeit als Demonstrationsanlage eine kleine MFC in Betrieb zu nehmen, welche als Treibstoff Abwasser verwendet, während die Produkte des Verfahrens gereinigtes Wasser und Strom sind. Das Abwasser kommt aus der lokalen Tine-Molkerei und ist reich an organischen Säuren, die für dieses Verfahren gut geeignet sind.

Die Wissenschaftler wollen insbesondere versuchen, unter Verwendung von Low-Cost-Materialien so viel Energie zu erzeugen, wie andere Teams mit viel teureren Ansätzen erreichen.


Eine der Veröffentlichungen, die komplett im Netz abrufbar ist, ist vom Februar 2015 und stammt aus Indien, wo man sich ebenfalls mit MFCs zur Stromerzeugung beschäftigt.

In der Forschungsarbeit von S. Sandeep am B. V. Bhoomaraddi College of Engineering & Technology in Hubli, Karnataka, wird neben kommunalem Abwasser auch der Einsatz von Küchenabwasser und Reis-Waschwasser untersucht.

Die von Sandeep gebaute MFC verwendet E. coli und C. sporogenes, deren Potentiale er unter Verwendung verschiedener Biomasse-Formen für verschiedene Inkubations-Zeiträume vergleicht. Dabei beobachtet er bei C. sporogenes eine optimale Spannungsproduktion von 188 mV.


Eine der jüngsten Meldung bei diesem Update stammt vom Februar 2016. Demzufolge haben die Forscher Prof. Xueyang Feng und Jason He an der Virginia Polytechnic Institute and State University einen Durchbruch im Verständnis erzielt, wie die elektrochemisch aktiven Bakterien Energie aus ihrer Nahrung erzeugen.

Indem sie die Stoffwechselwege des Bakterien-Stammes Shewanella oneidensis verfolgen, finden die Wissenschaftler heraus, daß eine ,Arbeitsbeziehung’ zwischen zwei verschiedenen Substraten in der Lage ist mehr Energie zu produzieren, als wenn diese getrennt genutzt würden. Während das eine Substrat (Laktat) von seinen Wirtsbakterien vor allem verstoffwechselt wird, um das Zellwachstum zu unterstützen, wird das andere Substrat (Formiat) oxidiert, um Elektronen für eine stärkere Stromerzeugung freizusetzen. Formiate sind die Salze der Ameisensäure.


Im März folgt ein Bericht aus der South Dakota School of Mines & Technology, wo Namita Shrestha et al. seit ein paar Jahren daran arbeiten, eine MFC zu entwickeln, die speziell das Problem der alleine in Florida jährlich anfallenden Menge von 396.000 Tonnen Tomatenabfälle lösen und dabei elektrischen Strom erzeugen soll.

Dabei erweist sich das natürliche Pigment Lycopin, das in Tomaten gefunden wird, als ein ausgezeichneter Vermittler, um die Erzeugung von elektrischen Ladungen aus den beschädigten Früchte zu fördern – wobei man allerdings noch dabei ist, die grundlegenden Transfermechanismen der Elektronen und die Interaktion zwischen den Tomatenabfällen und den Mikroben zu untersuchen.

In der Veröffentlichung wird erwähnt, daß man bislang aus zehn Milligramm Tomaten 0,3 W gewinnen kann, was zukünftig allerdings noch gesteigert werden soll (noch nicht verifiziert).


Flüssigkeiten


Die Idee, biologische Brennstoffzellen mittels Glukose und Sauerstoff zu betreiben, die physiologischen Fluiden gefunden werden, wird bereits in den 1970er Jahren vorgeschlagen, bleibt aber auf der Strecke, da die von frühen Prototypen erzeugte Menge an Energie sehr gering ist, als daß sie von praktischem Nutzen sein könnte.

Erst im Jahr 1999 spornen Fortschritte in der Biotechnologie Prof. Itamar Willner von der Hebräischen Universität in Jerusalem dazu an, die Idee wieder aus der Versenkung zu heben. Bis zu den ersten praktischen Umsetzungen vergehen dann aber noch einige Jahre.

Welches Potential in dem Ansatz steckt, kann ein Vergleich erhellen: Die Energiedichte von Lithium-Batterien beispielsweise hat sich in den letzten Jahrzehnten stark verbessert, aber die chemische Reaktion, auf der diese beruhen, wird trotzdem nie der Energie entsprechen können, die bei der Verstoffwechselung von Glukose zur Verfügung steht. Immerhin entspricht die chemische Energie in einem Gramm Glukose fast der Hälfte der Energie, die in der gleichen Menge Benzin steckt, einem bekanntermaßen sehr energiereichen Brennstoff.


Im November 2007 beschreiben die Chemiker Yutaka Amao und Yumi Takeuchi von der Oita University in Dannoharu, Japan, in einer internationalen Veröffentlichung die erfolgreiche Herstellung einer Glukose-betriebenen Brennstoffzelle, die mit Hilfe von Sonnenlicht Glukose in Wasserstoff umwandelt, der die Zelle mit Energie zu versorgen, die bereits mehrere hundert Millivolt erzeugt. An der Entwicklung wird bereits seit über fünf Jahren gearbeitet, wobei die beiden Forscher zuvor eine ähnliche Technik entwickelt hatten, die Maltose (Malzzucker) als Ausgangsstoff nutzte.

Die Nutzung biologischer Ressourcen, wie zum Beispiel Lebensmittelabfälle und angebaute Hochenergiepflanzen, gilt zunehmend als Weg, um die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu reduzieren. Diese Biomasseressourcen umfassen Stärke, Cellulose, Saccharose und Lactose. Statt sie zu verbrennen, können diese komplexen Zuckermoleküle mit wenig Energieaufwand durch Fermentationsprozesse in das viel einfachere Glukose-Molekül überführt werden, das dann verwendet wird, um mittels Enzymen Wasserstoff freizusetzen – wo die MFC ins Spiel kommt.

Das neue Gerät besteht aus einer transparenten leitfähigen Glaselektrode, die mit einem stark gefärbten Molekül beschichtet ist, das in lichtabsorbierendes Titandioxid eingebettet den natürlichen Prozeß der Photosynthese nachahmen kann. Die Beschichtung kann Energie aus dem Sonnenlicht absorbieren und in einer anderen chemischen Schicht auf der Elektrode wieder freisetzen, die mit einer Platinelektrode verbunden ist. Um die Schaltung zu vervollständigen, ist das Paar in einer Glukoselösung eingetaucht.

Sobald Licht auf die lichtaktive Elektrode fällt, werden die Enzyme in der chemischen Schicht angeregt, mit Glukosemoleküle in der Lösung zu reagieren und Wasserstoffionen freizusetzen, die ihrerseits Elektronen von der Platinelektrode anziehen und damit einen Strom veranlassen durch den Draht zu fließen, der die Elektroden verbindet.

Wie auch einer weiteren Veröffentlichung im April 2012 hervorgeht, beschäftigt sich Amao später zunehmend mit Solarkraftstoffen, wie z.B. Wasserstoffgas aus Wasser und Methanol, das durch eine Kohlendioxid-Reduktion mittels künstlicher Photosynthese erzeugt wird (s.d.).


Im April 2009 folgt die Meldung, daß eine Gruppe an der University of British Columbia in Vancouver, Kanada, winzige MFCs geschaffen hat, indem sie Hefezellen in einer flexiblen Kapsel eingekapselt hat, die 15 mm2 groß und 1,4 mm dick ist. Gefüttert werden diese mit Glukose aus dem Blut des Menschen.

Die Wissenschaftler um Mu Chiao und Chin-Pang-Billy Siu betrachten ihre MFC als besonders nützlich für Geräte wie Herzschrittmacher oder intraspinale Mikroelektroden zur Behandlung von Lähmungen, da diese oftmals an Stellen eingepflanzt werden müssen, die einen Batteriewechsel äußerst kompliziert machen.

Die neue MFC besteht aus einer Kolonie von Saccharomyces cerevisiae – jene Art von Hefe, die in der Brau- und Backbranche am häufigsten verwendet wird –, die in einer Brennstoffzelle eingekapselt ist, welche aus einer Form von Silikon namens Polydimethylsiloxan (PDMS) hergestellt ist. Weshalb die MFC auch unter dem Namen Microfabricated PDMS Microbial Fuel Cell läuft.

Mikrosäulen

Mikrosäulen

Als Elektronenvermittler wird Methyl blue verwendet, eine chemische Substanz, die oft genutzt wird um biologischen Proben zu färben. Diese stiehlt einige der Elektronen, die erzeugt werden wenn die Hefe Glukose verarbeitet, und liefert sie an die Anodenseite der Zelle, um damit einen kleinen Strom zu schaffen. Auf der Kathodenseite verbinden sich Wasserstoffionen, die aus den Hefezellen heraus diffundieren, mit Sauerstoff, um Wasser zu erzeugen.

Um die Oberfläche der Elektroden zu erhöhen und damit die Leistung der MFC steigern, verwendet das Team eine Silizium-Ätztechnik, mit der Mikrosäulen (micropillars) geschaffen werden, die etwa 40 µm breit und 8 µm hoch sind. Damit produziert die Hefe-basierte MFC 40 nW Leistung, was für einige Geräte genügen würde, wenn die Brennstoffzelle mit einem Kondensator gekoppelt wird um die Energie zu speichern. Zudem könnte die Hefe gentechnisch verändert werden, um ihre Leistung zu steigern. Wesentlich ist auf jeden Fall, die Hefezellen gesund zu halten, indem ihre Abfallprodukte entfernt werden, ohne daß dabei schädliche Stoffe in den Blutstrom gelangen.


Wie im Mai 2010 berichtet wird, ist die erste mit Glukose funktionierende MFC, die in ein lebendes Tier – in diesem Fall eine Ratte – implantiert wird, an der Université Joseph Fourier in Grenoble, Frankreich, entwickelt worden. Das Forscherteam um Serge Cosnier und Philippe Cinquin hat bei bei seiner Arbeit das Ziel, implantierbare medizinische Geräte direkt mit elektrischer Leistung aus der Körperflüssigkeit zu betreiben. Ein ähnlicher Ansatz wird übrigens auch mit Insekten verfolgt (s.u.).

Die winzigen Geräte von der Größe eines Reiskorns bestehen aus Enzymen innerhalb von Graphitscheiben, die in Dialysebeutel gepackt in die Bauchhöhlen von zwei Ratten implantiert werden. Glukose und Sauerstoff, die im Körper natürlich auftreten, fließen in das Gerät, wo die an Ort und Stelle bleibenden Enzyme die Oxidation der Glukose katalysieren, um elektrische Energie zu erzeugen.

Implantat-MFC

Implantat-MFC

Die Ergebnisse sind vielversprechend, da die MFCs einen Output von 6,5 µW erzielen, was nicht sehr viel kleiner als die 10 µW ist, die für einen Herzschrittmacher erforderlich sind. Bei einer der Ratten (Ricky) werden über elf Tage 2 µW gemessen, während bei der anderen drei Monate lang Glukose im Urin nachgewiesen wird, was bedeutet, daß das Gerät mindestens für diese Zeit funktionierte – und dies ohne erkennbare Nebenwirkungen auf das Verhalten oder die Physiologie der Ratte. Zumindest hypothetisch könnte eine derartige MFCs auf unbestimmte Zeit arbeiten.

Sollte es dem Forschungsteam nun gelingen, die Effizienz weiter zu verbessern, könnten diese MFCs verwendet werden um alle möglichen Geräte mit Energie zu versorgen, angefangen von Insulinpumpen und Vorrichtungen zur Arzneimittelabgabe bis hin zu Biosensoren und Knochenwachstums-Stimulatoren.

Im Oktober 2011 werden weitere Details veröffentlicht. So entstehen die Elektroden durch das Komprimieren einer Paste aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen, wobei die Paste für die eine Elektrode mit Glukose-Oxidase, für die andere mit Glukose und Polyphenoloxidase gemischt wird. Um den Strom zu der Schaltung zu führen, besitzen die Elektroden einen eingesetzten Platindraht. Zudem werden sie mit einem speziellen Material umwickelt, das alle Nanoröhrchen oder Enzyme daran hindert, in den Körper zu entweichen. Schließlich wird das gesamte zu implantierende Paket in ein Netz eingewickelt, welches die Elektroden vor dem körpereigenen Immunsystem schützt, ohne dabei aber den freien Fluß von Glukose und Sauerstoff zu den Elektroden zu behindern.

Da Ratten zu klein sind, als daß ihre Erzeugung von Energie ausreichen würde, herkömmliche Vorrichtungen mit Strom zu versorgen, plant Cosnier seine Brennstoffzelle zu vergrößern und in eine Kuh zu implantieren. Der Wissenschaftler hofft, daß die dabei erzeugte Energie genügt, um einen Sender zu betreiben, der aus der Kuh heraus Informationen über das Gerät und die Kontrollsensoren innerhalb des Tieres sendet.

Im März 2012 wird bekannt, daß das Team von Cinquain zwischenzeitlich eine Firma gegründet hat, um künstliche Harnschließmuskeln zu entwickeln, die 300 – 500 µW Leistung benötigen und daher mit Glukose aus dem Körper betrieben werden können. Im Gegensatz zu den Batterien, die für solche Anwendungen natürlich bereits existieren, könnten kleinere Bio-Brennstoffzellen, zumindest in der Theorie, die bequemere und langlebige Alternative sein, um solche Geräte mit Energie zu versorgen.

In einem im März 2013 publizierten Artikel beschreiben Cosnier, Cinquin et al. die ihnen zufolge erste implantierte Glukose-Bio-Brennstoffzelle (Glucose Biofuel Cell, GBFC), die aus den Körperflüssigkeiten eines Säugetiers ausreichend Leistung erzeugt, um als alleinige Energiequelle für elektronische Geräte zu dienen.

Die wiederum in der Bauchhöhle einer Ratte implantierte GBFC basiert auf Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Enzymelektroden und erzeugt eine durchschnittliche Leerlaufspannung von 0,57 V und liefert eine Leistung von 38,7 µW, was Stromdichte von 193,5 µW/cm2 entspricht. Schon mit einer einzigen Zelle lassen sich eine LED oder ein digitales Thermometer betreiben. Darüber hinaus werden auch 110 Tage nach der Implantation keine Anzeichen einer Abstoßung oder Entzündung beobachtet.

Nanobiokraftstoffzelle Funktionsgrafik

Nanobiokraftstoffzelle
(Funktionsgrafik)


Daß auch ein Team der Tsinghua Universität in Peking um Jing Zhu, gemeinsam mit Kollegen des Georgia Institute of Technology in den USA, eine Miniatur-Brennstoffzelle entwickelt hat, die ihren Strom aus biologischen Flüssigkeiten produziert, geht im Oktober 2010 durch die Presse.

Die Forscher bauen ihre MFC auf, indem sie die zwei Redox-Enzyme Glukose-Oxidase und Laccase als Katalysator miteinander koppeln, und zwar über einen Kohlenstoff-Nanodraht mit einem Durchmesser von 200 – 800 nm, der einzelne Protonen leiten kann und dessen Enden jeweils auf einer Goldelektrode sitzen. Dabei basiert die Nanobiokraftstoffzelle des internationalen Teams auf einem elektrochemischen Prozeß, der Glukose zu Gluconolacton umwandelt, wobei ein Nettostrom durch die chemische Potentialdifferenz zwischen der Anode und der Kathode als Ergebnis der jeweiligen chemischen Reaktionen an den beiden Elektroden erzeugt wird.

Die MFC, die als Nanowire-based Biofuel Cell (NBFC) bezeichnet wird, kann Strom ebenso aus menschlichem Blut erzeugen, wie aus dem Saft einer Wassermelone, wobei Ausgangsleistung bei 0,5 - 3 µW liegen soll. Integriert in einen Satz Nanodraht-basierter Sensoren zur Durchführung von Messungen mit eigener Stromversorgung, könnte die NBFC zur Entwicklung selbstbetriebener Nanomaschinen für die Umweltüberwachung, die Biowissenschaften, die persönliche Elektronik und die Wehrtechnik führen, wie es heißt.


Im Juni 2012 melden die Fachblogs, daß ein Team von Ingenieuren des MIT um Prof. Rahul Sarpeshkar eine neue Glukose-Brennstoffzelle entwickelt habe, die von dem gleichen Zucker betrieben wird wie der menschliche Körper. Das Team glaubt, daß das Gerät, in einem Silizium-Chip integriert, in der Lage sein wird, hocheffiziente Gehirnimplantate zu betreiben, die es Querschnittsgelähmten ermöglichen, wieder Kontrolle über ihre Gliedmaßen zu erlangen.

Um ihren elektrischen Strom zu erzeugen entfernt die aus Silizium und einem Platin-Katalysator hergestellte MFC, die keinerlei biologischen Komponenten enthält, Elektronen aus Glukosemolekülen. Den dafür benötigten Zucker  bezieht sie komplett aus der Gehirn-Rückenmark-Flüssigkeit, dem sogenannten Liquor (o. Gehirnwasser), welcher das Gehirn umgibt.

Da der Liquor nur sehr wenige Zellen enthält, ist es unwahrscheinlich, daß die MFC eine Immunreaktion hervorruft, und da diese nur eine kleine Menge an Glukose verwendet wird, würden die Auswirkungen auf das Gehirn ebenfalls klein sein. Die in Zusammenarbeit mit Jakub Kedzierski vom Lincoln Laboratory des MIT hergestellte MFC kann bereits einige hundert Mikrowatt erzeugen. Bis derartige implantierbare Systeme zum Standard der medizinischen Versorgung gehören, werden dem Team zufolge aber noch einige Jahre vergehen.


Daß auch menschlicher Urin ein wertvolle Rohstoff ist, war schon im alten Rom bekannt, wo er in öffentlichen Amphoren gesammelt – und von Kaiser Vespasian sogar mit einer Steuer belegt wurde, worauf jeder Bürger Roms eine ,Latrinensteuer’ zu zahlen hatte, wenn er auf’s Klo mußte. Waschsalons nutzten den gesammelten Urin, und insbesondere den ,gefaulten’, aus dem sich slkalisches Ammoniak bildet, für strahlend weiße Wäsche, Gerber gebrauchen ihn zur Behandlung von Häuten.

Und wenn die Geschichte stimmt, stammt der auch noch heute verwendete Ausdruck „Geld stinkt nicht“ aus eben jener Zeit, denn als Vespasians Sohn Vorbehalte gegenüber der neuen Steuer zeigte, nahm der Kaiser das Geld, das durch den Toilettengang anderer Leute eingenommen worden war, hielt es seinem Sohn unter die Nase und fragte ihn, ob das Geld stinke – woraus die berühmten lateinischen Worte entstanden: pecunia non olet.


Heute gibt es indes ein weiteres Einsatzgebiet für den Urin – nämlich die Stromerzeugung. So entwickeln u.a. Forscher der University of the West of England um Prof. Ioannis Ieropoulos (der uns weiter oben bereits bei den EcoBots begegnet ist) mikrobielle Brennstoffzellen, die den Urin zu Strom verwandeln. Der natürliche Stoff enthält Harnstoff, Kalium, Bilirubin, Chloride und ist zudem reich an Stickstoff, weshalb er sich auch so gut für die MFCs eignet.

Da das Projekt Mitte 2010 mit einem EPSRC Career Acceleration Fellowship Grant Zuschuß in Höhe von 564.561 £ für die nächsten vier Jahre bedacht wird, arbeiten die Ingenieure des Bristol Robotics Lab nun an dem Prototypen für ein tragbares Urinal zur Energieerzeugung, das bei Musikfestivals oder anderen Freiluftveranstaltungen eingesetzt werden könnte. Kooperiert wird dabei mit dem Schweizer Hersteller URIMAT, der für seine wasserlosen Urinale bekannt ist.

Ein weiterer Aspekt des Projekts ist, die Kathodenseite der MFC durch die Verwendung von Sauerstoff-produzierenden Organismen (wie Algen) anstelle von Chemikalien so zu optimieren, daß die ganze Zelle zu einem sich selbst erhaltenden System wird, das mit den eigenen Abfällen Energie produziert. So können die Abfälle der Algen – zum Beispiel – verwendet werden, um die Bakterien der Anodenseite zu ernähren. Da Energiemenge der Urin-Brennstoffzelle allerdings noch relativ gering ist – sie bewegt sich im Milliwattbereich – arbeitet das Forscherteam an mehreren übereinander gestapelten Einheiten, um den Output deutlich zu erhöhen.

Im Juli 2013 wird berichtet, daß es den Forschern nun gelungen sei, mit ihrer MFC ein Handy (teilweise) aufzuladen – und im März 2015, daß das Projekt nun auch endlich in den Praxistest geht.

Gemeinsam mit der Hilfsorganisation Oxfam wird auf dem Campus der Universität neben einer Studenten-Bar ein Urinal aufgestellt, wie es üblicherweise auch in provisorischen Unterkünften zu finden ist. Bei jedem Toilettengang entsteht Energie, die zur Beleuchtung der Kabinen dient, wobei die Benutzer durch eine transparente Platte beobachten können, wie ihr Urin die Energie erzeugt.

Die Experten glauben, daß die Technik aufgrund der geringen Kosten von etwa 600 £ pro Strom-Klo (obwohl die Kosten der einzelnen MFC mit nur rund 1 £ angegeben werden) ein großes Potential für den Einsatz in Entwicklungsländern hat – insbesondere unter dem Aspekt, daß die gewonnene Energie zur Beleuchtung genutzt wird und sich damit z.B. die Sicherheit in Flüchtlings-Camps erhöhen ließe.

Notsender-MFC

Notsender-MFC

Daß Forscher der UWE um Jonathan Winfield nun auch noch einen faltbaren und tragbaren Notsender auf Papierbasis geschaffen haben, der mit einer urinbetriebenen MFC arbeitet, wird im Februar 2015 bekannt. Die Idee dahinter: Ist jemand in der Lage, das Gerät mit seinem Urin zu aktivieren, belegt er damit, daß er am Leben ist – worauf Rettungsmaßnahmen ausgelöst werden können.

Da die Verwendung von MFCs noch immer durch die Kosten ihrer Komponenten und die Toxizität der Reste begrenzt wird, sobald die Einheiten das Ende ihrer Lebensdauer erreicht haben, besteht die Priorität des Teams darin, viel kleinere, leichtere und billigere MFCs als bisher zu konstruieren, die auch als Einwegprodukte sicher sind.

Um ihre neuen Prototyp zu bauen, verwenden die Forscher daher recycelte, gewöhnliche Materialien – sowie ein Origami-inspiriertes Design im Stil einer dreieckigen Pyramide aus Papier, das zur Außenabdichtung mit drei Schichten Latex imprägniert ist. Diese äußere Schicht dient als Kathode, während die innere Schicht die Protonenaustauschmembran und den Reaktorkörper bildet und als Anode fungiert.

Diese ist mit ruhenden Biofilmen aus stromerzeugenden Bakterien beschichtet, die rasch zum Leben erwachen, wenn sie mit Urin übergossen werden. Dabei ist der dünne Film aus winzigen Bio-Generatoren auf der Oberfläche der Anode in der Lage, über längere Zeiträume ausgetrocknet und kühl zu überleben, was die Anordnung ideal für den Einsatz in selten aktivierten Notfall-Funksendern macht. Im Moment lassen sich die Bioreaktoren für bis zu acht Wochen lagern.

Während das Gerät mit frischem Morgenurin besonders effizient arbeitet, soll es aber ebenso in der Lage sein, mit dem Urin von Vieh Strom zu produzieren. Nach der Aktivierung stellt die MFC genug Energie bereit, um einen Funksender 35 Minuten lang zu betreiben, während zwei in Reihe geschaltete MFCs Funksignale in etwa sechs-Minuten-Intervallen bis zu 24 Stunden lang übermitteln können, was in einer lebensbedrohlichen Situation möglicherweise  den entscheidenden Unterschied macht.

MFC-Socken

MFC-Socken

Im Rahmen künftiger Fortschritte sind flach verpackte, ineinandergreifende Stapel angedacht,  die leicht transportiert werden können, wobei eine breite Palette von Materialien einschließlich Naturkautschuk, Biokunststoffen, Gelatine und auch Eier verwendet werden soll. Die komplette Beschreibung der bisherigen Arbeit ist unter dem Titel ,Urine-activated origami microbial fuel cells to signal proof of life’ im Netz einsehbar.

Ende 2015 folgt die Meldung, daß das Forscherteam inzwischen mit energieerzeugenden Socken experimentiert, die winzige, mit Urin betriebene MFCs enthalten. Im Laborexperiment erzeugt das System genügend Strom, damit ein integrierter Transmitter alle zwei Minuten die Nachricht „World’s First Wearable MFC“ an einen Rechner senden kann. Die Socken enthalten eine kleine Handpumpe unter den Fersen, die von den Schritten des Trägers aktiviert wird und rund 635 g Urin durch durch integrierte, flexible Silikonschläuche zu den Brennstoffzellen in der Nähe der Knöchel zirkulieren läßt.

Ieropoulos glaubt, daß ein derartiges tragbares Kraftwerk in bestehende Kleidung oder Monturen integriert werden könnte, die bereits ausgestattet sind, Urin zu sammeln, wie bestimmte militärische, Raumfahrt- oder technische Outdoor-Ausrüstungen.


Diese und ähnliche Entwicklungen beschreibe ich ausführlich im Kapitel Energiespeichern unter Urin-, Bio- und Wasserbatterien (s.d.) - wobei es leider auch einige Überlappungen mit dem hier vorgelegten Material gibt.


Ieropoulos ist jedenfalls nicht der einzige, der sich mit Urin beschäftigt. Über die bei den Batterien behandelten Systeme hinaus sind beispielsweise Forscher der Heriot-Watt University im schottischen Edinburgh um Shanwen Tao und Rong Lan zu erwähnen, die ebenfalls im Jahr 2010 den billigen Prototyp einer MFC vorstellen, der speziell entwickelt wurde, um aus der organischen Verbindung Harnstoff Strom und sauberes Wasser zu erzeugen.

Nach Taos Berechnungen produziert ein Erwachsener pro Jahr genug Harnstoff, um ein Auto rund 2.700 km weit fahren zu lassen. Bei seinem Youtricity Team (das inzwischen anscheinend wieder aufgelöst ist) wird die weitere Optimierung des Carbamide Power Systems (Carbamide ist ein anderes Wort für Harnstoff) durch einen EPSRC-Zuschuß in Höhe von 130.000 £ gefördert.

UNESCOSat Grafik

UNESCOSat (Grafik)


Im November 2010 wird gemeldet, daß der erste Satellit der Vereinten Nationen, das 5 Mio. $ teure Projekt UNESCOSat, ein klares Ziel hat: herauszufinden, ob sich die Fäkalien von Astronauten als wirksame Kraftstoffquelle im Raum verwenden lassen. Starten soll der 100 kg schwere Satellit im ersten Halbjahr 2011 mit einer russischen Trägerrakete, seine Lebensdauer wird mit fünf Jahren angegeben.

Neben einer Reihe von Studenten gestalteter Experimente steht auf dem Programm des Florida Institute of Technology die Durchführung von Versuchen mit einer Nutzlast, deren Testbereich Magnetpumpen und Mischbehälter umfaßt, die bis zum Rand mit anaeroben Bakterien gefüllt sind, die keinen Sauerstoff für ihr Wachstum benötigen.

Die fraglichen Bakterien vom Stamm Shewanella MR-1 können menschliche Fäkalien in Wasserstoff abbauen, welcher wiederum als Energiequelle von Brennstoffzellen im Raumschiff dienen könnte. Die Studenten aus Florida wollen nun herausfinden, wie gut die Bakterien in der Mikroschwerkraft im Orbit funktionieren und wie sich die unterschiedlichen Temperaturen, Drücke und Dichten auf ihren Lebenszyklus auswirken.

Überraschenderweise sind außer den frühen Ankündigungen keinerlei weiteren Informationen über das Projekt aufzufinden – sodaß die Annahme berechtigt ist, daß es irgendwann einmal still und heimlich wieder in der Schublade verschwand.


Über ein bakterielles System, das die Ausscheidungen von Astronauten in Treibstoff zu verwandeln vermag, wird im Oktober 2011 berichtet. Forscher der Radbout Universität Nijmegen um den Mikrobiologen Mike Jetten beschreiben erstmals präzise das Bakterium Brocadia anammoxidans, das in einer Reaktion namens Anammox den Raketentreibstoff Hydrazin produziert. Sie stellen dabei fest, daß das Hydrazin tatsächlich ein Zwischenprodukt ist, und erklären auch, wie es gebildet wird.

Daß das Bakterium im Zuge der Anaeroben-Ammoniak-Oxidation (Anammox) das im Urin enthaltene Ammoniak auffrißt und dabei Hydrazin ausspuckt, ist schon seit den 1990er Jahren bekannt. Als sich damals aber herausstellte, daß die mit dieser Methode erzeugbaren Hydrazin-Mengen nur gering sind, verlor auch die NASA, die mit Astronauten-Urin zum Mars fliegen wollte, das Interesse.

Jetten erforscht nun trotzdem die genaue Kristallstruktur des Proteinkomplexes, der dem Anammox-Bakterium seine außergewöhnliche Fähigkeit verleiht, um zumindest zu einer Verbesserung des Hydrazin-Produktionsprozesses beizutragen. „Und bis zum Marsflug vergehen ja noch einige Jahre“, so der Mikrobiologe. Kommerziell wird die Anammox-Reagtion bereits in der Wasserpurifikation eingesetzt – als Alternative zur klassischen Kläranlage, die ebenso Stickstoff entfernt, dabei jedoch ohne Sauerstoff und somit auch ohne Luftpumpen auskommt, was den Vorgang wesentlich billiger macht.


Bereits im Dezember 2011 folgen Berichte über ein weiteres Urin-System, das den passenden Namen Uri charger system trägt, umweltfreundlich und auch tragbar ist. Es verfügt über eine separate Einheit, die in die Seite einer passenden Toilette eingesteckt wird und den Urin von anderen Abfällen trennt. Der Urin kommt in einen Sammelbehälter, in welchem sich ein aus Schichten von Kupfer und Magnesium bestehender Metallstreifen befindet, welcher eine elektrische Ladung erzeugt, sobald er in Kontakt mit dem Urin kommt.

Das sehr handliche und leichte Uri-System, das pro 0,2 ml Urin bis zu 1,5 V Strom erzeugt, kann einfach transportiert werden, um insbesondere beim Camping, Wandern oder Trekking genutzt zu werden, wenn man an Orte gelangt, wo es möglicherweise keine Stromversorgung gibt. Leider ist inzwischen nicht mehr herauszufinden, wer diese Entwicklung durchgeführt hat – oder was aus ihr geworden ist.


Das Thema der Ammoniumrückgewinnung und Energieerzeugung aus Urin wird auch von dem Centre of Excellence for Sustainable Water Technology (Wetsus) im niederländischen Leeuwarden verfolgt, wie man aus einem im Februar 2012 veröffentlichen Bericht entnehmen kann.

Als Alternative zur energieintensiven Stickstoffrückgewinnung durch das Strippen von NH3, d.h. dem ,Ausblasen’ flüchtiger Stoffe aus einer wässrigen Lösung und Überführung in die Gasphase, das zudem große Mengen an Chemikalien erfordert, entwickeln die Wetsus-Forscher eine MFC, um das Ammonium wieder zu gewinnen und gleichzeitig Energie zu erzeugen.

Diese MFC verwendet eine Gasdiffusionskathode, wobei der Ammoniumtransport zur Kathode aufgrund der Abwanderung von Ammonium und der Diffusion von Ammoniak erfolgt. In der Kathodenkammer wird ionisches Ammonium aufgrund des hohen pH-Werts zu flüchtigem Ammoniak umgewandelt, welches von der Flüssigkeits-Gas-Grenze über Verflüchtigung und anschließende Absorption in einer sauren Lösung wiedergewonnen wird.


Im August 2013 ist zu erfahren, daß es Forschern der Ruhr-Universität Bochum (RUB) durch Genmanipulationgelungen ist, Mikroorganismen dazu bringen, Wasserstoff zu produzieren. Sie erreichen dies in einem zweistufigen Prozeß, bei dem Hydrogenasen entstehen, Biokatalysatoren bzw. Enzyme, welche die reversible Oxidation des molekularen Wasserstoffs katalysieren. Ein einziges Hydrogenase-Molekül kann im günstigsten Fall 9.000 Wasserstoffteilchen pro Sekunde herstellen.

In einem weiteren Schritt sollen diese Moleküle in hoch produktive Bakterien eingeschleust werden, die in einer Nährlösung schwimmend und von der Sonne oder Kunstlicht beschienen wirtschaftlich relevante Mengen an Wasserstoff erzeugen. Damit seien MFCs möglich, die Sonnenlicht direkt in Strom umwandeln.


Von der Universidad de Alcalá in Madrid, Spanien, wird im September 2014 eine Studie veröffentlicht, in der es darum geht, in einem Bio-Elektrochemischen System (BES) die schrittweisen Akklimatisierung von bioelektroaktiven Mikroorganismen an konzentrierten Humanurin zu fördern, sowie unterschiedliche Anodenpotentiale und Kohlenstoffmaterialien in MFCs zu beurteilen.


Daneben gibt es noch einige weitere Ansätze, die Urin energetisch nutzen, die ich hier kurz streifen möchte, auch wenn sie nicht auf bakteriellen Prozessen basieren.

Auf der Erfindermesse Maker Fair 2012 zeigen vier Mädchen aus Nigeria, alle im Alter von 14 und 15 Jahren, einen selbstentwickelten Urin-Generator, wofür sie auch prompt mit dem Erfinderpreis Afrika 2012 ausgezeichnet werden. Das Gerät funktioniert allerdings nicht bakteriell, sondern über eine Elektrolysezelle, die den Wasserstoff im Urin abtrennt. Das H2 wird anschließend durch ein Wasserreinigungssystem geschleust und dann in eine Gasflasche gepreßt, von wo aus es in einen mit Natriumborat gefüllten Zylinder geführt wird, um die Feuchtigkeit aus dem Gas zu trennen. Der gereinigte Wasserstoff kann dann in dem Generator eingesetzt werden, wobei 1 Liter Urin Elektrizität für rund 6 Stunden liefert. Wieviel Strom produziert wird, ist jedoch nicht bekannt.

An einer weiteren Anwendung von Urin arbeiten Forscher der Australian National University (ANU), die sich 2012 mit der Entwicklung eines neuen Plasmatriebwerks für tiefe Weltraummissionen befassen (s.d.). Im Gegensatz zu den meisten derartigen Triebwerken, die teure Edelgase wie Xenon verwenden, soll der Helicon Double Layer Plasma Thruster (HDLT) in der Lage sein, praktisch jede Art von Treibmittel zu verwenden, einschließlich menschlichem Urin.

Im April 2012 melden die Blogs, daß auch die Delft University of Technology Tests mit Ammoniak aus Urin durchführt, das für Brennstoffzellen in Abwasserbehandlungsanlagen verwendet werden soll – als Alternative zu den teuren und verlustreichen Wasserstoff-Brennstoffzellen. Für die erfolgreiche Erprobung des Systems in einer Versuchsanlage in der Nähe von Groningen war das Hochschulteam um P. V. Aravind, das von der Beratungsfirma Royal HaskoningDHV geleitet wird, bereits 2010 mit dem Vernufteling-Preis ausgezeichnet worden.

Bei der Technologie, die nicht nur Energie spart, sondern auch Phosphat recycelt, werden die Nährstoffe chemisch entfernt, um die Energieerzeugung zu optimieren. Dies geschieht, indem man dem Urin Magnesiumhydroxid hinzugefügt, welches das Nitrat und das Phosphat in ein unlösliches Salz bindet. Das Struvit genannte Salz wird für die Kraftstofftests nach Delft transportiert, wo es erhitzt wird, bis das Ammoniak entweicht. Wir dieses dann auf hohe Temperaturen von mehr als 750°C aufgeheizt, trennt es sich in Wasserstoff und Stickstoff. Die Brennstoffzelle verbrennt den Wasserstoff mit Sauerstoff aus der Luft und erzeugt Energie mit einen Wirkungsgrad von 50 – 60 %.

Michael Hoffmann vom California Institute of Technology in Pasadena stellt wiederum 2013 ein Strom-Klo vor, das ebenfalls mittels Elektrolyse funktioniert. In seinem Reaktor entsteht aus Urinbestandteilen Wasserstoffgas, mit dem wiederum eine Brennstoffzelle angetrieben wird, während die Überreste der Reaktion genutzt werden, um die Toilette zu spülen. Bei der Reinvent the Toilet Challenge der Bill und Melinda Gates Stiftung gewinnt Hoffmann mit seiner Idee 100.000 $.

Ebenfalls nicht bakteriell ausgerichtet, aber dennoch auf Urin basierend, ist ein Plan der NASA, der im April 2014 in der Presse kursiert. Astronauten gewinnen schon seit Jahrzehnten Wasser, das aus recyceltem Urin hergestellt wird. Nun soll mit Hilfe eines anderen Verfahrens namens Vorwärtsosmose auch Ammoniak daraus gewonnen werden, um damit Brennstoffzellen zu versorgen. Das Urea Bioreactor Electrochemical system (UBE) genannte Gerät wird von Eduardo Nicolau, Carlos R. Cabrera und ihren Kollegen entwickelt.

 

Doch neben Glukose, Blut und Urin kommen bei MFCs auch noch diverse weitere Flüssigkeiten zum Einsatz.


Im August 2010 präsentieren Wissenschaftler der Saint Louis University in Missouri um die Chemikerin Shelley Minteer, die uns bereits weiter oben schon einmal begegnet ist, den ersten Prototyp einer Bio-Brennstoffzelle, die mit einigen Tropfen Speiseöl, Cola oder ähnlichen Flüssigkeiten funktioniert.

In ihrer Bio-Batterie befindet sich eine hauchdünne Folie mit Mitochondrien, die genauso wie in lebenden Organismen Zucker- und Fettmoleküle in den Zelltreibstoff Adenosintriphosphat (ATP) umwandeln, wobei Elektronen transportiert werden, die über eine Elektrode abgegriffen werden können. Der Strom entsteht durch den Zusatz von Sauerstoff, der sich an einer zweiten Elektrode mit Protonen zu Wasser verbindet. Bei ihren Versuchen können die Wissenschaftler zeigen, daß sich in ihrem System sowohl mit zucker-, als auch mit fetthaltigen Substanzen Strom erzeugen läßt, machen aber keine Angaben zu Spannung, Stromstärke oder Lebensdauer der Module.

Bis zu einer konkreten Anwendung wird es noch ein weiter Weg sein. Zudem ist eine lange Betriebsdauer unwahrscheinlich, da bei dem Stoffwechsel der deponierten Mitochondrien auch Abfallprodukte entstehen können.

Interessanterweise hatte Minteer bereits im Vorjahr einen einmal streichholzschachtelgroßen Sprengstoffsensor entwickelt, der vor allem Nitrosprengstoffe detektieren kann. Der Sensor enthält eine Flüssigkeit, in der zwei elektrisch leitende Plättchen stecken, von denen eines mit Mitochondrien bestückt ist, die aus Kartoffeln isoliert worden waren. In der Flüssigkeit des Sensors zersetzen sie Abbauprodukte der Zuckermoleküle zu Kohlendioxid und Wasser - wobei elektrischer Strom entsteht.

Damit der Biosensor aber nur dann anschlägt, wenn Sprengstoffe vorhanden sind, wird der Stromfluß erst einmal blockiert, indem die Mitochondrien in eine Schicht Oligomycin eingebettet werden. Dieser Naturstoff setzt einen Mechanismus außer Kraft, bei dem elektrisch geladene Teilchen aus der Flüssigkeit in das Innere der Zellkraftwerke befördert werden. Diese Stromblockade löst sich erst wieder auf, wenn sich Sprengstoff in die Flüssigkeit mischi, da die Nitroverbindungen die Mitochondrienhülle porös machen, sodaß die geladenen Teilchen wieder ins Innere gelangen und die Stromproduktion in Gang setzen.


Im Mai 2013 publizieren Forscher der University of California in San Diego um die Professoren Joseph Wang und Liangfang Zhang den Stand ihrer Arbeiten bei der Entwicklung einer epidermalen, d.h. auf der Haut anzubringenden Bio-Brennstoffzelle.

Da sich Gesundheit zunehmend mehr personalisiert, und auch für Sportler beim Training, werden gegenwärtig neue Möglichkeiten entwickelt, den Körper kontinuierlich zu überwachen, ohne dafür Bluttests machen zu müssen, wie es bislang üblich ist. Tragbare Biosensoren bieten zwar eine Lösung hierfür, benötigen aber Strom. Um den Bedarf an Batterien für diese zu vermeiden, konstruiert das kalifornische Team winzige Elektroden, die ihre Energie aus dem Laktat im menschlichen Schweiß beziehen und die Form eines hauchdünnen, flexiblen Klebetattoos haben, das aber äußerst stabil gegenüber Bewegungen ist. Damit werden invasive Systeme umgangen, die in den Körper implantiert werden müssen.

Schweiß-MFC

Klebe-Tattoo
mit Schweiß-MFC

Laktat wird gebildet, wenn der Körper nicht genug Energie aus der aeroben Atmung erzeugen kann und die anaerobe Atmung auslöst, welche Glukose oder Glykogen in Milchsäure umwandelt und dabei Energie erzeugt. Das Team macht sich dies zunutze, indem es eine Biokraftstoffzelle herstellt, die ein Laktat-Oxidase-Enzym an der Anode verwendet,  um das Laktat zu Pyruvat zu oxidieren (auch als Brenztraubensäure oder Acetylameisensäure bekannt). Eine auf Platinpartikeln basierend Kathode reduziert den vorhanden Sauerstoff, was gemeinsam die Zelle betreibt.

Als die Zellen an 15 Freiwilligen getestet werden, erzeugen diese auf den Trainingsfahrrädern mit 5 – 70 μW/cm2 ganz unterschiedliche Mengen an Strom, wobei die am wenigsten fitten Teilnehmer den meisten Strom produzieren. Dies ist insofern logisch, da der Körper einer untrainierten Person schneller schlappmacht und daher früher zusätzliche Energie mobilisieren und größere Mengen an Laktat produzieren muß. Für fittere Personen schlägt Wang daher vor, die Biokraftstoffzelle kontinuierlich zu tragen und mit einer Energiespeichervorrichtung zu koppeln.

Die Arbeiten werden von der National Science Foundation und dem Department of Energy unterstützt.

Im Januar 2015 meldet das gleiche Team, daß es ihm nun auch gelungen ist zu beweisen, daß künstliche, mikroskopische Maschinen innerhalb eines Lebewesens ohne nachteilige Auswirkungen reisen und ihre heilende Last abliefern können. Die Bewährungsprobe erfolgt im Körper einer lebenden Maus. Die Forscher hatten im Labor zuvor mit verschiedenen Designs und Brennstoffsystemen für Mikromotoren experimentiert, die in Wasser, Blut und anderen Körperflüssigkeiten reisen können.

Die nun entwickelten und von Mikro-Motoren bewegten, röhrenförmigen Nanobots sind etwa 20 µm lang, 5 µm im Durchmesser und mit Zink beschichtet. Angetriebenen werden sie durch Gasblasen aus einer Reaktion mit dem Inhalt des Magens, in dem sie deponiert wurden: Sobald die Maus die winzigen Röhrchen aufgenommen hat und diese den Magen erreichen, reagiert das Zink mit der Salzsäure in den Verdauungssäften und erzeugt einen Strom von Wasserstoff-Mikrobläschen, der die Nanobots für bis zu 10 Minuten wie Miniatur-Raketen vorwärts treibt.

Mit einer Geschwindigkeit von bis zu 60 µm pro Sekunde werden die Nanobots in Richtung der Magenschleimhaut geleitet, wo sie sich durch ihren Schub selbst einbetten und dann auflösen, um eine Nanopartikel-Verbindung direkt in das Darmgewebe abzugeben. Die Forscher bemerken, daß dabei fast viermal so viele Zink-Mikromotoren ihren Weg in die Magenschleimhaut finden, verglichen mit platinbasierten Mikromotoren, die mit nicht mit der Magensäure reagieren und daher auch nicht durch diese betrieben werden können.

In dem Experiment bekam die Maus einen winzigen Tropfen der Lösung, der Hunderte von Mikromotoren enthielt. Nachdem sich die Zink-Motoren durch die Säure aufgelöst hatten, verschwanden sie innerhalb von wenigen Tagen ohne toxische chemischen Spuren zu hinterlassen. Auch als die Maus schließlich eingeschläfert und ihr Magen untersucht wurde, zeigte die Anwesenheit der Nanobots keinerlei Anzeichen einer erhöhten Toxizität oder gar Gewebeschäden.

Während Nanobots bereits 2012 zur Zerstörung des Hepatitis C Virus in organischem Gewebe eingesetzt, und wieder andere 2014 innerhalb eines Lebewesens durch ein externes Wechselmagnetfeld angetrieben wurden, sind die neuen Mikromachinen der University of California die tatsächlich ersten selbstbewegten Nanobots der Welt, die nun die Chance haben, sie sich zu einer bewährten Methode der gezielten Arzneimittelverabreichung zu entwickeln. Angaben in Bezug auf weitere Tests oder Studien am Menschen sind bislang nicht gemacht worden.


Materialforscher der Carnegie Mellon University in Pittsburgh um Christopher Bettinger und Jay Whitacre haben einem Bericht vom Dezember 2013 zufolge eine besonders kreative Idee, wie sich elektronische Geräte im Inneren des menschlichen Körpers mit Energie versorgen lassen – indem sie auf einen Stoff zurückgreifen, der dort ohnehin bereits natürlich vorkommt: das Hautpigment Melanin. Wobei sich die Tinte vom Tintenfisch als besonders geeignet erweist.

Um die neuartige Bio-Batterie herzustellen werden aus einer Mixtur mit hohem Melaninanteil positiv geladene Anoden gebastelt, die auf einer Stahldrahtkonstruktion angebracht und mit Natrium-Ionen angereichert werden. Dabei zeigt sich, daß natürliches Melanin als Anode eine höhere Ladungsspeicherkapazität aufweist als synthetische Melaninderivate.

Bevor die Wissenschaftler das Melanin als vielversprechenden Werkstoff entdeckt haben, wurde auch mit einigen anderen Materialien experimentiert, die aber alle das Problem hatten, daß zusätzliche chemische Modifizierungen notwendig waren, um eine elektrische Ladung aufrechterhalten zu können. Im Gegensatz dazu kann Melanin in seiner natürlichen Form eingesetzt werden, wobei es möglicherweise einfach aus der menschlichen Haut gewonnen wird.

Im aktuellen Versuchsstadium schafft diese MFC-Variante bis zu fünf Stunden Laufzeit, hat aber bislang eine nur geringe Ausgangsleistung. Dafür ist sie biologisch abbaubar. Pigment-basierte Anoden sind übrigens auch ein wichtiger Bestandteil in Natrium-Ionen-Batterien, bei deren Entwickler Whitacre Pionierarbeit geleistet hat (s.d.).

Im September 2015 folgt die Meldung, daß bei Labortests inzwischen eine Leistung von 5 µW für bis zu 20 Stunden erreicht wird.


Über Prof. Bruce E. Logan von der Pennsylvania State University (PSU), der uns weiter oben bereits mit seiner Arbeit an Archaeen begegnet ist, ist im April 2014 zu erfahren, daß er die Idee seiner Mitforscherin Justine E. Mink umgesetzt habe, eine MFC in Mikrogröße zu entwickeln, die mit Speichel betrieben wird, in dem es eine Menge an organischem Material gibt.

Mit einer derartigen MFC könnten zwar nur winzige Mengen an Energie in einer Größenordnung von etwa 1 µW produziert werden, was aber trotzdem ausreichend ist, um On-Chip-Anwendungen im Bereich der biomedizinischen Ultra-Low-Power-Elektronik laufen zu lassen.

Eine mögliche Anwendung wäre ein winziger Eisprung-Prädiktor auf der Basis der Leitfähigkeit des weiblichen Speichels, der sich fünf Tage vor dem Eisprung verändert. Das Mikro-Gerät würde die Leitfähigkeit der Speichels messen und dann mit dessen Energie das Ergebnis zu einem nahen Handy senden. Da Speichel aber nicht die Art der Bakterien beinhaltet, die für eine MFC erforderlich sind, müßten die Hersteller ihre Geräte mit Bakterien aus der natürlichen Umgebung impfen.

Während auch die kleinsten MFCs bislang zwei Kammern besaßen, verwendet die neue Mikroversion eine einzige Kammer mit einer Luftkathode und einer Kohlenstoffanode, die mit Graphene statt mit Platin beschichtet ist. Luftkathoden waren in der Vergangenheit nicht verwendet worden, da die Bakterien, wenn sie Sauerstoff bekommen, diesen atmen und keinen Strom erzeugen.

Logan zufolge hätte man früher die Verwendung von Luftkathoden in diesen Systemen auch deshalb vermieden, um eine Kontamination der eng beieinander liegenden Elektroden mit Sauerstoff zu verhindern. „Diese Mikrozellen arbeiten allerdings mit Abstände zwischen den Elektroden von wenigen Mikron. Wir verstehen zwar nicht ganz, warum, aber sie funktionieren.“ Die MFC, die bislang mit Acetat und menschlichem Speichel getestet wurde, soll auch jede andere Flüssigkeit mit ausreichend organischem Material verwenden können.


Wie im Oktober 2014 zu erfahren ist, haben Forscher der Universität von Grenoble in Frankreich aus Garnelenschalen und Gardenien-Früchten gewonnene Verbindungen dazu verwendet, die Lebensdauer von medizinischen Implantaten zu verlängern, die mit Körperflüssigkeiten arbeiten.

Traditionelle Biokathoden verwenden zumeist kupferhaltige, ,blaue’ Laccasen als Oxidationsenzyme, die in vielen Pflanzen, Pilzen und Mikroorganismen vorkommen. Hohe Konzentrationen von Chlorid-Ionen in der extrazellulären Flüssigkeit können die Enzymaktivität jedoch beeinträchtigen und die Lebensdauer der Glukose-Biokraftstoff-Brennstoffzellen (Glucose Biofuel Fuel Cells, GBFC) verkürzen.

Um dieses Problem zu lösen, verkapselt das Team um Donald K. Martin die Laccase in einem selbstentwickelten Verbundwerkstoff, der aus Chitosan, einem natürlich und reichlich vorhandenen Biopolymer, das in Krustentierschalen und Pilzen gefunden wird, aus Genipin, einer aus Gardenien extrahierten Chemikalie, sowie aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen besteht. Die Eigenschaften des Genipin als ein natürlicher Vernetzer liefert dem Chitosan-Polymer zusätzliche Festigkeit und erhöht die Stabilität der Biokathode, während die entzündungshemmende Wirkung des Genipin ihre Biokompatibilität steigert.

Damit gelingt es den Wissenschaftlern, einer Ratte eine elektrochemische Energy-Harvesting-Vorrichtung zu implantieren, die für bis zu 6 Monate im Körper verbleiben kann, ohne eine Immunreaktion auszulösen. Im Vergleich zu früheren Versuchen bedeutet der Chitosan- und Genipin-Polymer eine vielversprechende Verbesserung.


Eileen H. Yu
von der Newcastle University, die uns bereits weiter oben begegnet ist, veröffentlicht gemeinsam mit ihren Kollegen im Februar 2016 einen Bericht über die Energiegewinnung aus menschlichem Serum mittels Bio-Brennstoffzellen, deren Anoden- und Kathodenelektroden auf Buckypapier aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen basieren, welches durch Glukosedehydrogenase bez. Laccase modifiziert wird.

Für zukünftige Anwendungen in der Biomedizin und als implantierbare medizinische Geräte werden die modifizierten Elektroden elektrochemisch charakterisiert und zu einer Bio-Brennstoffzelle zusammengebaut. Diese erreicht im Labor mit menschlichem Serum mit einer Glukosekonzentration, die geringe als die physiologische ist, eine Leistungsdichte von 16,12 µW/cm2. Eine Erhöhung der Glukosekonzentration und der Temperatur der Zelle führt zu einer Leistungssteigerung bis zu 49,16 µW/cm2.


Zum Abschluß noch zwei periphere Innovationen, die aber sehr gut hierher passen.

Blood Lamp

Blood Lamp

Von einigen als äußerst schockierend empfunden wird die Blood Lamp von Mike Thomson, der gemeinsam mit Susana Cámara Leret die experimentell-kritische Kunst- und Design-Forschungspraxis Thought Collider in Amsterdam leitet. Die etwas gruselige aber faszinierende Konzept-Lampe aus dem Jahr 2009 erfordert eine besonders engagierte Anstrengung um aufzuleuchten, denn der Benutzer muß hierfür die Spitze abbrechen, eine mitgelieferte Tablette in der Flüssigkeit auflösen – und dann einige Tropfen seines eigenen Blutes verwenden.

Dadurch, daß die Lampe nur einmal verwendet werden kann, muß der Benutzer entscheiden, wann das Licht am meisten benötigt wird, was ihn dazu zwingt zu überdenken, wie verschwenderisch er ansonsten mit Energie umgeht – und wie wertvoll sie tatsächlich ist.

Bei der Erforschung biologischer und chemischer Energieprozesse einschließlich der Biolumineszenz war das Team auf Luminol gestoßen, eine Chemikalie, die häufig in der polizeilichen Forensik verwendet wird um das Vorhandensein von Blut am Tatort zu bestimmen. Bei Kontakt mit Blut reagiert Luminol mit dem im Hämoglobin befindlichen Eisen durch das Emittieren eines starken blauen Lichts.

Inspiriert von dieser chemischen Reaktion überlegen die Kunstdesigner, wie sich unser Verhalten gegenüber Energie verändern würde, wenn wir gezwungen wären, unser eigenes Blut als Energiequelle zu nutzen. Wobei betont wird, daß die Blut-Lampe nicht als echtes Verbraucherprodukt gemeint ist, sondern als Teil einer Debatte.


Über eine indirekte Form der Nutzung, bei welcher Blutanteile die Funktion eines Schalters übernehmen, der einen winzigen Stromkreis auslöst, berichten im April 2011 Forscher des Labors von Prof. Richard Crooks an der University of Texas in Austin.

Aus einer LED, etwas Aluminiumfolie, Gelatine, Milchprotein und ein paar anderen billigen Materialien haben sie einen winzigen Sensor entwickelt, der dabei helfen soll Schäden zu verhindern und das Leben von Menschen zu retten, und zwar durch die Feststellung akuter Pankreatitis, einer Entzündung der Bauchspeicheldrüse, die zu Bauchschmerzen, Fieber, Schock und manchmal zum Tod führt.

Der Sensor benötigt keine Fremdenergie und beginnt seine Reaktion, wenn ein Tropfen Blut des Patienten auf eine Schicht aus Gelatine und Milchprotein innerhalb der Vorrichtung getropft wird. Hat der Patient Pankreatitis, wird sein Blut hohe Mengen von Trypsin enthalten, welches die Gelatine und das Milcheiweiß schmelzen läßt. Nun wird ein Tropfen Natriumhydroxid – oder Lauge – hinzu gegeben. War die Trypsinmenge hoch genug, um die Gelatine zu schmelzen, liegt die Schicht aus Aluminiumfolie offen und wird durch das Natriumhydroxid aufgelöst.

Sobald sich die Aluminiumfolie auflöst, bildet sich ein Strom zwischen einer Magnesium-Anode und dem Eisensalz an der Kathode – worauf eine rote LED aufleucht und das Vorliegen einer Pankreatitis meldet. Der gesamte Prozeß dauert etwa eine Stunde.


Insekten und Weichtiere


Etwas größer als ihre bakteriellen Arbeitskollegen sind die Insekten, die nun ebenfalls antreten müssen, um mit ihren Kräften Strom zu produzieren, genauso wie verschiedene Weichtiere.


Einem Bericht vom November 2011 zufolge arbeiten Forscher der University of Michigan um Prof. Khalil Najafi und den Doktoranden Erkan Aktakka derzeit an einer Reihe von Cyborg-Insekten, welche mit der eigenen Flügelbewegung Energie erzeugen, um Sensoren zu betreiben, die in winzigen ,Insekten-Rucksäcken’ installiert sind. Dabei probieren die Wissenschaftler unterschiedliche Versionen von Energiegewinnungssystemen aus, um die Käferbewegungen sinnvoll zu nutzen. Der gewonnene Strom dient wiederum der neuronalen Beeinflussung der Tiere.

Für die Versuche mit den Käfern werden neben balkenförmigen auch spiralförmige piezoelektrische Generatoren entwickelt, um trotz des begrenzten Bereichs die Ausgangsleistung zu maximieren. Ihre Herstellung aus piezoelektrischen Substraten erfolgt mit einem Femtosekunden-Laser und einem Minimum an Beschädigung des Materials. Mit diesen Generatoren können jeweils rund 45 µW gewonnen werden. Je näher sie an den Flügelwurzeln verankert sind, desto effizienter nutzen sie die Bewegungen, als Spitzenwert werden 115 µW erreicht. Von einer direkten Anbindung an die Flügel wird die 10-fache Energiemenge erhofft, da erst diese ausreichen würde, die neuronalen Implantate zu versorgen.

Laborversuch mit Käfer

Laborversuch mit Käfer

In dem Bericht abgebildet wird allerdings auch ein Konzept, das neben dem ,Mind-Controller’ (mit dem die Insekten ferngesteuert werden) und den Sensoren ein ganzes Kraftwerk umfaßt, bestehend aus Dünnschicht-Solarzellen, piezoelektrischen und thermoelektrischen Harvestern sowie einer Dünnschichtbatterie. Auf dem Labor-Foto ist wiederum ein Insekt zu sehen, das mit einem balkenförmigen piezoelektrischen Generator ausgestattet ist.

Durch das Abfangen der Energie könnten potentiell Kameras, Mikrofone, Gas- oder andere Sensoren sowie Kommunikationstechnik betrieben werden, um die ,verwanzten’ Käfer in Zukunft als Ersthelfer in für den Menschen gefährliche oder geschlossene Umgebungen zu schicken. Die kleinen fliegenden Insekten-Roboter könnten dann die ersten sein, die Landmassen nach Naturkatastrophen wie Vulkanausbrüchen oder Tsunamis überblicken – oder auch von Menschen verursachte, wie Atom- oder Chemiekatastrophen.

Es ist logisch, daß die Forschung durch einen Zuschuß au dem Hybrid Insect Micro Electromechanical Systems (HI-MEMS) Programm der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) unterstützt wird. Diese hatte bereits Anfang 2006 zu entsprechenden Forschungsvorhaben auf dem Gebiet der Schnittstellen zwischen Insekten und Mikroelektromechanischen Systemen angerufen. Die Universität verfolgt nun den Patentschutz ihrer Entwicklung und sucht Kommerzialisierungs-Partner, um die Technologie auf den Markt zu bringen.


Schon im Januar 2012 folgt die nächste Nachricht aus der Welt der Energie-Insekten. Demnach ist es Forschern der Case Western Reserve University in Cleveland, Ohio, gelungen, Strom aus Kakerlaken abzuzapfen, die nur auf der normalen Nahrungsaufnahme des Insektes beruht.

Aufgrund der Erkenntnis, daß es viel einfacher ist, ein echtes Insekt zu verwenden, als von vorne anfangen, eine Vorrichtung zu schaffen, die wie ein Insekt arbeitet, entwickelt ein Team um die Professoren Roy E. Ritzmann, Daniel Scherson und Irene Lee im Laufe von fünf Jahren eine implantierbare Biokraftstoffzelle, die genug nutzbare Leistung erbringen soll, um verschiedenen Sensoren, Aufnahmegeräte oder die Elektronik zur Steuerung eines Insekten-Cyborgs zu betreiben.

Um die chemische Energie aus den Insekten zu ernten und in Strom zu wandeln, verwendet das Team als Anode  zwei Enzyme in Serie. Das erste Enzym spaltet den Zucker Trehalose, den eine Kakerlake ständig aus ihrer Nahrung erzeugt, in zwei einfachere Zuckerformen namens Monosaccharide, während das zweite Enzym die Monosaccharide oxidiert um Elektronen freizusetzen. Der Strom fließt, wenn die Elektronen zu der Kathode gezogen werden, wo Luftsauerstoff die Elektronen aufnimmt und zu Wasser reduziert wird.

Nach der Prüfung des Systems mit einer Trehalose-Lösung, führt das Team Prototyp-Elektroden in eine Nebenhöhle im Bauchraum einer weiblichen Gemeinen Küchenschabe (Blaberus discoidalis) ein, fern von kritischen Organen, wobei das Insekt keine langfristigen Schäden erleidet, was den Forschern zufolge ein gutes Zeichen für eine ebenfalls langfristige Nutzung sei. Da die Insekten ein offenes Kreislauf-System haben, steht ihr Blut nicht unter so starkem Druck wie bei Wirbeltieren, was die Sache auch viel einfacher macht.

Mit ein Instrument namens Potentiostat kann das Team feststellen, daß die maximale Leistungsdichte der Brennstoffzelle ca. 55 µW/cm2 bei 0,2 V erreicht, was sich nach ca. 2,5 h Betrieb um nur rund 5 % verringert. Die Forscher arbeiten nun daran, die Zelle soweit zu miniaturisieren, daß sie vollständig in ein Insekt implantiert werden kann, ohne es dabei zu behindern, wie normal zu laufen oder zu fliegen. Dabei wird auch getestet, welche Materialien für eine lange Zeit in einem Insekten überdauern könnten. Die Wissenschaftler glauben, daß es möglich ist von Kakerlaken einige hundert Mikrowatt zu erhalten.

Gemeinsam mit mit anderen Forschern arbeitet das Team zudem an der Entwicklung eines Signalgebers, der mit wenig Energie auskommt, wobei auch untersucht wird, wie sich ein leichter Akku zu dem System hinzuzufügen ließe. Und auch hier hat man bereits konkrete Vorstellungen, wie ein Einsatz aussehen könnte: Ein mit einem entsprechenden Sensor ausgestattetes Insekt soll beispielsweise die Menge eines schädlichen Gases in einem Raum messen, die Ergebnisse senden, für eine Stunde pausieren, um den Akku aufzuladen, und dann eine neue Messung durchführen und wieder ausstrahlen.

Die Forscher des Biorobotics Laboratory der Universität hatten übrigens schon 2006 eine große Roboterschabe aus Metall gebaut, die nicht nur die Anatomie der Insektes nachahmt, sondern auch die Art und Weise, wie dessen Gliedmaßen gesteuert werden. Gemeinsam mit Neurowissenschaftlern, die mit den Originalen arbeiten, will man die neuronalen Mechanismen ergründen, die es den Insekten erlauben, auf Hindernisse richtig zu reagieren. Die Wissenschaftler kooperieren dabei mit der Nasa, da das Kakerlaken-Knowhow einmal Robotern für einen Einsatz auf der Mondoberfläche dienen soll.

Stromerzeugende Schnecke

Stromerzeugende
Schnecke


Im März 2012 berichtet eine Forschergruppe um Prof. Evgeny Katz an der Clarkson University in Potsdam, New York, daß sie in braune Gartenschnecken eine winzige Bio-Brennstoffzelle implantiert habe, die zur Stromerzeugung Glukose und Sauerstoff aus dem  Blut der Schnecke extrahiert. Die Elektroden bestehen aus dünnen Folien, die aus Kohlenstoff-Nanoröhren (Buckypapier) hergestellt sind.

Mit einer Lebensdauer der Schnecken von etwa einem Jahr sei ihre Arbeit das erste Beispiel für eine erfolgreiche, nachhaltige Stromerzeugung im Körpers ein lebendes Wesen über mehrere Monate. Nicht überraschend, daß sich das U.S. Department of Defense auch für diese Arbeiten interessiert und sie finanziert.

die Menge an Energie, die dabei zur Verfügung gestellt werden kann, ist durch die Größe der Elektroden begrenzt, sowie davon, wie schnell Zucker und Sauerstoff dem Blut entnommen werden können – bzw. der als Hämolymphe bekannten Flüssigkeit im Fall der Schnecken, die bis zu 7,45 µW produzieren, wobei die Energie aber schon nach 45 Minuten um 80 % zurückgeht. Um eine Dauerleistung zu erreichen, muß das Team die Energieextraktion auf 0,16 µW herunterzufahren.

Bei bedarfsgerechter Fütterung und mit Erholungszeiten ist die ,elektrifizierte’ Schnecke als biotechnologisches, lebendes ,Gerät’ in der Lage, Glukose zu regenerieren und dann eine neue Portion elektrischer Energie zu erzeugen. Dabei kann sie in ihrer natürlichen Umgebung operieren und elektrische Mikroleistung für verschiedene bioelektrische Geräte für militärische und Umweltzwecke aktivieren. Den Forschern zufolge sind die Tiere sehr fit - sie fressen, trinken und kriechen augenscheinlich recht zufrieden herum.

Stromerzeugende Muschel

Stromerzeugende
Muschel

Im April folgt der Bericht über der weiteren Versuch mit einer lebenden Batterie, der diesmal mit Venusmuscheln durchgeführt wird und die von diesen hergestellte Glukose als Brennstoff nutzt, wobei die Aktivitäten der Muscheln stark abhängig von den Umgebungsbedingungen sind, die ihre physiologische Prozesse beeinflussen. Das einzelne der Weichtiere erzeugt eine Spannung von ca. 800 mV, einen Kurzschlussstrom von 25 μA und eine Maximalleistung von 5,2 μW, während mit der seriellen und parallelen Verbindung von 3 ,elektrischen’ Muscheln bei 360 mV etwa 300 μA bzw. 37 μW erreicht werden.

Eine derartige Muschel-Batterie wird mit einem Kondensator verbunden, der auf 240 mV aufgeladen wird und eine akkumulierte elektrische Energie von umgerechnet 28,8 mJ bereitstellt. Durch Entladen des Kondensators kann ein Elektromotor in Drehung versetzt werden.

Katz stößt nun zu größeren Tieren vor, deren Stoffwechsel mehr Leistung zur Verfügung stellt – wie beispielsweise Hummer. Und so werden auch diese Krebstiere ins Labor geholt, wobei der Forscher betont, daß die Tiere keine Schmerzen fühlt, da Hummer dort, wo man sie aufschneidet, keine Nervenenden besitzen. Außerdem beanstandet Katz, daß trotz jahrelanger Arbeit bislang noch keines der involvierten Teams Versuche unternommen hätte, mit den enzymatischen Brennstoffzellen echte elektronische Geräte mit Strom zu versorgen.

In einem im September 2012 veröffentlichten Artikel wird beschrieben, wie in zwei lebende Hummer Bio-Brennstoffzellen implantiert und in Reihe geschaltet werden. Die Technik hat sich nicht geändert, auch hier katalysieren Enzym-modifizierte Elektroden in den Zellen die Glukoseoxidation und Sauerstoffreduktion in der Flüssigkeit innerhalb des Hummer-Körpers um einen Strom zu erzeugen. Bei dem erfolgreichen Experiment wird mit 12 µW bei 1,2 V immerhin genug Strom produziert, um eine Digital-Uhr zu betreiben.

In einem zweiten, separaten Versuch schalten die Forscher fünf Bio-Brennstoffzellen in Serie und plazieren sie in einer fließenden Humanserum-Lösung. Das fluidische System, das den menschlichen Blutkreislauf nachahmt. Um reale Bedingungen zu replizieren, versetzen sie die Lösung mit verschiedenen Konzentrationen von Glukose, wie sie einem hungrigen gesunden Menschen entspricht, einer normalen gesunden Person und einer Person mit Diabetes.

Zudem lassen sie die Serumlösung in unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten zirkulieren, um darstellen, ob eine Person ruht oder aktiv ist. Die fünf verknüpften Zellen sind in der Lage genug Strom zum Betrieb eines Herzschrittmachers zu liefern (3V), was bedeutet, daß diese eines Tages tatsächlich keine Batterien mehr benötigen könnten.

Bevor diese Geräte wirklich in den menschlichen Körper implantiert werden, gibt es noch zwei Probleme zu lösen. Der erste ist, den Spannungsausgang der Zellen zu erhöhen, weshalb das Team an einer entsprechenden Ladungspumpe arbeitet, deren Ergebnisse in wenigen Monaten bekanntgegeben werden sollen. Das andere Problem ist die Stabilisierung der biokatalytischen Elektroden für Langzeitbetrieb, was als große Herausforderung gilt und noch einige Jahre dauern kann. Mehr über solche Systeme findet sich unter Flüssigkeiten (s.o.).


Im Mai 2012 folgt die Meldung, daß Sameer Singhal und seine Kollegen bei der CFD Research Corp. in Huntsville, Alabama, gemeinsam mit der bereits bekannten Shelley D. Minteer (die inzwischen anscheinend an der University of Utah gelandet ist) ebenfalls Bio-Brennstoffzellen in Käfer implantieren.

Unter Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen werden zwei verschiedene Enzyme auf den Elektroden einer Brennstoffzelle immobilisiert, um aus Glukose Elektronen freizusetzen, wobei bislang nur zwei der in einem einzigen Glukose-Molekül verfügbaren 24 Elektronen nutzbar gemacht werden können, was durch Verfeinerungen der Technik in Zukunft gesteigert werden soll.

Nachdem Singhal den Prototyp in Größe eines Cents in die Insekten implantiert hat, die den Prozeß auch überleben, erzeugen diese für mehr als zwei Wochen lang über 20 µW. Das ist zwar nur etwa ein Fünftel der Energie, die einen Herzschrittmacher benötigt, doch die Wissenschaftler rechnen damit, daß ein Version der Zelle in ,Menschen-Größe’ genug Strom liefern könnte.

Probleme bilden zudem ein Biofouling genannter Prozeß, bei dem im Körper implantierte Fremdkörper mit Proteinen und Gewebe verkrusten, was die Bio-Brennstoffzellen schon nach wenigen Monaten außer Betrieb setzen könnte. Ebenso beunruhigend sind die Enzyme, die im Laufe der Zeit zu Ausfällen neigen.

In einem im Juni veröffentlichen Bericht bieten Rahul Sarpeshkar und seine Kollegen vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) eine Lösung für beide Probleme an. Zum einen eine Glukose-Brennstoffzelle, die sich aufgrund ihres Platin-Katalysators mit der Zeit nicht verschlechtert. Der Nachteil ist hier, daß Platin ein weniger effizienter Katalysator ist als die von Singhal verwendeten Enzyme – und daß die damit gebaute Zelle auch dementsprechend weniger gut funktioniert.

Die Lösung für das Problem mit dem Biobewuchs ist wiederum, die Brennstoffzelle in der Cerebrospinalflüssigkeit (CSF) zu implantieren, die das Gehirn umgibt. Zwar weist die CSF nur die Hälfte der Glukosekonzentration des Blutstromes auf, ist dafür aber praktisch frei von den Proteinen und Zellen, die in anderen Bereichen des Körpers implantierte Vorrichtungen verunreinigen würden.

Ein weiterer Ansatz des MIT könnte sogar mehr Energie liefern. Einige im Boden lebende Bakterien werden so verändert, daß sie die Elektronen aus der Glukose-Oxidation auf Eisen-Moleküle übertragen, was den Forschern ermöglicht, sie zu überlisten auf der Anode einer Brennstoffzelle zu leben. Eine derartige Mikrobenkolonie, die in geeigneter Weise vom Immunsystems des Wirts isoliert ist, könnte dazu genötigt werden, mit Elektronen aus dem Blutstrom zu ,handeln’. Da die Bakterien ihre eigenen Enzyme erneuern können, würde ein solches System auf unbestimmte Zeit funktionieren. Vermutlich wird die Idee, eine Bakterienkolonie in einem Patienten zu implantieren, jedoch auf der Widerstand der medizinischen Regulierungsbehörden stoßen, ganz zu schweigen von der öffentlichen Meinung.

Alternativ ließen sich aber auch einige der körpereigenen Zellen trainieren, die Arbeit zu tun. Ähnlich dem veralteten Verfahren der Kardiomyoplastik, bei dem ein selten verwendeter oberer Rückenmuskel durchtrennt und um das Herz gewickelt wird, um dieses beim Pumpen von Blut zu unterstützen, könnten entsprechende Muskelfasern ,umgeschult’ werden, um einen elektromechanischen Generator anzutreiben. Mehr zu solchen Vorrichtungen weiter unten.


Im Februar 2014 ist zu erfahren, daß auch an der Osaka University und der Tokyo University of Agriculture and Technology daran gearbeitet wird, energetisch selbstbetriebene Cyborg-Schaben zu entwickeln, die dabei helfen sollen, Katastrophenopfer zu lokalisieren.

Die japanischen Wissenschaftlern zeigen eine kleine Trehalose-Brennstoffzelle, mit welcher die Insekten in ein drahtloses Sensornetzwerk mit eigener, batterieloser Stromversorgung verwandelt werden können, und dies zu einem Bruchteil der Kosten und des Wartungsaufwand im Vergleich zu den sonst üblichen Netzwerken.

Die Körperflüssigkeit mit der Trehalose strömt durch den Prozeß der Diffusion in ein kleines, nadelförmiges Rohr, das in den Rumpf des Insekts eingesetzt und mit einem Tank verbunden ist. Dort wandeln Enzyme die Trehalose in Glukose, die dann von den Elektroden oxidiert wird. Tests mit 3D-gedruckten Prototypen ergeben, daß eine der kleinen, aber kräftigen Schaben bis zu 50,2 μW Strom erzeugen kann.


Die Meldung, daß auch Kaninchen Bio-Brennstoffzellen implantiert bekommen haben, ließ sich bislang nicht verifizieren.

Die von einigen Tieren natürlich und selbständig erzeugte Elektrizität, wie z.B. die Stromstöße des Zitteraals, werden am Ende des Kapitels Muskelkraft behandelt (s.d.).


Muskuläre Systeme


Muskelenergetische Systeme der makroskopischen Ebene sind bereits ausführlich im vorangegangenen Kapitel Muskelkraft beschrieben worden. Hier geht es demgegenüber um einzelne Muskelzellen oder kleinere Stränge, die nichts desto trotz ebenfalls dazu angehalten werden, sinnvolle Arbeit zu leisten.


Die erste Meldung, die mir diesbezüglich vorliegt, stammt aus dem Jahr 1999, als die beiden Bioingenieure Robert Glenn Dennis und Hugh M. Herr am Artificial Intelligence Laboratory der Massachusetts Institute of Technology (MIT) die Biomechatronics Group gründen, um muskel-basierte Roboterantriebe und Hybridprothesen zu entwickeln. Herr ist dazu auch persönlich motiviert, da ihn eine Erfrierung beide Beine unterhalb des Knies gekostet hat und er nun hofft, mit dieser Arbeit zur Verbesserung der künstlichen Gliedmaßen beizutragen.

Im September 2000 präsentieren die beiden Forscher das erste funktionierende Gerät, das sie herstellen, indem sie in einen 12 cm langen Roboter-Fisch ein Paar Halbsehnenmuskeln eines Frosches einnähen. Ein Mikroprozessor sendet den Muskeln auf beiden Seiten des Hybriden elektrische Signale, worauf sich diese zusammenziehen und den Prototyp in einer Glukoselösung herumschwimmen lassen, welche die Muskeln wiederum mit Energie versorgt. Allerdings ,halten’ die Muskeln nur für sieben Stunden.

Damit sich der Prototyp, der eine Höchstgeschwindigkeit von etwa 60 mm/s erreicht, auch in normalem Wasser bewegen kann, soll der Roboter-Fisch in einem nächsten Schritt mit einem kleinen Magen ausgestattet werden, der die Muskeln über ein System feiner Kanäle mit Glukose versorgt. Für größere Muskeln müßte zudem ein Kreislauf-System hinzugefügt werden, das die Glukose in die Muskeln pumpt.

Froschmuskel-Roboterfisch

Froschmuskel-Roboterfisch

Das langfristige Ziel des Experiment ist, eines Tages Prothesen mit natürlichem Gewebe verbinden zu können – doch auch die US-Army will davon profitieren, weshalb die DARPA das Projekt finanziert und darauf hofft, daß Soldaten künftig mit muskelbetriebenen Anzügen schneller laufen, höher springen und mehr Waffen tragen können (als ob es nichts sinnvolles mit der Technologie anzustellen gäbe...). Es ist fast nicht zu glauben, aber das Pentagon investiert 50 Mio. $ in die Entwicklung dieser Muskel-Anzüge, in denen lebende Muskeln die Roboterkomponenten aktivieren sollen.

Dennis arbeitet zudem gemeinsam mit seinem Kollegen Paul Kosnik von der University of Michigan daran, Muskel-Kulturen zu kultivieren, die für mehrere Monate leben. Dabei setzen die Wissenschaftler menschliche Muskelfasern ein, die sie im Labor wachsen lassen, indem sie die elektrisch stimulieren. Es soll das erste Mal sein, daß menschliche Muskeln künstlich gezüchtet werden. Ausgangspunkt ist die Überlegung, daß die Technik in Zukunft einige Tierversuche überflüssig machen könnte, wenn sich Chemikalien auch an Muskelkulturen testen ließen.

Obwohl die Muskeln bereits drei bis fünf Monate überleben, verglichen mit nur ein paar Stunden bei natürlichen, aus dem Körper entfernten Muskeln, sie sind nur ein Zehntel so stark wie ihre originalen Vorbilder. Zudem sollen sie leicht oxidieren. Sogar der MIT-Kollege Hugh Herr ist skeptisch und fragt sich, wozu man künstliche Muskeln aufbaut, wenn sich echte Muskeln doch der Umwelt anpassen lassen und zudem in der Lage sind, sich selbst zu heilen und auch selbst zu regulieren. In jedem fall lassen sich Kosnik und Dennis ihre Technologie patentieren (US-Nr. 6.114.164, angemeldet 1998, erteilt 2000).

Ein ausführlicher Bericht über den schwimmenden Muskel-Roboter von Herr und  Dennis, der inzwischen an der University of North Carolina tätig ist, erscheint im Oktober 2004. Hier wird spezifiziert, daß der Roboter für insgesamt vier Stunden geschwommen ist und eine Lebensdauer von 42 Stunden hatte, bevor seine Geschwindigkeit auf unter 75 % des o.g. Maximum fiel.


In den späten 1990er Jahren beschäftigen sich die Professoren Carlo D. Montemagno und G. D. Bachand an der Cornell University in New York mit der Konstruktion organisch/anorganischer nanomechanischer Geräte, die durch biomolekulare Drehmotoren aus genetisch veränderten Proteinen angetrieben werden. Die Ziele des Teams sind, ein System zur Herstellung rekombinierter biomolekularer Motoren zu schaffen, biologische Molekülen auf Nanofabrikations-Substraten genau zu positionieren und orientieren, sowie die Leistungsdaten  biomolekularer Motoren in einem Hybridsystem zu erfassen.

In einem Bericht vom November 2000 beschreiben die amerikanischen Wissenschaftler, wie sie den ersten biomolekularen Motor aus dem Enzym ATPase konstruieren und testen, der mit einem winzigen Propeller bestückt ist. Das zytoplasmatische F1 Fragment der ATPase funktioniert dabei als ATP-betriebener Rotationsmotor und kann soll als mechanischer Aktuator zukünftig in selbstorganisierte nanomechanische Systeme integriert werden.

Das ATP (Adenosintriphosphat) ist ein Endprodukt von Prozessen wie Photosynthese und Zellatmung und kommt in allen lebenden Zellen vor. Es spielt eine wichtige Rolle beim intrazellulären Energiestoffwechsel als temporärer Speicher von chemischer Energie und liefert diese für die mechanische Arbeit lebender Systeme, wie beispielsweise die Zellteilung und die Muskelkontraktion.

Die Propeller aus Nickel sind jeweils lediglich 750 nm lang und 150 nm im Durchmesser und liegen damit im Größenbereich von Viren (17 – 1.000 nm). Dünne Schichten aus verbindenden Chemikalien sorgen dafür, daß die Propeller an das Enzym ATPase andocken. Um die Motorenen samt Propeller zu testen, werden sie auf 80 nm breite und 200 nm hohe Sockel montiert und in eine Lösung aus ATP und anderen Chemikalien getaucht.

Auf dem Foto sind zu sehen: eine elektronenmikroskopische Aufnahme der nanofabrizierten Nickel-Sockel (A), eine Zeichnung des biomolekularen ATPase-Motors (B), eine Aufnahme der ebenfalls nanofabrizierten Nickel-Propeller (C) sowie eine Zeichnung des montierten Motors (D).

Die Energie für den Antrieb der Propeller, die sich achtmal pro Sekunde drehen (andere Quellen: 3 – 4 U/s), entsteht aus einer chemischen Umwandlung, bei der ATP durch den Bruch einer Phosphatbindung zu Adenosin-Diphosphat (ADP) wird, was die durch das Enzym ATPase beschleunigt wird. Damit läßt sich der Motor mit dem gleichen ,Treibstoff’ betreiben wie lebende Muskelzellen.

Zwar laufen bei den Tests einige der ATP-Motoren bis zu zweieinhalb Stunden, doch von den ersten 400 mit Propellern ausgestatteten Minimotoren arbeiten lediglich fünf. Bei einigen lösen sich Propeller oder Sockel, andere springen nicht an oder verklumpen miteinander. Nach lösen dieser Probleme ist u.a. geplant, die Biomotoren mit Lichtenergie statt mit ATP anzutreiben.

Theoretische Modelle für solche ATP-Motoren hatten die Professoren Hong-Yung Wang und George Foster bereits 1998 an der University of California, Berkeley, entwickelt.

Die Forschungen werden mit einem erweiterten Team auch in den Folgejahren weiter getrieben, wobei 2002 über die erfolgreiche Steuerung einer biomolekular angetriebenen Nanovorrichtung mit einem gentechnisch konstruierten chemischen Schalter berichtet wird.

Prof. Montemagno erhält für seine Gesamtarbeit im Jahr 2003 den Feynman-Preis in Nanotechnologie.

Gemeinsam mit Jeff Jianzhong Xi von der University of California, Los Angeles (UCLA) meldet Montemagno im Februar 2004, daß es nun gelungen sei, biologisch aktive, hybride Nano/Mikroroboter zu konstruieren, die von Kardiomyozyten (Herzmuskelzellen) angetrieben werden. Diese bringen den Vorteil mit, besonders ausdauernd zu sein.

Für das Gerät wird ein Siliziumstab zu einem 50 µm weiten Bogen geformt und an der Unterseite mit einem Strang aus Herzmuskelfasern von Ratten verbunden. Die periodische Kontraktion und Entspannung dieser Muskelfasern, die nicht auf einem Punkt erfolgen, sondern in gerichtete Bewegung umgesetzt werden, beugen die Struktur und sorgen dafür, daß der ,Muskelbot’ mit einer Geschwindigkeit von 40 µm/s vorwärts kriecht. Unter dem Mikroskop ist zu sehen, wie sich der winzige, zweibeinige Roboter voranbewegt.

Der Siliziumbogen des Geräts mit der Hälfte der Breite eines menschlichen Haares, der mittels gängiger Maschinen aus der Mikrochipproduktion gefertigt und mit Kunststoff beschichtet wird, besitzt an der Unterseite einen Goldstreifen für die Verbindung mit den Muskelzellen. Um den Muskel wachsen zu lassen, wird der Bogen in eine Petrischale mit Muskelzellen in einer Glukosenährlösung gelegt, wo es drei Tage dauert, bis die Zellen zu einer Muskelfaser heranwachsen, die sich mit den Enden des Bogens verbindet.

Herzmuskelzellen-Mikroroboter

Herzmuskelzellen- Mikroroboter

Da ein großer Vorteil eines solchen Motors darin besteht, daß er selbst keine Elektrizität benötigt, sondern die nötige Energie aus Glukose beziehen kann, hofft Montemagno, daß diese Technologie Menschen mit beschädigten Zwerchfellnerven helfen könnte, ohne künstliche Beatmung auszukommen. Statt die Beine eines Roboters zu bewegen, würden die Muskelfasern piezoelektrisches Material biegen und dadurch einige Millivolt Strom erzeugen, mit denen die Zwerchfellnerven stimuliert werden können. Die Glukose für die Energieversorgung kann dabei dem Blutkreislauf des Patienten entnommen werden.

Die NASA, die Montemagno den Forschungsauftrag erteilt hat, denkt allerdings an eine andere Anwendung: Ganze Schwärme muskelbetriebener Mikroroboter sollen eines Tages durch Mikrometeoriten verursachte Löcher in Raumschiffen und Raumstationen stopfen.

Im Januar 2005 folgt die Meldung, daß das Team zwischenzeitlich ein neues System für den Zusammenbau mit Muskelkraft betriebener Mikrovorrichtungen entwickelt habe, da die aktuellen Verfahren für die manuelle Extraktion und anschließende Integration von Muskelgewebe in mikromechanische Strukturen zeitaufwendig ist und die lebendigen Komponenten dabei leicht beschädigt werden können.

Um diese Einschränkungen zu überwinden, basiert das neue System auf sinnvollen Manipulationen der Materialphasen und Schnittstellen. Dabei wachsen einzelne Zellen und organisieren sich selbst zu Muskelbündeln, die mit mikromechanischen Strukturen integriert sind und eine kontrollierbare, freie Bewegung ermöglichen. Nach der Realisation einer solchen Anordnung aus Herzmuskelzellen zeigen die Forscher zwei Anwendungsmöglichkeiten.

Diese sind ein Kraftwandler, der die mechanischen Eigenschaften des Muskels in situ charakterisieren kann, sowie eine selbstorganisierte, hybride organisch/anorganische Mikrovorrichtung, die sich als Folge der kollektiven kooperativen Kontraktion der Muskelbündel voranbewegt. Da die Herstellung von Mikrovorrichtungen aus Silizium in diesem Fall unabhängig von der späteren Montage der Muskelzellen ist, gilt dieses System als sehr vielseitig und kann zur Integration von Zellen und Gewebe in eine Vielzahl von anderen Mikrostrukturen führen.

Im Jahr 2010 arbeitet Montemagno übrigens gemeinsam mit Prof. David Wendell und anderen an der University of Cincinnati an der Erzeugung eines künstlichen Photosynthesematerials aus einem Schaum, der mit Enzymen injiziert wird, die in Kombination mit Sonneneinstrahlung CO2 in Sauerstoff und Zucker umwandeln (s.d.). Später wird Montemagno zum Direktor des Ingenuity Lab an der University of Alberta berufen.


Unter Vorwegname der Chronologie ist an dieser Stelle wohl der beste Platz, um auf eine weitere interessante Entwicklung hinzuweisen, die ebenfalls auf ATP basiert.

Im Dezember 2015 berichten Wissenschaftler der Columbia University um Prof. Ken Shepard, daß sie einen chemische Energie produzierenden biologischen Prozeß erfolgreich dazu genutzt haben, ein Festkörper-Halbleiterbauelement (CMOS) mit Strom zu versorgen. Was auch eine Weltpremiere sei.

Die Forscher entwickeln das System mittels einer künstlich erzeugten Lipid-Doppelschicht-Membran, die natürlich vorkommende Ionenpumpen enthält, welche durch das biologische Energie-Molekül ATP angetrieben werden. Shepard zufolge würden Ionenpumpen sehr ähnlich wie Transistoren funktionieren. Die verwendete Art von Pumpe erzeugt über die künstliche Lipidmembran ein echtes Potential, das abgegriffen und zur Versorgung des IC genutzt wird.

Blinzel-Generator Blink Grafik

Blink (Grafik)

Im Gegensatz zu den bisherigen Ansätzen, die mit unterschiedlichem Erfolg versucht hatten, ganze lebende Systeme mit Chips zu verbinden, wird bei dem neuen Ansatz nicht die ganze Zelle benötigt, sondern nur die Komponenten der Zelle, welche die erforderliche Arbeit tun. Dafür werden die ATPasen isoliert, weil sie die Proteine sind, die es erlauben, Energie aus ATP zu extrahieren. Die wichtigsten Herausforderungen sind jetzt zu versuchen, das System zu verkleinern, sowie Wege zu finden, den biologischen Zerfall in den Griff zu bekommen.


Und nicht nur Froschmuskeln und ihr Treibstoff ATP motivieren zu neuen Innovationen: Zwar noch nicht umgesetzt, aber dennoch äußerst interessant - wenn nicht sogar genial -, ist das Konzept von Michael Stabile aus den USA. Unter dem Titel Blink bildet es seine Beteiligung an dem Pop Sci and Core77 Wettbewerb 2003.

Dabei geht es um Nachtsicht-Kontaklinsen (Night-Vision Contacts, NVC) – und um deren Versorgung mit der notwendigen Energie zur Verstärkung des einfallenden Lichts. Dies soll erfolgen, indem eine dünne Schicht aus Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) Gel außen auf das Augenlied gestrichen wird. NdFeB ist der stärkste heute existierende Seltene-Erden-Magnet.

Jedes Blinzeln bewegt das Magnetmaterial an der mehrschichtigen Kontaktlinse vorbei und induziert dadurch die erforderliche elektrische Ladung. Ich werde die weiteren Entwicklungen im Bereich der elektronischen Kontaklinsen in einem gesonderten Absatz behandeln (in Arbeit).


Die Idee, das Blinzeln zur Energieerzeugung zu nutzen, kommt ein weiteres mal im August 2014 ins Gespräch, als die Industriedesignerin Naomi Kizhner am Hadassah College in Jerusalem ihre Abschlußarbeit vorstellt. Diese besteht nämlich aus einer Reihe von Schmuckstücken, die allesamt die Energie ihrer Trägerin ernten.

Dazu gehört auch der Blinker, der auf dem Nasenrücken und über den Augenlidern sitzt, um die kinetische Energie der Bewegungen von Augen und Wimpern zu nutzen. Warum die Designerin dabei allerdings so frustriert guckt, habe ich nicht herausfinden können.

Neben diesem Entwurf (der tatsächlich nicht funktionsfähig ist) zeigt Kizhner noch weitere Schmuckstücke, die ebenfalls in erster Linie als Gedankenexperimente für die spannende Diskussion dienen sollen, wie weit zu gehen Menschen bereit sind, um an Energie zu kommen. Über ihr Modell Blood Bridge berichte ich weiter unten unter Strömung.

Herzzellen-Roboter

Herzzellen-Roboter


Doch zurück zu den wissenschaftlichen Entwicklungen, wo der nächste Bericht im August 2007 erscheint, der von Sukho Park, Jinseok Kim und ihren Kollegen an der Chonnam National University in Südkorea stammt. Diese haben nämlich einen krabbenähnlichen Roboter entwickelt, der weniger dick als ein Fingernagel ist und ebenfalls durch die Kontraktionen von Herzgewebe angetrieben wird, welches seine Energie aus Glukose gewinnt.

Im vorliegenden Fall lassen die Wissenschaftler Herzmuskelgewebe einer Ratte auf einem winzigen Skelett aus Polydimethylsiloxan (PDMS) wachsen, einem biokompatiblen Polymer, das den Roboter geeignet zur Verwendung in biomedizinischen Anwendungen macht. Der Oberfläche des Materials wird in einem speziellen Prozeß ein 3D-Muster aufgeprägt, um das Wachstum der Herzmuskelzellen in die richtige Richtung zu lenken.

Der Roboterkörper verfügt über drei kurze Vorderbeinen (400 µm lang) und drei längere Hinterbeine (1.200 µm), die alle an einem zentralen, rechteckigen Quersteg befestigt sind. Sobald sich die Herzzellen beim periodischen Schlagen zusammenziehen, biegen sich die längeren Hinterbeine nach innen, was zu einem Unterschied in der Reibung zwischen den vorderen und hinteren Beinen führt und den Roboter mit hoher Zuverlässigkeit und einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 100 µm pro Sekunde vorwärts schiebt.

Die neuen Mikroroboter können über zehn Tage lang kontinuierlich gehen, wobei sie innerhalb einer Woche eine Strecke von 50 m zurücklegen. In Zukunft  sollen sie im Inneren des menschlichen Körpers verwendet werden um beispielsweise Verstopfungen in Blutgefäßen zu beseitigen, indem sie wie Schiffe dorthin reisen und dann direkt an der Blockade ein Lösemittel freisetzen.


Prof. Kevin Kit Parker und sein Team von der Harvard University beschreiben in einer Veröffentlichung vom September 2007 die Herstellung muskulärer Dünnfilme, um damit Aktoren und ähnliche Geräte zu bauen. 0054a

Die Plastikfolien, die Kräfte ausüben können, bestehen aus Polydimethylsiloxane, dem eine 3D-Struktur aus mikroskopischen Mustern aufgeprägt, und das dann mit Herzmuskelzellen von Ratten ,belebt’ wird. Das besondere dabei ist, daß sich die muskulären Dünnfilme in unterschiedliche Formen bringen lassen – etwa als Greifwerkzeuge oder Flossen. Als schwimmende Geschöpfe können sie darüber hinaus von außen mit elektrischen Feldern gesteuert werden, um sich zum Beispiel durch eine Petrischale zu bewegen.

Die einzelnen Stücke der zuckenden muskulären Dünnschichten sind nur ein paar Millimeter lang und 30 µm dick. Sie könnten damit als Aktuatoren für winzige Robotervorrichtungen in den Körper implantiert werden, wo die Muskelzellen vom Zucker aus der Blutbahn leben und von den gleichen Reparaturmechanismen gepflegt werden würden, die das Herz am Pumpen halten. Möglicherweise könnte die Muskel-beschichtete Folie auch verwendet werden, um Gewebe zu regenerieren, das bei einem Herzinfarkt beschädigt wurde.

Im Gegensatz zu den bisherigen Ansätzen findet das u.a. von der DARPA finanzierte Harvard-Team Wege, um die Gewebe so leistungsfähig zu machen, so daß Kräfte frei werden, die denen des natürlichen Herzgewebes entsprechen: pro Quadratmillimeter bis zu 4 mN. Bisher haben die Forscher nur Rattenzellen verwendet, wollen sich zukünftig aber auch mit menschlichen Zellen befassen.

Im Juli 2012 melden die Fachblogs die Entwicklung einer Robot-Qualle aus Silikon, die von Muskelzellen aus einem Ratteherz angetrieben wird und wie eine Blume mit acht Blütenblättern aussieht. Neben Parker ist daran hauptsächlich der den Ingenieur John O. Dabiri vom California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena beteiligt.

Robot-Qualle

Robot-Qualle

Der nun geschaffene Medusoid, der die Muskelstruktur Qualle nachahmt, bildet für die Wissenschaftler eine Möglichkeit, die ,Grundgesetze der muskulären Pumpen’ besser zu verstehen, mit deren Erforschung sich Parker bereits seit 2007 befaßt. Er hatte damals die Doktorandin Janna Nawroth am Caltech damit beauftragt, die Zellen im Körpern junger Ohrenquallen (Aurelia aurita) genau zu kartieren, um zu verstehen wie diese schwimmen.

Der Schirm der Ohrenqualle besteht aus einer einzigen Muskelschicht aus Fasern, die eng ausgerichtet um einen zentralen Ring und entlang acht Speichen verlaufen. Um den Schirm abwärts schlagen zu lassen, laufen elektrische Signale in einer sanften Welle durch den Muskel, was laut Parker so ähnlich aussieht, wie wenn man einen Stein ins Wasser wirft. Er geht deshalb davon aus, daß sich auch bei einer muskulären Pumpe die elektrische Aktivität als Wellenfront zu verbreiten hat.

Im Labor wird eine Struktur mit den gleichen Eigenschaften erzeugt, indem eine einzige Schicht von Ratten-Herzmuskeln auf einer geprägten Folie aus Polydimethylsiloxan kultiviert wird. Wird ein elektrisches Feld an die Struktur angelegt, kontrahiert der Muskel schnell, preßt den Medusoiden zusammen und imitiert einen Arbeitstakt der Qualle. Das elastische Silikon zieht den Medusoiden dann wieder in seine ursprüngliche flache Form zurück, bereit für den nächsten Schlag.

Wird die synthetische Kreatur zwischen zwei Elektroden in Salzwasser gelegt, schwimmt sie durch Ausdehnen und Zusammenziehen genauso pulsierend herum wie ihr lebendes Gegenstück. Dabei werden sogar Wasserströmungen erzeugt, ähnlich denen, die Nahrungsteilchen in den Mund der Qualle spülen.

Das Team plant nun, einen Medusoiden aus menschlichen Herzzellen zu bauen. Zudem wollen die Forscher versuchen, der Qualle ein einfaches ,Gehirn’ zu geben. Außerdem beantragen sie ein Patent, bei dem ihr Design – oder etwas ähnliches – als Plattform für Medikamententests verwendet wird.


Fast zeitgleich wird auch von einer Gruppe um Yonas Tadesse an der University of Texas in Dallas eine Roboter-Qualle namens RoboJelly gebaut, die allerdings künstliche Muskeln aus Nickel-Titanium Memory-Metall besitzt und durch eine Reaktionen mit Sauerstoff und Wasserstoff angetrieben wird – weshalb sie hier auch nicht weiter behandelt wird.


Ebenfalls von Herzzellen angetrieben wird der Roboter von Prof. Rashid Bashir und seinen Kollegen an der University of Illinois at Urbana-Champaign (UIUC), der im November 2012 in die Presse kommt.

Der etwa 7 mm lange Bio-Bot, der hauptsächlich aus einem flexiblen Hydrogel und mit einem 3D-Drucker hergestellt ist, bewegt sich aufgrund einer Asymmetrie vorwärts. Wie ein kleines Sprungbrett hat er Bot ein langes, dünnes Bein, das auf einem dicken Stützbein ruht. Das dünne Bein ist mit Herzzellen einer Ratte bedeckt, deren Schlagen das Bein dazu veranlaßt zu schwingen und den Roboter damit vorwärts treibt.

Die Fähigkeit, selbständig zu ,gehen’, beschränkt sich gegenwärtig auf eine relativ konstante Geschwindigkeit von 236 µm pro Sekunde bei einer Schlagfrequenz von rund 1,5 Hz. Das Team hofft jedoch, schon bald in der Lage zu sein die Bewegungen des Roboters durch die Zugabe von Neuronen oder von Zellen, die auf Licht reagieren, lenken zu können. Andere Zellen, die auf bestimmte Chemikalien reagieren, könnten dem Bio-Bot zudem Sensor-ähnliche Qualitäen geben.

Außerdem möchten die Forscher ihren halbsynthetischen Kreaturen mehr Funktionalität hinzufügen und suchen bereits nach verschiedenen Formen mit unterschiedlichen Zahlen von Beinen, sowie Roboter, die Steigungen oder Treppen hinauf klettern können.

Flagellen-Bio-Bot Grafik

Flagellen-Bio-Bot
(Grafik)

Im Januar 2014 folgt eine weitere Veröffentlichung des UIUC-Teams, die diesmal von Prof. Taher Saif präsentiert wird. Der neue Bio-Bot, der aus Polydimethylsiloxan besteht, besitzt eine synthetische Flagelle, die dem Schwanz eines Spermium ähnelt und von einigen Herzmuskelzellen in Bewegung versetzt wird.

Mit der Flagelle hat der biohybride Schwimmer eine Gesamtlänge von knapp 2 mm und erreicht eine Geschwindigkeit von bis zu 10 µm/s. Eine Variante mit zwei Flagellen schafft sogar rund 80 µ/s. Die Konstruktion mit der Doppelflagelle hat zudem den Vorteil, daß sie sich in Zukunft womöglich in verschiedene Richtungen steuern läßt.

Die Tests der Biobots finden in einer Nährlösung statt, die als Energielieferant für die Zellen dient und unter anderem Salze, eine spezielle Form von Glukose und diverse Vitamine enthält, welche die Herzzellen etwa drei Tage lang am Leben erhalten. Wie sich diese untereinander organisieren und miteinander kommunizieren, um im selben Moment zu kontrahieren, haben die Forscher allerdings noch nicht klären können.

Schon im Juli zeigen die Experten der UIUC – diesmal um Prof. Rashid Bashar – einen Bio-Bot von weniger als 1 cm in der Länge, der aus 3D-gedrucktem Hydrogel und Rückenmuskel-Gewebe gebaut ist und in Reaktion auf ein elektrisches Signal ,laufen’ kann. Im Gegensatz zu dem in früheren Versionen verwendeten Herzmuskelgewebe, das ständig von selbst kontrahiert und daher nicht kontrollierbar ist, reagiert eine Rückenmuskel auf elektrische Reize, um sie zur Kontraktion zu führen.

Nachdem der sehr einfach designte erste Bio-Roboter – zwei Füße, eine flexible Wirbelsäule und ein kontrahierender Muskel – die Machbarkeit der Technologie bewiesen hat, wendet sich das Team komplexeren Maschinen zu. Zudem will man versuchen, Neuronen zu integrieren, um den Bot in verschiedene Richtungen laufen lassen zu können, wenn er mit verschiedenen Reizen konfrontiert wird, wie z.B. Licht oder chemische Gradienten als Auslöser.

Rückenmuskel-Bio-Bot

Rückenmuskel-Bio-Bot

Im März 2016 wird bestätigt, daß die Lichtsteuerung des Bio-Bots inzwischen verwirklicht werden konnte. Die jeweils 7 mm bis 2 cm langen Vorrichtungen, bei denen die 3D-gedruckten Füße von einem Ring aus Muskelgewebe umschlungen wird, welches aus Maus-Zellen gezüchtet ist, kontrahiert, sobal es einer bestimmten Wellenlänge von blauem Licht ausgesetzt wird. Nach ihren ersten Herstellung werden die Muskelringe mit regelmäßigen Impulsen dieses Lichtes bestrahlt, um durch dieses ,Training’ größer und stärker zu werden.

Im Gegensatz zu dem Ansatz, die Muskeln durch elektrische Stimulation zu steuern, wobei der ganze Muskelring auf einmal kontrahiert, hat Licht mehrere Vorteile. Zum einen können elektrische Ströme biologisches Gewebe beschädigen, während das blaue Licht harmlos ist.

Zum anderen kann das Licht auf bestimmte Teile des Bio-Bots fokussiert werden, sodaß nur dieser Bereich kontrahiert, was eine feinere Lenkungskontrolle ermöglicht und auch verwendet werden könnte, die Bots in Richtung einer Lichtquelle zu führen. Denkbar sind damit auch komplexere Skelette mit mehreren Muskelringen, von denen jeder für die Bewegen eines bestimmten Fortsatzes verantwortlich ist.

Die Arbeiten sind Teil des Projekts ,Emergent Behaviors of Integrated Cellular Systems’ (EBICS), das von der National Science Foundation finanziert wird und im Herbst 2015 eine weitere Fünf-Jahres-Förderung in Höhe von 25 Mio. $ erhielt, um eine Vielzahl von Anwendungen in der Diagnostik, Medizin und Sensorik weiter zu entwickeln.


Doch auch über Geräte, die vom Herzschlag des ganzen Organs gespeist werden, gibt es zu berichten.

Im Februar 2009 melden die Fachblogs, daß eine Forschungsgruppe am Georgia Institute of Technology (Georgia Tech) um Prof. Zhong Lin Wang einem Hamster eine Jacke mit Nanogeneratoren angezogen habe, mit der das Tier Strom erzeugt, sobald es in seinem Laufrad losrennt. Mit der gleichen Nanotechnologie gelingt es aber auch, elektrischen Strom durch tippende Finger zu gewinnen – worauf ich etwas weiter unten noch ausführlich zu sprechen komme -, so daß sich Geräte wie Mobiltelefone und PDAs eines Tages durch das Tippen von SMS oder Texten aufladen lassen könnten. Auch die Entwicklung der piezoelektrischen Zinkoxid-Nanodrähte, auf denen diese Nanogeneratoren aufbauen, beschreibe ich weiter unten ausführlich (s.d.).

Über eine Umsetzung des Verfahrens, die zu medizinischen Geräten führen könnte, welche von Herzschlag des Patienten gespeist werden, ist im Juni 2010 zu erfahren. Bei den Versuchen gelingt es dem Team des Georgia Tech, mit einem kleinen, fast unsichtbaren Nanodraht die Energie der pulsierenden, sich biegenden Muskeln innerhalb des Körpers einer Ratte in elektrischen Strom umzuwandeln.

Hierzu wird ein entsprechender Nanodraht auf ein flexibles Polymersubstrat aufgebracht und die Vorrichtung anschließend mit einem Polymer ummantelt, um sie vor Körperflüssigkeiten zu schützen. Wird der 2 x 5 mm große Wandler an dem Zwerchfell der Ratte befestigt, streckt die Atmung des Nagetiers den Nanodraht, wobei vier Picoampere (pA) Strom bei 2 mV erzeugt werden. Direkt am Rattenherz angebracht, können sogar 30 pA bei 3 mV erreicht werden.

Solche Zinkoxid-Nanogeneratoren wären ideal für Geräte innerhalb des Körpers, die beispielsweise den Blutdruck oder den Blutzuckerspiegel messen. Die Herausforderung ist nun herauszufinden, wie das Material dazu gebracht werden kann eine ausreichend hohe Leistung zu erzielen, um solche Geräte betreiben. Da die kinetische Energie innerhalb des Körpers nur in kleinen Dosen auftritt, untersuchen die Forscher auch, wie aus den verfügbaren Quellen so viel Energie wie möglich gesammelt werden kann, um die Vorrichtungen am Laufen zu halten.


Im August 2011 kündigt der kolumbianische Elektro- und Bioingenieur Jorge Reynolds Pombo, Erfinder des ersten externen Herzschrittmachers mit Innenelektroden (1958), die Einführung eines neuartigen Schrittmacher an, der so klein wie ein Drittel Reiskorn ist und keine Batterie benötigt. Leider ist es mir bislang nicht gelungen, nähere Details oder Informationen über die weiteren Schritte dieser Innovation zu finden.

Der Praktiker beschäftigt sich seit 1991 übrigens auch damit, die Herzen der Wale zu studieren, die denen der Menschen ähnlich sein sollen, wofür er mit U-Booten der Marine von Kolumbien sechs akustische Unterwasserforschungsfahrten durchführt.


Im Februar 2012 berichtet die Presse, daß Forscher der University of Michigan daran arbeiten, piezoelektrische Materialien bei Herzschrittmachern anwenden, um mit den vom schlagenden Herzen ausgelösten Vibrationen die Energie zu erzeugen, die der Herzschrittmacher für seinen Betrieb benötigt. Damit wären die bislang alle 7 – 10 Jahre nötigen Operationen zum Austausch der Batterien überflüssig, was nicht nur die Patienten entlasten, sondern auch dem öffentlichen Gesundheitssystem beträchtliche Kosten ersparen würde.

Immerhin bildet Herzinsuffizienz heute in Europa und den Vereinigten Staaten einen der größten Kostenmacher. Weltweit haben zu diesem Zeitpunkt mehr als drei Millionen Menschen Herzschrittmacher, während über 1.000.000 Geräte jedes Jahr neu implantiert werden. Ein weiterer Vorteil der batterielosen Schrittmacher ist, daß sie nicht durch die Magnetfelder von Analysegeräten wie der Magnetresonanztomographie betroffen sind.

Das Team um den Luftfahrttechnik-Experten M. Amin Karami, der sich bislang damit beschäftigt hatte, bei unbemannten Flugzeugen mittels Spezialkeramiken Strom aus den Schwingungen der Flügel gewinnen (s.u. Vibration), baut noch keinen Prototypen, sondern untersucht zunächst mit Simulationen, ob lineare und nichtlineare piezoelektrische Vorrichtungen überhaupt eine ausreichende Energiemenge liefern können.

Hierfür wird ein virtuelles Modell konstruiert, dessen Keramikschicht präzise in eine Form gebracht ist, die Schwingungen in einem breiten Frequenzbereich ernten kann. Zudem werden Magnete eingearbeitet, deren zusätzliches Kraftfeld das elektrische Signal drastisch steigern können, weches aus den Schwingungen resultiert.

Die Wissenschaftler kommen zu dem Schluß, daß eine Piezokeramik mit einem Ausmaß von maximal 27 x 27 x 6 mm eine Leistung von 10 µW erreichen sollte, was etwa der achtfachen Menge entspricht, die ein Schrittmacher benötigt. Damit könne ein Schrittmacher im Bereich von 7 – 700 Schlägen pro Minute betrieben werden (spätere Aussage: 20 – 600 Schläge). Die Arbeiten erhalten Unterstützung vom National Institute of Standards and Technology (NIST) und dem Institute for Critical Technology and Applied Science (ICTAS) der Virginia Polytechnic Institute and State University (Virginia Tech).

Daniel Inman, Karamis wichtigster Kollege und Vorsitzender der universitären Entwicklungsabteilung für Luft- und Raumfahrt, berichtet Anfang 2013, daß man nun auch bewiesen habe, daß ein 0,25 mm langes Stück des piezoelektrischen Materials 18 µW Leistung erzeugen kann, was ausreicht um 18 Herzschrittmacher zu betreiben. Das nächste Ziel des Teams besteht nun darin, einen kleineren, stabilen und voll funktionsfähigen herzbetriebenen Schrittmacher zu entwickeln.


Meldungen im Mai 2011 zufolge forscht ebenso das Heart-Beat Scavenger Consortium (HBS) in Frankreich daran, piezomagnetische Materialien zur Stromversorgung von Herzschrittmachern zu verwenden. Die Experten des Konsortiums, das neben dem CEA-Leti die Sorin Group, TIMA, Cedrat Technologies, Tronics und EASII IC umfaßt, wollen durch das Bündeln ihres Know-how einen energieautarken Herzschrittmacher entwickeln, der mit nur einen Kubikzentimeter etwa acht mal kleiner als die aktuellen Modelle ist. Ein längerfristiges Ziel des Projekts ist die Gesundheitsausgaben zu senken.

Das Leti (Laboratoire d’electronique des technologies de l’information) ist ein großes Forschungsinstitut für Elektronik und Informationstechnologie mit Sitz in Grenoble, das 1967 als Tochtergesellschaft de staatlichen Kommissariats für Atomenergie und alternative Energien (Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives, CEA) gegründet wurde.

Finanziert wird das HBS durch das seit 2005 bestehende, ebenfalls staatliche Minalogic Kompetenzzentrum in Grenoble. Deshalb ist es eigentlich überraschend, daß man danach nichts mehr Neues von dieser Initiative vernimmt.

Uhrwerk-Mechanismus

Uhrwerk-Mechanismus


Einen ganz anderen Ansatz verfolgen Wissenschaftler des Artificial Organ Center for Biomedical Engineering Research (Artorg) der Universität Bern, wie im Juli 2011 zu erfahren ist. Ein Team um den Schweizer Kardiologen Prof. Rolf Vogel und seinen Mitarbeiter und Doktoranden Adrian Zurbuchen arbeitet seit 2008 an verschiedenen Techniken, die einen Herzschrittmacher über das Schlagen des patienteneigenen Herzens mit Energie versorgen sollen, worunter sich – sehr schweizerisch – auch ein von einer Armbanduhr inspiriertes Gerät befindet.

Der im September 2014 vorgestellte Prototyp wurde aber nicht nur durch eine Armbanduhr inspiriert, sondern beinhaltet tatsächlich den Autoaufzug-Mechanismus eines handelsüblichen Modells. Dieser nutzt die Armbewegungen des Trägers, um eine winzige mechanische, spiralförmige Feder aufzuwickeln. Sobald diese vollständig aufgezogen ist, entspannt sie sich wieder und betreibt dabei einen Mikrogenerator im Inneren der Uhr.

Im Fall des Berner Geräts wird das miniaturisierte Aufzieh-Uhrwerk an die pulsierende Außenwand des menschlichen Herzens genäht, anstatt am Handgelenk getragen zu werden, und die Feder wird von Herzkontraktionen statt von Armbewegungen aufgewickelt. Die vom Abwickeln resultierende Energie wird dann in einem Kondensator gepuffert, welcher den Herzschrittmacher betreibt, mit dem er elektrisch verdrahtet ist. Als das System einem lebenden, 60 kg schweren Schwein implantiert wird, zeigt es eine mittlere Ausgangsleistung von 52 µW, was mehr als genug ist für die meisten modernen Herzschrittmacher, die etwa 10 µW verbrauchen.

Als nächstes soll die Technologie weiter miniaturisiert und empfindlicher für die Bewegung des Herzens gemacht werden. Zudem will man versuchen, sowohl die Energie-Ernte- als auch die Kondensator-Funktion innerhalb eines Herzschrittmachers einbauen. An der Finanzierung des Projekts beteiligt sich auch das Bundesamt für Forschung.

In der Meldung von 2011 werden übrigens noch zwei weitere Techniken erwähnt, die von den Schweizer Forschern untersucht werden, einmal eine Art ,Flußkraftwerk’, und zum anderen ein ,Arterien-Mantel’.

Beim ersten Ansatz geht es im Prinzip darum, die bereits bestehende Flußkraftwerk-Technologie so zu verkleinern, daß eine Turbine in eine Arterie in Herznähe paßt. Bewegliche Teile, die sich im Blutkreislauf befinden, bedeuten ein besonderes Risiko. Mehr darüber berichte ich unter Strömung (s.d.).

Der Arterien-Mantel wiederum nutzt den Effekt der sogenannten Magnetohydrodynamik und die Elastizität der Blutgefäße, wobei ein dehnbarer Kunststoff-Mantel um eine Arterie gelegt wird. Innerhalb des Mantels befindet sich eine stark leitfähige Flüssigkeit, welche durch die Kontraktion und die Ausdehnung der Arterie, wenn das Herz Blut durchpumpt, in Bewegung gerät. Dadurch wird ein schwaches elektromagnetisches Feld erzeugt, welches als Stromquelle angezapft werden kann, wobei die Energieausbeute allerdings relativ gering ist. Ob inzwischen tatsächlich, wie geplant, der Prototyp eines Mantels hergestellt worden ist, konnte ich noch nicht herausfinden.


An der Université Paris-Sud stellt Martin Deterre im Juli 2013 im Rahmes seiner Dissertation eine Arbeit vor, bei der es um die Entwicklung und Konstruktion einer Energiegewinnungsvorrichtung für die neue Generation von Herzschrittmachern geht: jene miniaturisierten Implantate ohne Batterien, die aufgrund ihrer Länge von 24 mm und Dicke von 9 mm über die Vene in die Herzkammern eingeführt und direkt am Herzmuskel angebracht werden können – bislang aber noch immer Batterien benötigen und daher nach rund zehn Jahren ausgetauscht werden müssen. Die Arbeit ist im Netz in englischer Sprache einsehbar.

Nach Analyse der verschiedenen mechanischen Energiequellen in der Herz-Umgebung und den damit verbundenen Mechanismen zur Energiegewinnung entscheide sich Deterre für ein Konzept, das auf den regelmäßigen Blutdruckänderungen beruht. Er gestaltet ein Implantat in einer flexiblen Verpackung, welches die Kräfte des Bluts auf einen internen Wandler überträgt.

Piezoelektrische Spiral-Wandler von Deterre

Piezoelektrische Spiral-Wandler
von Deterre

Hierfür werden hochflexible, 10 µm dünne Blasebälge aus Metall entwickelt, hergestellt und getestet. Die Prototypen, die sich als Implantatverpackung unter Blutdruckwirkungen verformen, bestätigen das vorgeschlagene Ernte-Konzept.

Durch Konstruktionsanalyse, numerische Simulationen, Prototypenfertigung und experimentelle Tests werden zudem piezoelektrische Spiral-Wandler mit optimiertem großen Hub einschließlich ihrer komplexen Elektroden-Muster untersucht. Alternativ entwickelt Deterre einen neuen elektrostatischen Wandler, der in 3D-Bauweise eine mehrschichtige Überlappungsstruktur mit ineinandergreifenden Kämmen aufweist und vielversprechende numerische Ergebnisse zeigt.

Experimentell wird bislang eine Leistungsdichte von 3 µJ/cm3 pro Zyklus erreicht, doch bei entsprechender Weiterentwicklung sollte die Vorrichtung genügend Energie liefern, um die neuen Herzschrittmacher selbstständig und praktisch fortwährend mit Strom versorgen zu können. Die Vorteile gegenüber anderen internen Energiefängern sind in erster Linie die höhere Leistungsdichte, die Anpassungsfähigkeit an Änderungen der Herzschlagfrequenz und das hohe Miniaturisierungspotential. Gemeinsam mit Elie Lefeuvre hatte Deterre bereits 2012 ein EU- und ein US-Patent angemeldet (EP 2520333 bzw. US-Nr. 20120283807).


Im Juni 2014 folgt eine Meldung, der zufolge auch eine Forschergruppe in Südkorea einen Herzschrittmacher entwickelt habe, welcher durch die Nutzung von Energie aus den körpereigenen Muskeln so gut wie dauerhaft angetrieben werden kann. Auf einer Grafik wird gezeigt, wie dies beispielsweise am Schultergelenk geschehen könnte.

Das Forschungsteam um Prof. Keon Jae Lee vom Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) und Prof. Boyoung Joung vom Severance-Krankenhaus der Yonsei University hat einen flexiblen piezoelektrischen Nanogenerator geschaffen, der verwendet wird, um das Herz einer lebenden Ratte direkt zu stimulieren – mit elektrischer Energie, die aus kleinen Körperbewegungen des Tieres produziert wird.

Basierend auf früheren Experimenten des KAIST zur Herstellung preiswerter, großflächiger Versionen dieser Technologie (s.u. Piezoelektriztät, 2012), erstellt das Team den neuen flexiblen Hochleistungs-Nanogenerator aus einem Dünnfilm-Halbleitermaterial namens Bleimagnesiumniobat-Bleititanat (PMN-PT), anstatt aus Graphenoxid und Kohlenstoffnanoröhrchen, wie bei vorherigen Versionen.

Als Ergebnis kann das Gerät aus kleinen Biegebewegungen des Nanogenerators bis zu 8,2 V und 0,22 mA elektrische Energie ernten. Die auf diese Weise erzeugte Spannung und der Strom sind von ausreichender Menge, um das Rattenherz direkt zu stimulieren.


Nahe am Herzen befindet sich ein weiteres Organ, dessen Bewegungen der Energieerzeugung dienen können, wie es bereits im weiter oben geschilderten Fall des Ratten-Zwerchfells im Labor von Prof. Wang am Georgia Tech geschehen ist. Beim Menschen umfassen die Vorschläge hingegen Geräte, die sich außerhalb des Körpers befinden und durch die Lungenkontraktionen – d.h. den menschlichen Atem – betrieben werden.


In der britischen Presse erscheint im März 2011 beispielsweise die Meldung, daß der indische Student Kancharla Sampath Reddy vom Arjun College of Technologies in Hyderabad eine interessante Erfindung vorgestellt habe: ein Mobiltelefon-Ladegerät, das um die Brust geschnallt von den Lungenbewegungen des Menschen aktiviert wird.

Dabei bringt die Expansion und Kontraktion des Körpers beim Atmen in dem kleinen Gerät einen mit einem Getriebe verbundenen Generator zum drehen, dessen elektrische Energieabgabe 3 - 5 V beträgt. Den Marktwert des Ladegeräts gibt der Erfinder mit rund 150 Indischen Rupien an (~ 2 €). Die Bauanleitung für ein vergleichbares Teil war bereits 2007 auf instructables.com unter dem Titel Breath powered USB charger veröffentlicht worden.

Atem-Energieerzeuger Grafik

Atem-Energieerzeuger
(Grafik)


Im Oktober 2011 berichten die Fachblogs über eine Vorrichtung, die von Forschern der University of Wisconsin-Madison um Prof. Xudong Wang konstruiert worden ist und einen Luftstrom niedriger Geschwindigkeit verwendet, wie er von dem normalen menschlichen Atmung verursacht wird, um ein Mikroband aus Kunststoff in Schwingung zu versetzen, das aus einem piezoelektrischen Material namens Polyvinylidenfluorid (PVDF) hergestellt ist. Auf der Abbildung ist ein simuliertes Beatmungsgerät zum Ernten von Energie zu sehen.

Das Team hatte berechnet, daß der in der Regel weniger als 2 m/s schnelle Atem kleine Vibrationen in dem Material verursachen wird, sollte es gelingen, dieses dünn genug zu machen. Damit könnte ein Mikrowatt elektrischer Energie erzeugt werden, das für im Gesicht implantierte Sensoren oder andere Geräte nützlich sein könnte.

Um das PVDF-Material Mikrometer-dünn zu machen, ohne daß es dabei seine piezoelektrischen Eigenschaften verliert, verwenden die Wissenschaftler einen Ionen-Ätzprozeß. Mit weiteren Verbesserungen soll die Dicke des biokompatiblen Materials bis auf Submikron-Ebene gesteuert werden, was zur Entwicklung eines praktischen Geräts im Mikromaßstab führen könnte, welches Energie aus dem Luftstrom der Nase einer Person erntet.

Bei Versuchen erreicht die Vorrichtung Leistungsstufen im Millivoltbereich, bei einer maximalen Luftstromgeschwindigkeit aber auch bis zu 6 V. Nun sucht man nach Wegen, um die Effizienz des Geräts zu verbessern.


Ebenfalls im Jahr 2011 wird der brasilianische Designer João Paulo Lammoglia für sein Designkonzept Aire mit einem Red Dot Award ausgezeichnet.

Das Gerät, das ein wenig wie eine Darth-Vader-Halbmaske in weiß aussieht, enthält kleine Turbinen, die mit dem Atem des Nutzer angetrieben werden.

Dem Designer zufolge kann man die Atemmaske bei jeder Gelegenheit tragen, während man ein Buch liest, beim Joggen, Schlafen usw. - um mit der so erzeugten Energie seine Gadgets aufzuladen. Es ist anzunehmen, daß es bei dem Design bleibt.


Ein klein wenig mehr Kraft, als beim Atmen, steckt möglicherweise in dem Druck eines Fingers auf einen Schalter. Für die Umsetzung dieser Technologie gibt es bereits verschiedene Beispiele.

So stellt die Firma Enocean aus Oberhaching bei München seit 2002 Funkschalter für Lampen her, mit der das Kabel, das den Schalter normalerweise mit der Lampe verbindet, überflüssig wird. Statt dessen bewegt sich eine kleine Spule durch ein Magnetfeld, sobald jemand den Schalter drückt. Die dadurch erzeugte Energie reicht aus, um per Funk eine kurze Botschaft an den Empfänger in der Lampenfassung zu schicken – worauf die Glühbirne erstrahlt, oder ausgeht.

Die Technik lohnt sich vor allem in großen Bürokomplexen wie beispielsweise einem 55-stöckigen Hochhaus in Madrid, das die Firma Anfang 2008 mit 4.200 Schaltern ausstattet, wobei viele Kilometer Kupferkabel eingespart werden können.

Fernsteuerungs-Prototyp von NEC

Prototyp der
NEC-Fernsteuerung


Ein weiteres Beispiel ist Fernbedienung der japanischen Firma NEC Electronics, die im November 2009 in die Presse kommt.

Die in Zusammenarbeit mit der ebenfalls japanischen Soundpower Corp. entwickelte Fernbedienung kommt gänzlich ohne Batterien aus, da die beim Tastendruck entstehenden schwachen Vibrationen mittels eines piezoelektrischen Generators zur Energieversorgung genutzt werden. Bereits mit dem Prototyp ist es möglich, die elementaren Funktionen eines TV-Geräts, wie Ein- und Ausschalten, Lautstärke und Kanalwechsel zu steuern.

Zum Einsatz kommt ein vibrationsbasierter Generator von Soundpower, einem Piezoelektrik-Spezialisten, der auch in den Test in Tokio involviert ist, wo entsprechende Bodenplatten in Bahnhöfen die Schritte der Fahrgäste zur Energiegewinnung nutzen sollen. Ich habe darüber bereits im Kapitel Muskelkraft geschrieben. Soundpower beschäftigt sich außerdem mit der Nutzung von Schallwellen beim Sprechen zur Stromerzeugung (s.u.).


Wesentlich häufiger und andauernder als Lichtschalter oder Fernbedienungen werden allerdings die Tasten von Computer-Keyboards oder die Apps etc. auf Touchscreens gedrückt. In einer 1999 erschienenen Studie von M. Nagurka et al. an der Marquette University in Milwaukee, Wisconsin, in der es eigentlich um ein besseres Verständnis für das taktile ,Gefühl’ von Keyboards geht, wird berechnet, daß es etwa 1,5 mJ erfordert, eine Buchstabentaste zu drücken, während die großen Enter- und Leer-Tasten 2,5 mJ benötigen. Woraus sich vielleicht einiges recyclen ließe, wie einige Unternehmen denken.

Im Jahr 1999 erhält die Firma Compaq Computer Corp. aus Houston in Texas das Patent für ein Verfahren, mit der Energiezufuhr aus den Tastatur-Eingaben die Laptop-Batterien aufzuladen. Als Erfinder wird Adrian Crisan aus Cypress genannt (US-Nr. 5.911. 529, angemeldet 1997).

Compaq kann bereits einen Prototypen vorweisen, in dem jede Taste einen daran befestigten, winzigen Magneten besitzt, der den Bruchteil eines Gramms wiegt. Dieser wird durch eine Spule bewegt, wenn die Taste gedrückt wird, und induziert einen kleinen Strom, der vorübergehend in einem Kondensator gespeichert wird. Ist dieser nach wiederholten Anschlägen geladen, überträgt er seine Energie an die Batterie, um deren Funktionsdauer zu verlängern. In einer zweiten Ausführungsform sind an der einzelnen Taste gleich mehrere Magneten montiert, um die Leistungsfähigkeit der Tastatur zu verbessern.

Für die kommerzielle Verwertung bereit ist das System zu diesem Zeitpunkt bei weitem noch nicht, das auch eingesetzt werden soll, um die Größe der Primärbatterie zu reduzieren, was zu leichteren tragbaren Computern führen soll. Kritiker bemängeln allerdings, daß eine Energiebeschaffung auf diesem Weg kaum sinnvoll sein und belegen dies mit einer Berechnung:

Ein durchschnittlicher Roman enthält eine halbe bis eine Million Zeichen, deren Eingabe etwa ein Kilojoule erzeugt. Wird viel umgeschrieben, könnten auch 2 – 3 kJ daraus werden. Damit ließe sich ein Laptop etwa 15 Sekunden lang betreiben, sodaß man alle zehn Sekunden einen komplette Roman schreiben müßte, um das Gerät ununterbrochen in Betrieb zu halten.


Trotz dieser rechnerischen Einschränkung beschäftigen sich auch andere Seiten damit, Laptops mittels Tippen, und Kameras durch das Drücken des Auslösers mit Strom zu versorgen. In einer im Juni 2011 erschienenen Veröffentlichung beschreibt ein Team um die Professorin Madhu Bhaskaran vom Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT), wie ein piezoelektrischer Film in Verbindung mit den beweglichen Teilen elektronischer Geräte verwendet werden kann, um deren Batterien aufzuladen.

Das Team präsentiert eine Nanoindentor-Spitze als ein Werkzeug, um die Erzeugung elektrischer Energie aus piezoelektrischen Dünnfilmen zu beschreiben. Dabei wird solche direkte Wechselwirkung im Nanometer-Maßstab zum ersten mal für die kontrollierte in-situ-Charakterisierung von Spannung und Strom dieser Dünnfilme genutzt. Die quantitativen Ergebnisse zeigen, daß die Nanostrukturierung verbesserte Materialien für integrierte Energy-Harvesting-Systeme im Mikrometer-Maßstab ergibt.

Die Leistung, die von der aktuellen Generation Piezo-Folien geerntet wird, beträgt 250 W/mm2 bei einer Kraft von 5,0 mN. Um eine ,ewige’ Batterie zu konstruieren oder bestehende Batterien zu ersetzen, muß dies um das Zehnfache gesteigert werden. Bhaskaran arbeitet zwar noch mindestens bis 2013 im Rahmen eines Postdoc-Programms des Australian Research Council an der Erforschung piezoelektrischer Dünnfilme, scheint bislang aber nichts mehr darüber publiziert zu haben.


Das japanische Spezialchemie-Unternehmen Kuraray Co. Ltd. stellt schon im November 2010 einen neuen Polymerfilm vor, der Spannung erzeugt, wenn er gebogen wird, wobei die Stärke der Spannung vom Grad der Biegung abhängig ist. Der Film sollte eigentlich als Sensor für medizinische Geräte und verschiedene Eingabegeräte verwendet werden, scheint es bislang aber nicht zum Produkt geschafft zu haben. Auch auf der Homepage des Unternehmens ist nichts mehr darüber zu finden.


Von der US-Firma Kaba Access Control aus North Carolina stammt ein im Februar 2011 erstmals präsentiertes, selbstbetriebenes Türschloß mit programmierbarer elektronischer Zugangskontrolle.

Die patentierte Powerstar-Technologie der E-Plex 2000-Serie (später: PowerPlex 2000) sorgt dafür, daß das Schloß mit jeder Betätigung der Türgriffs nach unten einen Generator antreibt, der die notwendige Elektrizität liefert, die in einem Kondensator gespeichert wird. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, jemals irgendwelche Batterien kaufen oder ersetzen zu müssen. Darüber hinaus gibt es keine Verdrahtung an oder durch die Tür.

Im Nachhaltigkeitsbericht des Unternehmens 2013 wird die Innovation als Higlight bezeichnet – und im Firmenreport 2015 noch immer als Initiative. Von einem Produkt hingegen ist bislang nichts zu sehen.


Im April 2011 veröffentlichen Forscher der University of Auckland in Neuseeland einen Bericht über eine besondere Klasse von veränderlichen Kondensator-Generatoren, die als dielektrische Elastomer-Generatoren (DEG) bekannt sind und großes Potential als tragbare Energy-Harvesting-Systeme zeigen. Die DEGs ermöglichen die Herstellung leichter, weicher, formschlüssiger und stiller Energie-Ernter mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften, die gut zu menschlichen Muskeln passen.

Das Team des Biomimetics Laboratory um Thomas McKay, das sich mit der Schaffung neuer Technologie durch Biomimikry befaßt, betont, daß das Potential der kostengünstigen und tragbaren DEGs bisher durch den Bedarf nach einer sperrigen, starren und teuren externen Schaltung begrenzt war. Die Neuentwicklung betrifft daher einen super-dünnen, weichen DEG, dessen dehnbare Schaltungselemente in der Membran selbst integriert sind.

Mit einem 10 cm großen Prototypen, der aus preiswerten Gummi-Membranen und dem als Montagepaste bekannten Kohlenstoff-Fett (Carbon Grease) besteht und in einem Acrylglas-Rahmen montiert ist, werden bei einem Wirkungsgrad von 12 % immerhin schon 10 mW erreicht. Dabei kostet der kolbenartigen Generator nur 3,70 $, zu denen nochmals 20 $ für das Acrylglas kommen.


Nur wenige Monate später, im Oktober 2011, ist aus dem Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt zu hören, daß sich hier Forscher um William Kaal mit elektroaktiven Elastomeren (EAE) beschäftigen. Wie Piezokeramiken gehören elektroaktive Elastomere zu den sogenannten ,smart materials’, die sich bei Anlegen eines elektrischen Feldes mechanisch verformen.

Elektrode und Elastomer

Elektrode und Elastomer

Das Elastomerbauteile klassischerweise genutzt werden, um in stark schwingenden technischen Systemen große Bewegungen auszugleichen und zu dämpfen, wird überlegt, ob diese nicht ,intelligent’ gemacht werden können, um sich aktiv zu verformen, Massen zu heben und zum Schwingen anzuregen. Sie könnten dann viel effektiver störende Schwingungen bekämpfen, indem sie Gegenschwingungen erzeugen – oder aus den Schwingungen, die sie dämpfen, elektrische Energie gewinnen.

Als Demonstrator wird ein neuartiger Stapelaktor entwickelt, der die speziellen Eigenschaften der elektroaktiven Elastomere nutzt und völlig neue Anwendungsbereiche erschließen soll, insbesondere im Bereich des Energy-Harvesting mit kleinen Amplituden, wo mechanische Umgebungsenergie aus Vibrationen in elektrische Energie gewandelt wird. Aber auch große Bewegungen, wie sie beispielsweise von Meereswellen hervorgerufen werden, wollen die Forscher zur Energiegewinnung nutzen.

Der Demonstrator hat 50 aktive Schichten von je 140 µm Schichtdicke und einer Grundfläche von 60 x 60 mm. Wird ein elektromagnetischer Schwinger auf den Stapelaktor gestellt, wandelt er die Vibrationen in Strom um. Mit einer Ansteuerungsspannung von 1,5 kV sind quasistatische Dehnungen von mehreren Prozent möglich, was durch eine Verringerung der Schichtdicke weiter verbessert werden soll. Zudem wird bereits am Aufbau eines größeren Systems gearbeitet.

Im Juni 2012 folgt aus dem Fraunhofer-Institut ein weiterer Bericht, aus dem auch einige Details der obigen Umsetzung bekannt werden. Demnach werden die eigentlich starren und die Verformung des Elastomers behindernden Metallelektroden mit mikroskopisch kleinen Löchern versehen, in die das Elastomer ausweichen kann, sobald es durch eine elektrische Spannung verformt wird. Die Abbildung zeigt im Vordergrund die gitterförmige Elektrode und im Hintergrund das Elastomer. Zudem werden in diesem Jahr numerische Beschreibungen der elektroaktiven Elastomere durchgeführt.

Obwohl die Stapelaktor-Technologie weitgehend ausgereift sei, müssen nun Dauertests zeigen, wie langzeitbeständig die intelligenten Aktoren sind, bevor an eine industrielle Massenproduktion gedacht werden kann.

Einer Meldung vom Mai 2015 zufolge beschäftigt sich inzwischen auch das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) in Berlin mit den elektrisch leitenden Elastomeren. Im Rahmen des bereits im Oktober 2013 gestarteten MATFLEXEND Projekts der Europäischen Kommission, das vom IZM geleitet wird, sollen in erster Linie neue Materialien erforscht werden, die kapazitiv-mechanisches Energieernten auf Basis von High-k-Dielektrikum-Kompositen und elektrisch leitenden Elastomeren als variable Kondensatorelektroden ermöglichen.

Die Ziele des bis Ende September 2016 laufenden EU-Projekts sind flexible Energiewandler und -ernter sowie ebenfalls flexible Akkus dafür. Als Anwendungen werden tragbare Elektronik in Form intelligenter Textilien oder Schuheinlagen, autonome elektrochemische Sensoren sowie Chipkarten entwickelt, die aufgeladen werden, wenn man sie ein wenig biegt. Darüber hinaus denken die Forscher auch an Anwendungen in Fluß- oder Meeresströmungen, wo die Elastomere bis zu 1 kW erreichen sollen. Überraschender weise verschwindet diese letzte Bemerkung innerhalb kürzester Zeit wieder aus den Quellen, sodaß sie sich inzwischen nicht mehr genauer recherchieren läßt.

In jedem Fall erinnert dieser Ansatz an die Arbeiten, die schon in den später 1990er Jahren bei SRI International in Menlo Park, Kalifornien, erfolgt sind, als dort ein gummiartiges Material mit dem Namen Electroactive Polymer Artificial Muscle (EPAM) entwickelt wurde, das durch zyklisches Auseinanderziehen und anschließende Kontraktion Elektrizität erzeugt und im Bereich der Wellenenergie genutzt werden soll. Ich habe darüber sowohl im Kapitel zur Muskelkraft, als auch in der Länderübersicht Wellenenergie/USA berichtet (s.d.).


Die Energiegewinnung über intelligente Materialien wird seit einigen Jahren auch von Forschern des französischen Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA) und der Université de Lyon verfolgt. Hier konzentriert man sich auf elektrostriktive Polymere, die als Untergruppe der Elektroaktiven Polymere (EAP) gelten, und ihre potentielle Fähigkeit mechanische Energie zu ernten. Die ersten Veröffentlichungen der Wissenschaftler um P. J. Cottinet stammen aus dem Jahr 2010.

Im Februar 2016 berichtet die Gruppe von einem bedeutenden Durchbruch, als sich das Hinzufügen eines Weichmachers als effiziente Methode erweist, die mechanische Energie-Ernte-Leistung dieser Materialien merklich zu verbessern.

Die Arbeit der Gruppe konzentriert sich weitgehend auf den piezoelektrischen Effekt, obwohl die elektrostriktiven Polymere von Natur aus nicht-piezoelektrisch sind. Allerdings läßt sich bei ihnen ein pseudo-piezoelektrischer Effekt induzieren, wenn sie einem groß angelegten Gleichstrom-Feld ausgesetzt werden. Dies soll nun ausgenutzt werden, um die Entwicklung mechanischer Energie-Ernter auf Basis der elektrostriktiven Polymere anzugehen.

Viren-Elektrode Grafik

Viren-Elektrode (Grafik)


Vom Mai 2012 datiert eine Veröffentlichung von Wissenschaftlern aus dem Lawrence Berkeley National Laboratory des US-Energieministeriums um Seung-Wuk Lee, denen es erstmals gelingt, Strom aus den piezoelektrischen Eigenschaften eines biologischen Materials zu erzeugen.

Daß hierarchisch organisierte natürliche Materialien wie Knochen, Kollagenfibrillen und Peptid Nanoröhrchen piezoelektrische Eigenschaften aufweisen können, ist bereits seit 1962 (Generation of electric potentials by bone in response to mechanical stress, von C. A. L. Bassett & R. O. Becker), 1983 (Piezoelectric properties of biological polymers, von E. Fukada) bzw. 2010 bekannt (Strong piezoelectricity in bioinspired peptide nanotubes, von A. Kholkin et al.).

In dem aktuellen Bericht wird ein aus genveränderten Viren konstruierter, briefmarkengroßer Generator beschrieben, der die ausgeübte Kraft eines Fingerdrucks in elektrische Energie umwandelt. Hierfür werden die für Menschen harmlosen Bakteriophagen des Typs M13 genutzt, deren Wirt E. coli-Bakterien sind. Die stäbchenförmigen, 880 nm langen und 6,6 nm dicken Viren replizieren sich rasant schnell in Bakterien und formieren sich, wenn es sie in großen Mengen gibt, selbständig zu einem geordneten Film. Bedeckt werden sie jeweils von etwa 2.700 Mantel-Proteinen mit einem Dipol.

Die piezoelektrischen Eigenschaften der Viren zu bestätigen, leiten die Wissenschaftler mit einem Piezokraftmikroskop Strom auf einen nano-dünnen Film von Viren, wobei sich zeigt, daß sich die Mantel-Proteine in Reaktion darauf bewegen und drehen. Um den Effekt zu stärken, werden mittels Gentechnik am negativen Dipol-Ende der Mantel-Proteine 1-4 negativ geladene Aminosäuren hinzugefügte, was die elektrische Spannung der Viren tatsächlich erhöht.

Eine weitere Steigerung wird erreicht, indem die aus einzelnen Virenschichten bestehenden Filme übereinander gelegt werden. Dabei wird die stärkste piezoelektrische Wirkung bei 20 übereinander liegenden Schichten von Viren mit vier zusätzlichen negativen Aminosäuren beobachtet.

Für den Bau des 1 cm2 großen biologischen piezoelektrischen Generators werden mehrere Schichten der genveränderten Bakterien zwischen zwei vergoldeten Elektroden plaziert, die mit einem kleinen LCD-Bildschirm verbunden sind. Bei Druck erzeugt der Virengenerator eine Spannung von bis zu 400 mV und eine Stromstärke von bis zu 6 nA, was ausreicht, um pro Fingerdruck die Zahl 1 kurz auf dem Bildschirm aufleuchten zu lassen.

Ob sich die Innovation auch umgekehrt als Speichermedium verwenden läßt, ist noch ungeklärt – ebenso wie belastbar und andauernd die Viren Strom erzeugen können. Zudem sind die piezoelektrischen Vorgänge bei Biomaterialien auf molekularer Ebene noch nicht geklärt, deren Verhalten nicht den klassischen Theorien entspricht, die auf der Grundlage von ganz anders gearteten kristallinen Strukturen gebildet worden sind.

Über Viren-Batterien berichte ich im Kapitel zur Energiespeicherung (s.d.)


Über den o.e. KAIST-Wissenschaftler Prof. Keon Jae Lee wird im Dezember 2013 berichtet, daß er gemeinsam mit seinem Kollegen Prof. Yoon Sung Nam einen flexiblen piezoelektrischen Nanogenerator zur Energiegewinnung entwickelt habe, der ebenfalls auf genveränderten M13 Viren basiert, sowie der Synthese eines hochpiezoelektrischen anorganischen Materials namens Bariumtitanat (BaTiO3 o. BTO). Damit soll es möglich sein, einen Hochleistungs-Nanogenerator herzustellen, der in der Lage ist, kommerzielle LCD-Bildschirme und LED-Lampen alleine durch Fingerbewegung zu betreiben.

Spermbots Grafik

Spermbots (Grafik)


Ebenfalls zu den biologisch betriebenen Systemen gehören die sogenannten Spermbots, an deren Entwicklung Wissenschaftler am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW Dresden) um Prof. Oliver G. Schmidt arbeiten. Sie bestehen aus kleinen Röhren und werden von einzelnen lebenden Spermien angetrieben. Die Steuerung ihrer Geschwindigkeit geschieht durch Veränderung der Temperatur, und um sich in eine gewünschte Richtung zu bewegen, lassen sich die Bio-Roboter zudem magnetisch steuern.

Die als sicherere Alternative zu künstlichen Nanomotoren gedachten Spermbots, über die erstmals im Januar 2014 berichtet wird, sind robust genug, um eine spezielle Samenzelle zu einer Eizelle zu führen. Die weitere Entwicklung der Technologie soll Eltern, die versuchen ein Kind zu bekommen, eine Alternative zur in-vitro-Befruchtung bieten. In perfektionierter Form könnten die Spermbots aber auch als sicheres Mittel zur gezielten Arzneimittelabgabe oder sogar zur Genmanipulation verwendet werden.

Die Idee dazu war den Forschen fünf Jahre zuvor gekommen, als sie bemerkten, daß Samenzellen mit ihren starken biologischen Geißel-Motoren von ähnlicher Größe wie die Mikroröhrchen sind, die sie im Labor fertigen können. Sie beginnen mit Samenzellen von Stieren zu arbeiten, die in der Größe den menschlichen ähnlich sind. Spermazellen sind ideale Kandidaten, um in Biobots verwandelt zu werden, da sie leicht verfügbar, harmlos und beim Schwimmen durch Körperflüssigkeiten sehr effizient sind.

Der erste Schritt zur Herstellung der Spermbots besteht darin, dünne, konische Magnetröhrchen aus einem Titan- und Eisen-Film zu erzeugen, die fähig sind Samenzellen einzufangen. Aus einem etwa 22 x 22 mm großen Chip können rund 200.000 gut definierte Mikrotubuli produziert werden. Diese sind so aufgerollt, daß ein Ende größer ist als das andere, mit einem Durchmesser, der etwas größer ist als der Kopf einer Bullenspermie.

Werden lebende Samenzellen in eine Lösung in einer Petrischale gegeben, welche diese Mikrotubuli enthält, schwimmen die Spermien herum, bis sie zufällig in die Röhrchen hineindringen. Einmal drinnen, sie sind mechanisch eingesperrt und treiben die Röhrchen mit bis zu 100 µm/s voran, wenn sie sich bewegen, was der etwa der zweifachen Körperlänge des Spermbots entspricht.

Spermbot mit Spiralenantrieb

Spermbot mit
Spiralenantrieb

Nun arbeiten die Forscher daran, daß der Spermbot sein Spermium magnetisch wieder freigibt, sobald er die gewünschte Position erreicht. Alternativ soll es auch möglich sein, die Spermien zu befreien, indem die Röhrchen durch Veränderung der Temperatur entrollt werden, kurz bevor sie das Ei erreichen. Die ausgedienten Metallfilme können dann mit wenig oder gar keiner Gefahr per Magnetfeld aus dem Körper entfernt werden. Auch im Vergleich zu magnetischen Nanopartikeln sind magnetische Mikrotubuli nicht so gefährlich. Sie können schließlich nicht in die Zellen dringen, weil sie ja größer sind als die Zelle selbst.

Bevor Experimente und klinische Studien mit menschlichen Spermien beginnen, plant das Team, die assistierte Befruchtung mit Tieren zu versuchen.

Einer Meldung vom Februar 2015 zufolge sind die Spermbots des IFW Dresden derweil beträchtlich weiterentwickelt worden – und werden inzwischen mittels eines 3D-Druckers hergestellt. Mit diesem entstehen aus einem Photopolymer winzigste Kunststoffspiralen, die zusätzlich mit einer Metallschicht überzogen werden, um ihnen magnetische Eigenschaften zu verleihen, damit sie von einem rotierenden magnetischen Feld gesteuert werden können.

Dieses übernimmt nun aber auch die Antriebsfunktion, indem es den Metallwendel um einen Samenschwanz wickelt und diesen dann gesteuert vorantreibt, bis er die Wand eines Eies erreicht, worauf die Helix ihre Drehrichtung umkehrt, um sich von der Spermie zu lösen – was allerdings noch nicht immer klappt.


Eine kurze Recherche zeigt, daß im Jahr 2014 auch ein Team um Islam S. M. Khalil von der Deutschen Universität in Kairo (GUC) und Sarthak Misra von der Universität Twente in den Niederlanden an einem 322 nm langen Mikroroboter mit der Form eines Spermiums arbeitet, der mit schwachen Magnetfeldern kontrolliert wird und den daher passenden Namen MagnetoSperm trägt. Biologische Komponenten werden hier allerdings keine eingesetzt.

Interessant in diesem Zusammenhang ist auch eine noch etwas weiter zurückliegende Veröffentlichung vom November 2012, in welcher Kathrin E. Peyer und Bradley J. Nelson vom Institut für Robotik und Intelligente Systeme (IRIS) der ETH Zürich gemeinsam mit Li Zhang von der Chinese University of Hong Kong in Shatin die biologischen Vorbilder für magnetisch schwimmende Mikroroboter für biomedizinische Anwendungen untersuchen. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf einem Schraubenantrieb, der von E. Coli-Bakterien inspiriert wurde.

Energie-Kinnriemen

Energie-Kinnriemen


Vom September 2014 datiert die Meldung, daß eine Gruppe von Forschern der École de technologie supérieure (SEV) in Montreal, Kanada, einen Kinnriemen aus piezoelektrischem Faserverbundwerkstoff (Piezoelectric Fiber Composites, PFC) entwickelt hat, der die Energie von Kieferbewegungen ernten kann. PFC ist eine Art von piezoelektrischen smart material, das aus integrierten Elektroden und einer Klebstoffpolymermatrix besteht. Das Gerät soll beim essen, sprechen oder (igitt!) Kaugummi-kauen Strom für kleine implantierbare Systeme erzeugen.

Kieferbewegungen haben sich als einer der aussichtsreichsten Kandidaten herausgestellt, um aus menschlichen Körperbewegungen Strom zu produzieren. Die Forscher schätzen, daß allein vom Kauen während der Mahlzeiten durchschnittlich etwa 7 mW Leistung erzeugt werden könnten. Ihr Kinnriemen-Versuchsmodell ist aus einer einzigen Schicht PFC hergestellt und mit elastischen Seitenbändern an einem Paar Ohrenschützer befestigt. Um eine maximale Leistung zu gewährleisten, wird das Testgerät eng angelegt.

Im Zuge der Tests, bei denen die Versuchspersonen für 60 Sekunden zu kauen hatten, beträgt die maximale Energiemenge, die von den Kieferbewegungen geerntet werden kann, 10 – 18 µW. Bis die Leistung des Gerätes ausreichend ist, um elektrische Geräte mit Strom zu versorgen, ist es daher noch ein langer Weg. Dessen erster Schritt besteht darin, die PFC-Schichten zu multiplizieren. 20 Schichten mit einer Gesamtdicke von 6 mm beispielsweise sollten 200 µW erreichen – genug, um einen intelligenten Gehörschutz zu versorgen. Die einzelne PFC-Schicht kostet dabei rund 20 $.


Ein früherer, ähnlicher Ansatz stammt übrigens von Olfa Kanoun, seit 2007 Professorin für Meß- und Sensortechnik an der TU Chemnitz, die dort auch eine Forschungsgruppe zum Thema Energy Harvesting leitet. Zudem veröffentlicht sie das Buch ,Energy Harvesting: Grundlagen und Praxis energieautarker Systeme’.

Im Jahr 2008 kommt sie mit ihrem Team in die Presse, als von einem Generator berichtet wird, der die beim Sprechen und Kauen erzeugten Vibrationen des Wangenknochens in Strom umwandelt, um damit beispielsweise die Knopfzellen von Hörgeräten nachzuladen.

Auf der Suche nach einer geeigneten Energiequelle hatten die Forscher zunächst nach der Stelle des menschlichen Körpers gesucht, die die meiste Energie abgibt, und zu ihrer Überraschung festgestellten, daß nicht, wie erwartet, aus den Vibrationen bei Laufbewegungen, sondern aus den Bewegungen des Kiefers beim Kauen und Sprechen die meiste Energie geerntet werden kann. Zudem wird beim Kiefer die Energie dort gewandelt, wo sie auch gebraucht wird.

Zu den Herausforderungen, die nun bewältigt werden müssen, gehört, daß der elektromechanische Wandler nur etwa die Größe eines Stecknadelkopfes haben darf, damit er in ein Hörgerät paßt. Ein anderes Problem ist das Energiemanagement, das nötig ist, damit der Generator die unregelmäßigen Kieferbewegungen in eine konstante Spannung wandelt.

Bislang gibt es den Generator noch nicht, doch den Berechnung zufolge soll sich die Lebensdauer einer Batterie damit um ein Zehntel verlängern lassen. Davon ausgehend, daß ein herkömmliches Hörgerät pro Jahr etwa 60 Batterien verbraucht, brächte der Kaugenerator eine Ersparnis von etwa sechs Stück. Ist das Konzept fertig, wollen die Chemnitzer das System zusammen mit einem Industriepartner umsetzen. Wozu es aber nicht gekommen ist, denn danach war nie mehr etwas darüber zu hören.


Üblicherweise mit den Fingern – wengleich einige Menschen dafür auch die Zähne nehmen – werden die Kappen von Kugeschreibern, Markern oder anderen Stiften abgezogen. In beiden Fällen geschieht es jedoch unter Einsatz der Muskeln.

Die im September 2014 kursierende Meldung über einen neuen Insulin-Injektions-Stift für die weltweit über 370 Mio. Diabetespatienten betrifft eine Produktentwicklung der britischen Firma Cambridge Consultants, die das tägliche Management der Krankheit zu einer einfachen und präzisen Aufgabe machen soll.

Der KiCoPen, der auf den Industriedesigner Adam Haynes zurückgeht, ist so konzipiert, daß er die injizierte Dosis genau erfaßt und die Information zusammen mit einem Zeitstempel an eine zugehörige Smartphone-App sendet. Dies geschieht ohne Batterie, da der Stift die benötigte Energie für seinen Einzelchip quasi selbst erzeugt – wenn seine Kappe abgezogen bzw. wieder aufgesteckt wird. Leider wird nicht mitgeteilt, welche technische Lösung hierbei verwendet wird. Eine weiterentwickelte Ausführung des KiCoPen gewinnt ein Jahr später den Red Dot Design Award.


Alles, was größere und stärkere Muskeln anbelangt, wird im Kapitel Muskelkraft behandelt.


Pflanzen


Strom aus Pflanzen und ihren Früchten zu gewinnen, ist inzwischen ein eine bekanntes und weit verbreitetes Schulexperiment, bei dem Zitronen, Kartoffeln oder andere Objekte zum Einsatz kommen.

Einer der ersten, welche die Technologie wissenschaftlich untersuchen, ist der Chemieingenieur Adam Heller an der University of Texas in Austin, der spezielle Komposit-Elektroden und leitfähige Gele entwickelt, um damit eine in-vivo Bio-Brennstoffzelle zu konstruieren. Hellers frühere Studien hatten in den 1960er Jahren zur Entwicklung der ersten Neodym-Flüssigkeits-Laser geführt, und später zu den weltweit hergestellten Lithium-Thionylchlorid-Batterien mit mehr als 20 Jahren Haltbarkeit. In den 1980er Jahren befaßt er sich dann mit Solarzellen und Photoelektroden.

Im Jahr 2003 demonstriert Heller in einer Traube ein nur 1 cm langes und 4 mm breites Gerät, das theoretisch 1 – 3 Wochen lang bis zu 1 mW produziert. Im praktischen Versuch werden immerhin 1 Woche lang 1 - 2 μW bei 0,5 V erreicht. Hellers Firma TheraSense Inc. mit Sitz in Alameda, Kalifornien, erhält im gleichen Jahr 2003 das Patent für die biologische Brennstoffzelle (US-Nr. 6.531.239, angemeldet 2001).

Citrus-Clock

Citrus-Clock


Eine durch ihre Schlichtheit besonders ästhetische Umsetzung wird erstmals im November 2008 im City Eco Lab auf der Biennale Internationale Design im französischen Saint-Étienne – und anschließend auf diversen weiteren Ausstellungen gezeigt.

Das Design der Citrus-Clock stammt von Florian Dussopt und Julie Girard aus dem Anna Gram Studio und soll mit der Energie einer Zitrone, deren Hälften auf die Elektroden aus Zink und Kupfer gesteckt werden, für eine Woche oder länger laufen.

Die Energie kommt dabei natürlich aus der chemischen Veränderung in dem Zink, wenn sich dieser in der pflanzlichen Säure auflöst – und nicht aus der Zitrone oder den anderen Früchten.


Über eine Umsetzung, bei der Tomaten den gewünschten Strom liefern, wird im April 2010 berichtet, als auf der Milan Design Week eine winzige LED-Tischlampe namens Still Light vorstellt wird, deren Betrieb durch ebendieses Gemüse erfolgt.

Das Hybridsystem, das organische und Metallteile in einer einzigen elektrischen Schaltung integriert, stammt aus dem israelischen d-VISION-Praktikum für Produktentwicklung und Industriedesign der Firma Keter Ltd. Die Stromleiter zwischen den Tomaten und der LED-Tischlampe sind aus reinem Gold gefertigt, während die stromerzeugende elektrochemische Reaktion durch Elektroden aus Kupfer und Zink erfolgt, die in den Tomaten plaziert sind.

Kartoffel-Batterie

Kartoffel-Batterie


Im gleichen Jahr stellt die Yissum Research Development Company Ltd., die als Technologietransfer-Stelle der Hebrew University of Jerusalem (HUJ) dient, eine feste, organische Batterie vor, die auf Kartoffeln basiert und nun als einfache, nachhaltige und kostengünstige Lösung zur Deckung des Strombedarfs in Teilen der Welt angeboten wird, in denen eine elektrische Infrastruktur fehlt.

Die Forscher um Prof. Haim D. Rabinowitch und seinen Kollegen Prof. Boris Rubinsky an der University of California, Berkeley hatten bei ihrer Suche nach Methoden zur Erzeugung von elektrischer Energie für die Eigenstromversorgung implantierter, medizinischer elektronischer Geräte herausgefunden, daß sich behandelte Kartoffelknollen mittels einer verbesserten Salzbrücke als billige, grüne Energiequelle nutzen lassen, wobei auch hier Kupfer- und Zinkelektroden zum Einsatz kommen.

Das Neue daran ist im Grunde nur, daß die Wissenschaftler im Zuge ihrer Arbeit entdecken, daß ein Kochen der Kartoffeln vor ihrem Gebrauch die elektrische Leistung gegenüber unbehandelten Kartoffeln um das bis zu 10-fache erhöht und zudem erlaubt, die Batterie für Tage und sogar Wochen zu betreiben. Die wissenschaftliche Erklärung dafür bildet die Reduzierung des internen Salzbrücken-Widerstands der Kartoffel-Batterie.

Die Fähigkeit, Low-Power-Strom zu erzeugen und zu nutzen, wird mittels einer Kartoffel-betriebenen LED demonstriert. Eine Kosten-Analyse zeigt, daß die Batterie Strom erzeugt, der 5 – 50 mal billiger ist als der aus handelsüblichen 1,5 Volt Zellen, und mindestens sechs mal wirtschaftlicher als die in den Entwicklungsländern häufig eingesetzten Petroleumlampen. Weshalb Yissum die Technologie für wirtschaftlich benachteiligte Teile der Welt frei zugänglich macht. Wobei im Jahr 2016 auf der Yissum-Homepage davon allerdings nichts mehr zu finden ist.

Nespresso Battery

Nespresso Battery


Das mischer'traxler studio von Katharina Mischer und Thomas Traxler in Wien präsentiert im Jahr 2010 mit der Nespresso Battery eine Mischung aus Kunst und Technik vor, die ebenfalls auf einer Frucht basieren – bzw. deren Resten, dem Kaffeesatz.

Im Rahmen der Vienna Design Week hatten die Firma Nespresso Österreich und die Neigungsgruppe Design fünf Studios zu einem Wettbewerb mit einem Fokus auf das wertvolle Material Aluminium eingeladen. Es ist anzunehmen, daß dahinter das Interesse stand, der Kritik an der neu losgetretenen Abfall-Lawine aus leeren Alu-Kapseln, etwas konstruktives entgegensetzen.

Die Installation Nespresso-Batterie – Gewinner des Wettbewerbs – zeigt die in den Kapseln verbliebene Energie, indem jeweils sechs miteinander verbundene Töpfe eine Uhr betreiben, wobei jede Kaffee-Batterie 1,5 - 1,7 V Leistung produziert. In den Töpfchen befinden sich verbrauchte Nespresso-Kapseln, deren Aluminium als Anode wirkt, Kupferplatten als Kathode sowie Salzwasser als Elektrolyt. Und natürlich der Kaffeesatz.


Im April 2010 kursieren in den Blogs Berichte über eine interessante Werbekampagne, bei der ebenfalls Früchte zur Energieerzeugung eingesetzt werden.

Die internationale und äußerst kreative Werbeagentur DDB° nutzt die Energie von Orangen für ihre französische Tropicana-Kampagne ,Energie Naturelle’ - bei welcher die Hauptzutat des Produkts den Strom für die Plakatwand liefert, die es bewirbt.

Die Konstruktion der cleveren Plakatwand, in der sich schließlich Hunderte von Orangen meterhoch stapeln, dauert drei Monate und basiert auf einem Gitterwerk aus Kupfer- und Zink-Spitzen, die als Befestigungselemente dienen, um die Orangen an Ort und Stelle zu halten. Gleichzeitig bilden die Spitzen die Elektroden zur Stromabnahme aus der elektrochemischen Reaktion zwischen der Säure der Orangen als Katalysator und den beiden Metallen.

Indem die Neon-beleuchtete Plakatwand ein riesige, selbsterhaltende Batterie darstellt, kann sie überall aufgestellt werden, mit oder ohne Stromanschluß in der Nähe. Die Kampagne wird von einer Video-Anzeige begleitet, die den wissenschaftlichen Prozeß und den Bau der Orangen-Plakatwand zeigt. Die Botschaft lautet: „Wenn Orangen sogar eine Plakatwand mit Strom versorgen können, dann stellen Sie sich die Energie vor, die sie Ihrem Körper geben können!“

Charland-Foto

Charland-Foto


Im November 2012 werden in den Blogs einige Fotografien von Caleb Charland gezeigt, unter denen besonders das Bild einer Orangen-betrieben Batterie hervorsticht.

Der Profi-Fotograf, dessen Werke in Sammlungen auf der ganzen Welt gezeigt werden, macht eine ganze Reihe von Bildern alternativer Batterien, die von Zitronensäure angetrieben genug Strom liefern, um eine kleine eingebettete LED-Lampe zu versorgen.

Für das hier abgebildete, außergewöhnliche Foto läßt der Künstler das Objektiv für volle 14 Stunden offen.    


Genau ein Jahr später, im November 2013, kursieren überall in den Fachblogs Meldungen über den ersten  Weihnachtsbaum, dessen Lichter von einer Rosenkohl-Batterie zum leuchten gebracht werden.

Das Ingenieure- und Wissenschaftler-Team, die hinter dem Projekt steht, wählte dieses Gemüse aufgrund von Umfrageergebnissen, denen zufolge mehr als zwei Drittel der Kinder in Großbritannien Rosenkohl zu Weihnachten so sehr hassen, daß er als Teil der traditionellen Festes eigentlich entfernt werden sollte.

Das Exponat der Big Bang UK Young Scientists & Engineers Fair besteht aus 5 Zellen mit jeweils 200 Köhlchen, die gemeinsam 63 V erzeugen und damit 100 Hochleistungs-LEDs zum weihnachtlichen Erstrahlen bringen.

In jedem einzelnen Rosenkohl stecken Kupfer- und Zinkelektroden, und die Energie wird in einem Kondensator zwischengespeichert. Auf einem separaten Display kann angezeigt werden, wie viel Energie durch das Gemüse erzeugt wird.


Im übrigen sei angemerkt, daß diverse Blütenpflanzen zu aktiver elektrischer Orientierung befähigt sind, was auch schon zur industriellen elektrostatischen Bestäubung genutzt wird. Da viele Pollen statische Ladungen tragen, kann die Pflanze ihre Ankunft durch Insekten in der Blüte registrieren und die Blütenöffnung zu verbessern, wobei die Pflanze das von ihr erzeugte elektrische Feld innerhalb von Sekunden ändern kann, um auf einfallenden Pollen oder Insekten zu reagieren. Über eine technische Nutzung dieses Phänomens zur Energiebeschaffung habe ich allerdings bislang nichts finden können.


Tiere


Neben den oben erwähnten Weichtieren und den verschiedenen Tieren, die in imobilem Zustand im Labor der Wissenschaft dienen, scheint es bislang nur wenige Ansätze zu geben, das Micro Energy Harvesting auf lebende und frei herumlaufende Tiere auszudehnen.


Im Rahmen des Projekts ZebraNet wird bereits kurz nach der Milleniumswende daran gearbeitet, das Verfolgen von Wildtieren – in diesem Fall Zebras in Kenia – energetisch zu optimieren. Eine der ersten diesbezüglichen Veröffentlichungen vom Oktober 2002 stammt von Philo Juang et al. von der Princeton University in New Jersey.

Aus einem Bericht des Jahres 2004, dessen Hauptautoren Pei Zhang und Christopher M. Sadler sind, ist dann zu erfahren, daß bei dem Projekt am kenianischen Mpala Research Centre lineare Generatoren genutzt werden, um die GPS-Halbänder der Tiere mit Strom zu versorgen. In anderen Berichten ist dagegen von Solarzellen die Rede.

Das mit 1,3 Mio. $ von der National Science Foundation unterstütze Projekt wird über mehrere Jahre fortgeführt, welche Energy-harvesting-Technologien dabei zum Einsatz kommen, läßt sich bislang aber nicht herausfinden.


Vermutlich aus dem Jahr 2006 stammt ein Ansatz an der University of Sydney, wo sich Jorja Martin mit dem Einsatz piezoelektrischer Harvester beschäftigt, um den gefährdeten Schwalbensittich verfolgen zu können. Was eine besondere Herausforderung darstellt, da der Vogel von geringer Größe ist und nur 77 g wiegt. Zudem reist er jährlich über eine große Migrationsstrecke zwischen dem Brutstätten in Tasmanien und Süd-Queensland.

Durch das Bereitstellen einer kontinuierlichen Energiequelle zum Aufladen der Batterie des Tracking-Systems kann deren Größe verringert werden, was sowohl die Auswirkungen auf die Tiere vermindert, als auch die Lebensdauer der Verfolgung verlängert.

Nach Flugtests mit Tauben, die mit Unterstützung eines Taubenzüchters an der universitären Veterinär-Schule in Camden durchgeführt werden und eine Flügelschlagfrequenz von 8,4 Hz zeigen, wird ein daran angepaßtes piezoelektrisches System entwickelt, das einen Output von 10,6 μW hat, wenn es in Resonanz mit dem Flügelschlag geht. Es ist jedoch nichts darüber zu finden, daß diese Versuche später fortgesetzt worden sind.


Álvaro Gutiérrez und seine Kollegen an der Universidad Politécnica de Madrid berichten im Mai 2009 von ihrer Entwicklung eines heterogenen, drahtlosen Identifizierungs-Netzwerks zur Lokalisierung von Tieren im offenen Gelände, das auf Funkkommunikationen und einem globalen Positionierungssystem beruht.

Es besteht aus primären und sekundären Knoten, wobei letztere ohne den Einsatz von Batterien auskommen, da sie kinetisch betrieben sind und die Bewegungen der Tiere nutzen, um eine spezifische Kennung zu übertragen. Batteriebetrieben sind nur die Primärknoten, welche die übertragenen Informationen der Sekundärknoten sammeln und zusammen mit Positions- und Zeitdaten an die Tierüberwachungsstation weitersenden.

Bei dem kinetischen Energy-Harvesting-Modul handelt es sich um einen Magnetspulen-Generator aus einem zylindrischen Rohr, Spulen an den Enden des Rohres und einem  Neodymium-Bor/Eisen-Magnet im Inneren des Rohres. Solche Geräte habe ich bereits ausführlich unter Treten und Tanzen beschrieben (s.d.).

Die Wissenschaftler testen ihr System an lebenden Tieren um zu überprüfen, ob die Tierbewegungen in der Lage sind, den Generator genügend zu schwingen um die Energie für die ID-Übertragung zu erzeugen. Dies geschieht mit einem Hund auf einem spanischen Hof, der das Gerät in einer Hüfttasche um den Hals trägt, sowie mit einem Rentier in Nordschweden, bei dem der Generator in einem reflektierenden Kragen steckt. In beiden Fällen können gute Leistungen erzielt werden.

Der Hals wurde ausgewählt, weil er sich als der effektivste Ort erwies, damit der Magnet im Generator vom einen Ende zum anderen geschwenkt wird. Dies geschieht beispielsweise, wenn das Tier auf dem Boden nach Nahrung sucht. An den Beinen oder am Körper des Tieres angebracht, werden zwar schnellere und häufigere Bewegungen erzielt, die den Magneten aber nicht entlang des gesamten Generators schwingen lassen.

Tauben-Generator

Tauben-Generator


Ein Team um Prof. Michael W. Shafer an der Northern Arizona University, an dem Kollegen der Cornell University und der kanadischen University of Western Ontario beteiligt sind, entwickelt laut einem Bericht vom Januar 2015 eine Technologie, die aus dem Flügelschlag der Vögel und Fledermäuse genug Strom erzeugen kann, um damit einen Datenlogger zu betreiben. Dieser soll für Biologen Informationen über Standort, Migrationsgewohnheiten oder vitale physiologische Statistiken der Tiere sammeln und senden. Shafer hatte bereits als Student an der Cornell University mit den Arbeiten an dem Gerät begonnen.

Beim Verfolgen fliegender Tiere werden in der Regel Geräte verwendet, die kleine und leichte Batterien haben, deren Lebensdauer aber nur fünf Tage beträgt. Solarbetriebene Geräte haben zwar eine längere Lebensdauer, doch tagsüber muß zusätzliche Energie gespeichert werden, um die Tiere auch in der Nacht verfolgen zu können. Und bei nachtaktiven Tieren kann man sie gar nicht einsetzen.

Als Alternative wird ein Bio-Logger-Prototyp entwickelt, der eine piezoelektrische Technologie nutzt und wie ein kleiner Rucksack auf dem Tier sitzt. Im Inneren befindet sich ein Pendel, das in Resonanz mit der Frequenz des Flügelschlags schwingt und dabei Elektrizität erzeugt, wann immer das Tier in Bewegung ist.

Eine besondere Herausforderung war es ein Gerät zu bauen, das auch leicht genug ist – d.h. unter ca. 4 % des Gewichts eines Vogels oder einer Fledermaus, welches meistens weniger als 100 g beträgt, um nicht deren Flugfähigkeit und Verhalten zu beeinflussen. Getestet wird der Prototyp an ausgebildeten Tauben, die mit dem Gerät auch wieder zurückkommen.

Das Dynamic and Active Systems Lab (DASL) der Universität, an dem die Arbeiten durchgeführt werden, erhält im September 2015 einen dreijährigen Zuschuß von der National Science Foundation, um nun auch Energiegewinnungssysteme für die Datenerfassung der maritimen Tierwelt zu entwickeln. Ebenso soll es auch Geräte für Landtiere geben.


Eine Umsetzung, bei der bislang allerdings (noch) kein Energy-Harvesting-System zum Einsatz kommt, startet in London, wo Mitte März 2016 der Kreativdirektor der globalen Marketing- und Technologie-Agentur DigitasLBi Pierre Duquesnoy in Zusammenarbeit mit der Firma Plume Labs zehn professionelle Tauben mit federleichten Sensoren ausstattet, um durch die Stadt fliegen und so dynamische Daten zur Luftverschmutzung zu sammeln.

Die Vögel können Geschwindigkeiten von 80 - 130 km/h erreichen und so weite Teile der Stadt abdecken. Zunächst ist die Aktion, bei welcher die Konzentration an Stickstoffdioxid und Ozon in der Luft gemessen wird, allerdings auf drei Tage begrenzt. Die Daten werden – sachlich passend – über @PigeonAir getwittert.


Unter der Leitung von Prof. Andrew Holmes startet am Imperial College in London im Oktober 2015 ein Projekt, bei dem ein PhD-Stipendium für die Untersuchung von kinetisch betriebenen piezoelektrischen Energy-Harvesting-Systemen für die Tierverfolgung vergeben wird. Explizit geht es dabei um die Überwachung der Verbreitungsmuster von Fleischfressern im vom Menschen beeinflußten Tropischen Regenwald.


Natürlich richtet sich das wissenschaftliche Interesse auch auf jede Tiere, die mithilfe elektrischer Organe selbständig und ganz ohne technische Zusätze Elektrizität produzieren – wobei man unweigerlich an die für ihre Stromschläge bekannten Zitteraale denkt. Diese können den Output Tausender spezialisierter Zellen so bündeln, daß ein Potential von bis zu 600 V entsteht. Zitterrochen sollen sogar elektrische Entladungen von 60 – 230 V und über 30 A ausführen können, um ihre Opfer zu lähmen.

Es gibt aber noch andere Geschöpfe, welche diese Energieform in ihren lebenden Zellen generieren oder sie zumindest in der einen oder anderen Form nutzen. Dazu gehören verschiedene Lebewesen mit der Fähigkeit, ein elektrisches Feld über spezielle Rezeptoren wahrzunehmen (z.B. Biene, Ameisenigel, Neunaugen, Schnabeltiere, Delphine usw.) oder zur Kommunikation zu nutzen (z.B. Messeraale).

Geckos wiederum nutzen elektrostatische Kräfte, um auf glatten Oberflächen haften zu bleiben, während einige Spinnen ihre Netze mit einem besonderen Klebstoff bestreichen, der von geladenen Teilchen (wie fliegende Insekten) angezogen wird. Dabei ist diese Anziehungskraft so stark, daß sich das leblose Netz tatsächlich vorwärts bewegt, um die fliegende Beute zu erwischen.


Tatsächlich zur Energieerzeugung eingespannt werden bislang allerdings nur Zitteraale – wie das Exemplar, das zu Weihnachten 2007 im Aqua Toto Gifu Aquarium in Japan den Strom für die Weihnachtsbaum-Beleuchtung  liefert. Jedes mal, wenn der Fisch einen in seinem Becken befindlichen Kupferdraht berührt, leuchten die Lämpchen auf.


Ab dem Jahr 2008 arbeiten Wissenschaftler der Yale University und des National Institute of Standards and Technology (NIST) um den Ingenieur David LaVan daran, die zellulären Mechanismen des Zitteraals nachzuahmen und zu optimieren. Sie gehen davon aus, daß ein Stapel synthetischer Zellen mit einem Volumen von 4 mm3 eine dauernde Leistung von etwa 300 µW abgeben kann, was ausreichen würde um kleine Implantate oder Nanomaschinen zu versorgen.

Einer Meldung vom Oktober 2009 zufolge erstellen die Forscher ein sehr einfaches Zellmodell, um die Art und Weise zu studieren, wie bestimmte reale Zellen elektrische Spannungen erzeugen. Dabei produzierten sie eine funktionierende Batterie, die chemische Energie mit einem Wirkungsgrad von etwa 10 % in elektrische Energie umwandelt, was hoch genug ist, um die Zellen-Batterie zu einer praktischen Alternative als Nanoenergiequelle zu machen.

Die synthetische Zelle besteht aus einer wasserbasierten Salzlösung, die von einer aus Lipiden gemachten Wand eingeschlossen sind, einem Molekül mit einem Ende, das von Wassermolekülen angezogen wird, während das andere Ende sie abstößt. Kommen zwei dieser ,Zellen’ miteinander in Kontakt, berühren sich die wasserabstoßende Enden der Lipide, welche die Außenseite bilden, wodurch sie eine stabile Doppeldoppelschicht schaffen, die die beiden Zellen-Innenräume trennt, ebenso wie lebende Zellmembranen tun.

Als nächster Schritt wird in die Doppelschicht die modifizierte Form eines Proteins eingesetzt. Die eingebetteten Proteine erzeugen Poren, welche die Poren einer biologischen Zelle nachahmen und als Kanäle für Ionen wirken. Auf diese Weise können bevorzugt entweder positive oder negative Ionen durch die Doppelschicht passieren und eine Spannung liefern, die sich ernten läßt.

Weist die Lösungen in den zwei sich berührenden Kunstzellen unterschiedliche Salzkonzentrationen auf, läßt sich daraus eine kleine Batterie konstruieren, indem dünne Metallelektroden in die Tröpfchen eingeführt werden. Elektronen fließen dann solange, bis sich die Ionenkonzentrationen in den Tröpfchen angleicht. Ein System aus zwei Tröpfchen, die jeweils nur 200 Nanoliter Lösung enthalten, kann Strom für fast 10 Minuten liefern, während ein System mit 11 Mikroliter mehr als vier Stunden lang funktioniert.


Weitere Technologien


Wissenschaftler um die otologische Chirurgin Konstantina Stankovic von der Spezialklinik Massachusetts Ear and Eye Infirmary in Boston, und Anantha Chandrakasan vom Massachusetts Institut of Technology (MIT) entwickeln einen Chip, der Energie aus dem Innenohr gewinnt. Laut den Berichten vom November 2012 soll die Technik in Zukunft dabei helfen, Gehirnimplantate, Hörprothesen und andere medizinische Apparate im Körper mit Strom zu versorgen.

In den Tiefen ihres Ohrs besitzen Säugetiere, einschließlich des Menschen, eine Kammer, die mit Hilfe von Ionen ein elektrisches Potential erzeugt, um Schall in Nervenimpulse umzuwandeln. Obwohl dies bereits seit 60 Jahren bekannt ist, hat bisher noch niemand versucht, dies zu nutzen.

Der neue Chip enthält winzige Elektroden mit einem geringen Leitungswiderstand, die einen kleinen Teil dieser elektrischen Aktivität nutzen können, ohne dabei die Fähigkeit zu hören zu beeinträchtigen. Sie werden durch eine natürliche Öffnung in das Innenohr eines narkotisierten Meerschweinchens eingeführt und auf beiden Seiten der Zellmembrane der Hörschnecke (Cochlea) befestigt. An dem Chip ist außerdem ein Radiosender mit geringem Energieverbrauch angeschlossen.

Am Anfang benötigt das Gerät zwar eine kurze Starthilfe durch Funkwellen, ist danach aber in der Lage, mit einer Leistung von rund einem Nanowatt den Sender fünf Stunden lang in Betrieb zu halten. Anschlie-ende Tests ergeben zudem, daß das Tier keine Probleme beim Hören hat. Obwohl sich der Chip damit gut für einen kurzfristigen Einsatz eignet, ist noch nicht geklärt, ob der längerfristige Verbleib von Elektroden im Inneren des Ohres nicht zu Schädigungen führen kann. Auf jeden Fall sollen die Elektroden in einem nächsten Schritt weiter verkleinert werden, um den Chip direkt ins Ohr implantieren zu können.

Stankovic betont, daß mit der Studie bewiesen sei, daß biologische Energiequellen existieren, die bis heute noch nicht wirklich erforscht sind.


Energy Belt


Etwas schwerer ernst zu nehmen ist das Konzept Energy Belt der holländischen Designerin Emmy van Roosmalen – ein innovativer Energie-Gürtel, der Körperfett verbrennt und dabei Energie für das Smartphone oder Tablet erzeugt.

Der Entwurf wird erstmals auf der Dutch Design Week im Dezember 2012 bemerkt und in den Blogs gezeigt. Er ist Teil einer seit 2010 in den Niederlanden herumreisenden Wanderausstellung von Next Nature namens ,The Nano Supermarkt’, die spekulative Produkte präsentiert, welche in den nächsten zehn Jahren in die Regale kommen könnten. Zumal die Funktionsweise des Energy Belt nicht einmal unrealistisch ist.

Künstliche Protozellen (o. Protobionten) in dem Gürtel sollen nämlich das natürliche braune Fettgewebe quasi aus der Haut saugen und in Adenosintriphosphat (ATP) umwandeln – welches dann als chemische Energie verwendet werden kann, um Strom zu erzeugen. Um die Energiegewinnung anzuzeigen, sind am vorderen Teil des Gürtels LEDs installiert. Es bleibt allerdings abzuwarten, ob sich das Konzept tatsächlich umsetzen läßt, bislang ist darüber jedenfalls noch nichts zu hören.


Blitze


Angesichts ihrer Kraft könnte man fragen, ob die mehr als drei Millionen Blitze, die weltweit pro Tag am Himmel aufleuchten, in einem Kapitel über Mikro-Energie an der richtigen Stelle stehen. Da sich die bisherigen Erfolge jedoch auf relativ geringe Mengen geernteter Blitz-Energie beschränken, werde ich die Angelegenheit (vorerst) hier behandeln.


Inspiriert durch die wegweisenden Experimente von Franklin und Dalibard (s.o.) beginnen die Naturphilosophen und Elektriker des achtzehnten Jahrhunderts in sogenannten ,electrical cabinets’ mit Gewitter-Strom zu spielen. Dies sind kleine Pavillons, in die das untere Ende eines Blitzableiters oder eines Drahtes geführt wird, der an einem Drachen hängt.

Der deutschbaltische Physiker Prof. Georg Wilhelm Richmann aus Petersburg, der gemeinsam mit dem russischen Universalgelehrten Michail Lomonossow auch die Ursachen der Reibungselektrizität erforscht, wird im Jahr 1753 zum ,ersten Märtyrer der Elektrizität’, als er vor und während eines Gewitters mit Hilfe einer Eisenstange, an deren Ende ein Elektrometer installiert ist, die elektrische Aufladung der Atmosphäre untersucht – und beim Ablesen des Geräts von einem Blitz getötet wird, der in die Eisenstange einschlägt.

Energiereiche künstliche Blitze erzeugt als erster der berühmte Nikola Tesla. In seinen Aufzeichnungen berichtet er zudem von Kugelblitzen in seinem Labor.

Versuche am Monte Generoso

Versuche am
Monte Generoso


In den späten 1920er Jahren gibt es eine Reihe weiterer Experimente, bei denen versucht wird, die atmosphärische Elektrizität praktisch zu nutzen. An der Friedrich-Wilhelms-Universität in Berlin (heute: Humboldt-Universität) entscheiden sich die Physiker Arno A. Brasch, Fritz Lange und Kurt Urban, die Hochspannung (und nicht die Energie) des atmosphärischen Feldes für ihre Pionierarbeit in der Kernphysik zu nutzen: der Spaltung von Atomkernen mit Hilfe von Blitzentladungen.

Im Rahmen eines Projektes zur Erforschung der Luftelektrizität, das von der Notgemeinschaft der deutschen Wissenschaft unterstützt wird, unternehmen die drei Wissenschaftler im Tessin, der an Blitzen reichste Gegend Europas, Hochspannungsversuche mit ebendiesen Blitzen.

Auf dem Monte Generoso zwischen der Schweiz und Italien, wenige Kilometer südlich von Lugano, beginnen die Berliner im Sommer 1927 mit der Installation des ersten Blitzfängers. Dieser besteht aus einem 400 qm großen metallischen Netz, das an einem 800 m langen isolierten Kabel, welches ein ganzes Tal überspannt, 80 m über dem Boden des Tales hängt. Allerdings wird die zu Meßzwecken installierte Funkenstrecke von fast 5 m Öffnungsweite bei der Annäherung von Gewittern mühelos überschlagen – und ist für Meßzwecke mithin nutzlos.

Im folgenden Jahr werden daher eine bessere Antenne und eine größere Funkenstrecke installiert, wodurch man auf bis zu 18 m Schlagweite kommt, was etwa 16 Millionen Volt entspricht. Der mehrfache Abriß von Stahlkabeln, Entladungen, Blitztreffer während der Montagearbeiten und schließlich der tödliche Absturz von Kurt Urban beim Aufspannen eines Drahtnetzes im August 1928 erzwingen den Abbruch des Vorhabens. Brasch und Lange setzen ihre Forschung im Hochspannungs-Labor der AEG Berlin fort.


Ein Blitz ist nichts anderes als ein dichte Ansammlung positiver und negativer Ladungen, die mehr als 5.000°C heiß und Plasma genannt wird. Schon seit Ende der 1980er Jahre wird ernsthaft versucht, diese Energie technisch nutzbar zu machen. Dabei werden verschiedene Ansätze verfolgt und teilweise auch getestet: die Herstellung von Wasserstoff; schnell erhitztes Wasser zur Stromerzeugung nutzen; oder einen Teil der Energie durch Induktoren einfangen.

In einem einzelnen Blitz entlädt sich elektrische Energie von ca. 5 Milliarden Joule – was gerne mit dem Energiegehalt von rund 150 Litern Benzin verglichen wird. Neben dem Umstand, daß Blitze nur sporadisch auftreten, sind sie auf eine kleine Stelle konzentriert und geschehen während einer extrem kurzen Zeitperiode von nur wenigen Mikrosekunden. Eine Technologie, welche die Energie von Blitzen nutzt, muß diese also in einer sehr kurzen Zeitspanne speichern können.

Einige der auftretenden Probleme bestehen darin, daß sich die Kraft der Blitze immer wieder ändert. Zu hohe Energiemengen zerstören jedoch die Speicher, während sich zu niedrige kaum sinnvoll speichern lassen. Zudem müssen die extrem hohen Spannungen in speicherbare, niedrigere Spannungen umgewandelt werden.


Damit ein Blitz in einem vorhersagbaren Ort einschlägt, wird schon seit einigen Jahren die Idee diskutiert, laserinduzierte Plasmen als Blitzableiter zu verwenden. Möglich wäre dies mit ultrakurzen Laserpulsen, nachdem Physiker Universität Jena im Jahr 1998 nachweisen konnten, daß innerhalb des kilometerlangen Laserstrahls eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit besteht.

Seit den 1970er Jahren gelingt es zwar, Blitzschläge in Gewitterwolken auslösen, indem kleine Raketen hinein geschossen werden, die mit der Erde verbunden lange Drähte abwickeln – doch das funktioniert in der Regel nur bei 50 % der Raketenstarts und ist zudem relativ teuer.

Bereits 1999 startet deshalb ein deutsch-französisches Vier-Jahres-Projekt, das gemeinsam von dem Centre national de la recherche scientifique (CNRS) und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) durchgeführt wird. Beteiligt sind zudem die Universität Jena, die Freie Universität Berlin, die Université Lyon und die École Nationale Supérieure de Techniques Avancées in Paris. Die Finanzierung mit rund 2,5 Mio. € übernehmen die französische Agence nationale de la recherche (ANR), das französische und deutsche Außenministerien, der Fonds national suisse de la recherche scientifique und das schweizerische Secrétariat d’État à l’Éducation et à la Recherche.

Teramobile-Versuch

Teramobile-Versuch

Das primäre Ziel des Projekts ist allerdings die Entwicklung neuer Methoden der Fernerkundung atmosphärenrelevanter Substanzen und Parameter. Hierfür entsteht im Laufe der Folgejahre mit dem Teramobile das weltweit erste mobile Femtosekunden-Lasersystem, das Pulse von mehreren Terawatt Leistung liefert. Das insgesamt neun Tonnen schwere Equipment aus elektronischen und optischen Geräten ist in einem 6 m Standard-Frachtcontainer untergebracht.

Wie aus der 2004 veröffentlichen Dissertation von Miguel Rodríguez Langlotz an der Freien Universität Berlin zu erfahren ist (,Terawatt-Femtosekunden Laserpulse in der Atmosphäre’), gelingt es u.a. durch einen laserinduzierten Plasmakanal (LIPC) Megavolt-Blitzentladungen von bis zu 4 m Länge auszulösen und zu lenken. Damit bestätigt sich, daß ein Hochleistungslaser verwendet werden könnte, um eine ionisierte Gassäule zu bilden, die als atmosphärische Leitung für elektrische Entladungen handeln würde, um den Blitz zur Ernte direkt zu einer Bodenstation zu führen.

Eine weitere Anwendung betrifft die Blitzauslösung oder -führung, um sensible Anlagen wie Kraftwerke oder Flughäfen besser als mit den herkömmlichen Blitzableitern zu schützen. Diese beruhen noch heute auf der 1760 von Benjamin Franklin erfundenen Methode, den Blitz einzufangen und in den Boden zu leiten.

Der Experimentalphysiker Prof. Ludger Wöste von der FU Berlin, auf den die Entwicklung des Teramobile maßgeblich zurückgeht, hält sogar eine Steuerung meteorologischer Prozesse denkbar. In feuchte Luft gerichtet, kann ein kurzer Lichtimpuls Kondensation und die Bildung von Regentropfen bewirken. Das Verfahren ist das erste, das die FU als Universität zum Patent anmeldet (zuvor war es – die kostspielige – Sache der Professoren, Dozenten und wissenschaftlichen Assistenten, ihre Erfindungen anzumelden).

Zum ersten mal gezielt elektrische Aktivität in Gewitterwolken auszulösen, gelingt den Wissenschaftlern allerdings erst im April 2008, als sie von der Spitze des South Baldy Peak in New Mexico aus Laserimpulse von fünf Terawatt in vorbeiziehende Gewitter ,schießen’. Damit gelingt es zwar nicht, einen Luft-Boden-Blitz auszulösen, aber die Laserpulse erzeugen immerhin kleine lokale Entladungen in den Gewitterwolken selbst. Um im nächsten Schritt einen ausgewachsenen Blitzschlag zu erzeugen, will das Team den Laser auf Pulssequenzen umprogrammieren, aus denen langlebigere Plasmafäden entstehen. Zudem soll die Leistung der Laserpulse um einen Faktor von 10 erhöht werden.

Das Projekt veröffentlicht bis 2011 noch diverse Publikationen, über das Ernten von Blitzenergie ist aber nichts mehr zu hören.


Um das Phänomen der Kugelblitze wissenschaftlich zu erklären und herauszufinden, ob bei ihrer Entstehung elektrische und magnetische Felder oder chemische Energie eine Schlüsselrolle spielen, versuchen Forscher weltweit Kugelblitze im Labor zu erzeugen und zu vermessen. Experimentelle Ansätze sind Mikrowellen-Entladungen, elektrische Funken, die über organische Materialien geleitet werden oder elektrische Entladungen in Wasser.

Nachdem um das Jahr 2002 herum Forscher am am Institut für Nuklearphysik in St. Petersburg mittels elektrischer Entladungen kugelförmige Leuchtgebilde über Wasseroberflächen produzieren, die dem Naturphänomen nahe kommen, laufen – durch die russischen Versuche angeregt – ab 2006 auch in Deutschland Untersuchungen, bei denen kugelblitz-ähnliche Plasmoide erzeugt werden.

Der gemeinsamen Arbeitsgruppe Plasmaphysik des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP) in Garching und der Berliner Humboldt-Universität (HUB) unter der Leitung von Prof. Gerd Fußmann gelingt es, über einer Wasseroberfläche leuchtende Plasmabälle zu produzieren, die 0,3 – 0,5 Sekunden lang bestehen, einen Durchmesser von 10 - 20 cm haben und einen halben Meter hoch aufsteigen. Dazu werden in einem mit Salzwasser gefüllten Behälter 0,15 Sekunden lange Mikrowellen-Hochspannungsentladungen mit 50 – 130 A gezündet, nach deren Abklingen aus der Oberfläche leuchtende Plasma-Bälle emporsteigen, aus einem ionisierten Gas bestehen.

Warum allerdings die hellen Leuchterscheinungen zustande kommen, nachdem der Strom bereits abgeklungen und die Energiezufuhr gekappt ist, ist noch alles andere als klar. Ende 2009 wird das Experiment daher ans IPP in Garching transferiert und neu konzipiert, wobei der Fokus nun auf den plasma-chemischen Prozessen liegt, aus denen das Plasmoid vermutlich seine Energie bezieht und die somit seine Lebensdauer bestimmen und zudem für den größten Teil des Leuchtens verantwortlich sind.

So entstehen aus dem Wasser bei den hohen Temperaturen um 5.000°C Hydroxid-Radikale, die wiederum mit Kalzium zu Kalziumhydroxid weiterreagieren. Diese Reaktion tritt auch in Flammen auf und führt zu einer Chemolumineszenz genannten Leuchterscheinung. Weshalb nun auch – zumindest in den Kommentaren – Überlegungen zu einer energetischen Nutzung dieses Effekts aufkommen.


Die im Jahr 2001 gegründete Firma Alternate Energy Holdings Inc. (AEHI) aus Boise, Idaho, die sich im Bereich grüner Energiequellen, vor allem Kernkraftwerke in den USA (sic!), engagiert, gibt im Oktober 2006 bekannt, den Prototyp einer Anlage entwickelt zu haben, mit der sich Blitze erfolgreich einfangen lassen. Eine entsprechende Blitz-Farm soll in der Lage sein, Strom für Gestehungskosten von 0,5 $-Cent/kWh zu produzieren. Bei der Umsetzung will man nun mit der Entwicklung einer mobilen Blitz-Farm in voller Größe beginnen, um diese in der nachfolgenden Blitzsaison zu testen.

Die Idee zu dem System, das einen Turm zum Einfangen sowie einen Kondensator zum Speichern beinhaltet geht auf den Erfinder Steve LeRoy aus Illinois zurück, der behauptet, mit einem kleinen künstlichen Blitz eine 60 W Glühbirne 20 Minuten lang zu leuchten gebracht zu haben. Tatsächlich kann AEHI das System, dessen Rechte von LeRoy gekauft worden waren, aber nicht zum Laufen bringen – und seit Mitte 2007 ist überhaupt nichts mehr Neues von dem Unternehmen zu hören.


Im November 2010 veröffentlicht Daniel S. Helman an der California State University einen Recherchebericht mit dem Titel ,Catching lightning for alternative energy’, in welchem er die Quellen aufführt, die sich seit 1997 mit den verschiedenen Methoden des Einfangens von Blitzen beschäftigt haben.

Dazu gehören neben der Quantifizierung von Blitzschlägen und den bereits erwähnten Methoden des Aussendens einer Rakete in einem Sturm und des Auslösens von Blitzen mit Hilfe eines Lasers auch der Vorschlag, einen Turm mit einem großen Metallhorn als Auftreffpunkt zu errichten (das sich vermutlich mit jedem Einschlag verbrauchen würde), mit einem sehr dicken Kabel, um die Energie zu übertragen. Von entsprechenden praktischen Versuchen berichtet der Autor allerdings nicht.

Handyaufladung mit Blitz

Handyaufladung mit Blitz

 

Ein Team um den Physiker Neil Palmer von der britischen University of Southampton, das mit dem finnischen Handyhersteller Nokia zusammenarbeitet,berichtet im Oktober 2013 über Versuche, ein Handy mit Blitz-Energie aufzuladen.

Als Machbarkeitsstudie werden im Labor künstliche 200.000 V Blitze erzeugt, die durch eine lediglich 30 cm große Lücke gejagt werden und deren Energie mit einem speziellen Empfänger aufgefangen wird, der als ,kontrollierender Spannungswandler’ bezeichnet wird. Dabei gelingt es tatsächlich, mit dem Stromstoß ein Lumia-925-Smartphone aufzuladen, ohne das Handy zu zerstören. Palmer zufolge hätten die Schaltkreise des Handys „irgendwie das unruhige Signal stabilisieren können.“


Im einem Bericht vom Juni 2015 wird gemeldet, daß es Matteo Clerici und seinen Kollegen am Institut National de la Recherche Scientifique in Quebec gelungen ist, die Bahn von Blitzen vollkommen zu kontrollieren – wenngleich erst mit Zentimeter großen Entladungen.

Dies gelingt, indem die kanadischen Forscher den Laserstrahl optimieren und Speziallinsen einsetzen, um einen sogenannten Bessel-Strahl zu erzeugen. Während bei einem üblichen Laser die Wellen parallel verlaufen, kreuzen sich diese beim Bessel-Strahl mit sich selbst. Es erweist sich, daß sich der Blitz den im Querschnitt veränderten Laser wesentlich besser leiten läßt.

Dank des neuen Verfahrens können Blitze nicht nur in eine geradeaus verlaufende Bahn geführt werden, sondern auch die Gestalt gekrümmter Lichtbögen annehmen und sogar um Hindernisse herum geführt werden.


Deutlich einfacher sind Verfahren, bei denen die atmosphärische Ladung direkt genutzt wird, also bevor sie sich in einem Blitz entlädt. Siehe hierzu mehr unter Hygroelektrizität.


Elektromagnetische Induktion

Energetisch autonome Kamera von NEC

Autonome Kamera von NEC


Die elektromagnetische Induktion in direkter Nachbarschaft zum Verursacher nutzt der  Prototyp einer Überwachungskamera, die von der NEC Engineering Ltd. auf der iExpo 2007 im Dezember in Tokyo vorgestellt wird.

Bei dem System wird ein von der Firma Sharp entwickelter ringförmiger Adapter, der im Januar 2006 erstmals präsentiert worden ist, einfach über eine Leuchtstoffröhre gezogen. Der Adapterring nutzt die elektromagnetische Induktion im Bereich von 45 – 100 kHz um 120 mW Strom zu erzeugen, was zur Versorgung der VGA-Kamera und eines Wi-Fi Chips ausreicht, der die in 10 Sekunden Abstand aufgenommenen Bilder an einen PC sendet.

NEC bietet außerdem ein Positionsinformationssystem an, das ebenfalls mittels dieser Drahtlos-Technologie mit Strom versorgt wird.


Das Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS in Duisburg stellt im April 2010 ein System zur Rostfrüherkennung bei Betonbrücken vor, deren größte Feinde Streusalze wie Natriumchlorid sind, die von den Winterdiensten zum Bekämpfen von Glatteis eingesetzt werden.

Bei Tauwetter zerfallen die Salze zu Ionen, die in den Beton eindringen und dessen 5 cm dicke alkalische Schutzschicht zerstören. Erreichen die gelösten Salze die Stahlmatten, beginnen diese zu rosten und die Bausubstanz wird geschädigt. Der neue, im Beton eingelassene Sensortransponder gibt an, wie weit die Korrosion fortgeschritten ist, indem er die Ioneneindringtiefe in den Beton permanent mißt und überwacht.

Der von der Materialprüfanstalt für das Bauwesen Braunschweig (MPA Braunschweig) entwickelte Sensor selbst ist mit sehr dünnen Eisendrähten durchzogen, die in regelmäßigen Abständen zueinander angebracht sind. Gelangen die gelösten Salze an die Eisendrähte, beginnen diese zu rosten und es kommt zum Drahtbruch. Anhand der Anzahl der defekten Eisendrähte läßt sich feststellen, wie weit die Korrosion fortgeschritten ist um zu berechnen, wann die nächste Instandsetzung erfolgen muß.

Die Forscher des IMS integrieren den Sensor in ein passives, kabelloses Transpondersystem, Das die Meßdaten per Funk an ein Lesegerät überträgt. Dabei bezieht es die für die Messung erforderliche Energie nicht über eine Batterie, sondern über ein magnetisches Feld, das durch das Lesegerät erzeugt wird. Ein erster Feldversuch erfolgt in einer Versuchsbrücke der MPA.

MERS

MERS


Im September 2010 meldet das U.S. Office of Naval Research Global (ONR Global), daß seine Niederlassung in Tokio ein von Prof. Ryuichi Shimada und dessen Team am Tokyo Institute of Technology entworfenes System namens Magnetic Energy Recovery Switch (MERS) nun gemeinsam mit der Anfang 2007 gegründeten Spin-Off-Firma MERSTech Inc. bis zur Produktreife weiterentwickeln wird.

Das MERS-System ist eine hocheffiziente Plattform, die den elektrischen Fluß von Beleuchtungen steuert, sodaß Glühbirnen ihr Potential maximieren können. Dabei nutzt und recycelt es die Restmagnetkraft, die durch elektrische Ströme erzeugt werden.

In einer Reihe von Experimenten, die von OCR Global finanziert zwischen April und Juni 2010 in den Hardy Barracks in Tokio mit Leuchtstofflampen im 24-Stunden-Betrieb durchgeführt worden sind, erwies sich, daß die MERS-Technologie den Energieverbrauch der Beleuchtung deutlich reduziert und Einsparungen von bis zu 39 % erlaubt. Im Folgejahr sind weitere Tests geplant.

Im April 2012 wird die MERSTech zwar noch mit einem Minister of METI Preis geehrt (Minister of Economy, Trade and Industry) – neuere Informationen gibt es seitdem aber nicht.


Die Firma KCF Technologies aus State College, Pennsylvania, erhält im August 2011 einen mit rund 750.000 $ dotierten Forschungsvertrag, um vergeudete elektromagnetische Energie zu ernten und sie stattdessen andere wichtige Funktionen zuzuführen – und zwar an Bord der modernsten Klasse von nuklear betriebenen schnellen Angriffs-U-Booten der US-Navy.

Die dabei zu entwickelnden fortgeschritten Energy-Harvesting-Funksensoren sollen die Systemkosten reduzieren, indem sie die Verdrahtung und Batterien überflüssig machen und dabei ermöglichen, die Systemwartung und Entscheidungen über das Ersetzen von Komponenten auf Grundlage einer kontinuierlichen Beurteilung des Zustandes durchzuführen, anstatt auf Basis beliebiger Wartungspläne.

Eine erfolgreiche Umsetzung der Magnetfeldenergie-Harvesting-Technologie kann zu einer breiten Palette von Anwendungen führen, einschließlich Temperatursensoren in Elektromotoren und Generatoren, Stromleitungs-Durchhangssensoren und Überwachungssensoren des elektrischen Stromverbrauchs. Da der experimentelle Entwicklungsaufwand im Rahmen des Zwei-Jahres-Planes der Firma als relativ hoch erwartet wird, besteht die Option, den Vertrag um weitere knapp 250.000 $ aufzustocken.

Auf der Firmen-Homepage werden 2016 mehrere Energy Harvesting Geräte angeboten, wobei es sich allerdings um Systeme handelt, welche die Wärme- und Schwingungsenergie nutzen – über den elektromagnetischen Energie-Harvester ist dagegen nichts (mehr) zu finden.


Im Januar 2014 berichten Forscher der Hong Kong Polytechnic University um Prof. Derek Siu-wing Or, daß die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit elektrotechnischer Anlagen und der öffentlichen Stromversorgungs nun durch einen winzigen Chip mit elektrischen Stromsensoren geschützt werden können. Der etwa 1 mm dicke Chip kann auf jedem Meßpunkt von Interesse plaziert werden, wie elektrische Kabel, Leiter, Knotenpunkten, Sammelschienen usw., um elektrische Ströme zu erfassen. Dabei ist weder eine zusätzliche Stromversorgung noch ein Signalaufbereiter erforderlich.

Der Chip ist ein Produkt moderner Funktionsmaterialien und besteht aus Multiferroika aus seltenen Erden mit extrem hohen magnetoelektrischen Eigenschaften, die dem Chip eine direkte Erfassung der Magnetfelder erlaubt, welche durch die Elektrizität erzeugt werden – sowie eine lineare Umwandlung dieser Magnetfelder in elektrische Spannungssignale. Die Amplitude der konvertierten Signale ist linear proportional zu den Magnetfeldern, während ihre Frequenz genau den Magnetfeldern folgt.

Aus dem magnetoelektrischen Smart Material, wie es von dem Team genannt wird, werden sich selbstversorgende magnetoelektrische Sensoren entwickelt, welche die Veränderungen von elektrischen Strömen in elektrischen Geräten erkennen – genauso einfach, wie mit einem Thermometer Temperaturen zu messen. Indem die bislang erforderliche Stromversorgung herkömmlicher Stromsensoren obsolet wird, können die intelligenten Sensoren sogar in bisher undenkbaren Gebieten bequem, sicher und zuverlässig zur Fehlerfrüherkennung verwendet werden.

Zudem können die Sensoren zugeschnitten werden, daß sie die elektromagnetische Strahlung ernten, die durch die überwachte elektrische Ausrüstung emittiert wird, und sie in nutzbare elektrische Energie umwandeln. Die gespeicherte elektrische Energie kann verwendet werden, Mikrocontroller, Displays, Funksender usw. zu versorgen. Die patentierte Technologie wird in den elektrischen Antriebssystemen von Zügen in Hong Kong und Singapur getestet, um eine in-situ-Überwachung der Traktionsbedingungen zu ermöglichen und elektrische Fehler zu erkennen, die den Bahnverkehr zum Erliegen bringen könnten.

Das Forschungsteam arbeitet nun daran, die Energiegewinnungsfähigkeit zu verbessern und die intelligenten Sensoren noch empfindlicher und zuverlässiger zu machen. Dabei kooperiert man mit der deutschen E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH (E-T-A) aus Altdorf bei Nürnberg, dem Weltmarktführer bei Geräteschutzschaltern. Hier besteht das Interesse daran, die Smart-Wireless-Sensor-Technologie in die neue Generation elektrischer Stromkreisschutzprodukte einzubetten, weshalb die Firma die Forschungsarbeit mit einen Zuschuß in Höhe von 500.000 € unterstützt.


Elektrostatik


Die elektrostatische Aufladung des Bernsteins (gr. elektron) durch Reiben mit einem Tuch oder Fell war bereits den alten Griechen bekannt. Um etwa 600 v. Chr. hat sich der Naturphilosoph Thales von Milet mit diesem Phänomen beschäftigt, das auch als Reibungselektrizität bezeichnet wird.

Im 13. Jahrhundert experimentiert der französische Gelehrte Petrus Peregrinus de Maharncuria (Pierre Pèlerin de Maricourt) mit Magneten und beschreibt 1269 in seiner Abhandlung Epistola de Magnete als erster ihre Polarität. Seine Arbeiten werden allerdings erst 1601 durch den britischen Arzt und Physiker William Gilbert fortgeführt, der systematisch die elektrische Aufladung an vielen Substanzen untersucht und für diese Erscheinungen die Bezeichnung Electrica einführt – womit er als Erster eindeutig zwischen Magnetismus und der statischen Elektrizität unterscheidet.

Hauksbee-Generator Grafik

Hauksbee-Generator
(Grafik)

Um 1663 entwickelt der Magdeburger Bürgermeister Otto von Guericke, berühmt durch seinen Vakuum-Versuch von 1657, eine Schwefelkugel mit einer Drehachse, die mit der Hand gerieben ,kosmischen Wirkkräfte, nachweisen soll und als erste Elektrisiermaschine gilt. Er beschreibt unter anderem Anziehungs- und Abstoßungserscheinungen, die heute als elektrische Phänomene verstanden werden. 1671 schickt er eine solche Schwefelkugel an Gottfried Wilhelm von Leibniz, der damit einen ersten künstlichen elektrischen Funken erzeugt.

Gezielt zum Erforschen dieser Funken entwickelt der britische Wissenschaftler Francis Hauksbee der Ältere im Jahr 1706 eine Reibungselektrisiermaschine, deren Kugel aus Glas statt aus Schwefel besteht. In dem kugelförmigen Behälter seines elektrostatischen Generators plaziert er Quecksilber und saugt die Luft ab. Sobald die Kugel geladen ist und die Oberfläche mit der Hand berührt wird, entsteht ein recht helles Licht, bei dem man sogar lesen kann.

Dieses Phänomen ähnelt dem Elmsfeuer und wird später zur Basis der Entwicklung von Glimmlampen und Quecksilberdampflampen. Die hier abgebildete Glaskugel-Elektrisiermaschine stammt aus späterer Zeit und ist im Deutschen Museum in München zu sehen.

Der britischer Priester William Wall soll im Jahr 1708 einer der ersten gewesen sein, dem auffällt, daß die Funken aus einem geladenen Stück Bernstein Miniatur-Blitzen ähneln.

Der deutsche Physiker und Astronom Georg Matthias Bose, übrigens der Erste, der Schießpulver durch einen elektrischen Funken entzündet, fügt 1743 der Elektrisiermaschine von Hauksbee einen Konduktor hinzu, der elektrische Ladungen speichert, die ihm dann auch wieder entzogen werden können. Damit verfügt er über ein Mittel, um elektrische Schläge zu verstärken. Besonderes Aufsehen erregt Bose, als er, mit verschiedenen Metallgegenständen ausgerüstet, auf eine durch einen Pechanstrich isolierte Kiste steigt und sich elektrisieren läßt, wodurch sein Körper wie mit einem Glorienschein umgeben erscheint.

Eine weitere Verbesserung erfolgt 1744 durch den ebenfalls deutschen Philosophen und Naturforscher Johann Heinrich Winckler, der Hauksbees Maschine mit einem  Tretmechanismus versieht, dessen Grundaufbau dem einer fußbetriebenen Drechselbank ähnelt.

In den Folgejahren beschäftigt sich Winckler zudem mit der Verbesserung der gerade neu entwickelten Leidener Flasche und ist einer der ersten Naturwissenschaftler, die erkennen, daß der Unterschied zwischen einem Gewitterblitz und einer künstlich erzeugten elektrischen Entladung nur ihrer Stärke besteht. Er vermutet bereits die Möglichkeit, mit Hilfe der Elektrizität Signale übermitteln zu können.


Elektrostatische Generatoren lassen sich in zwei Klassen aufteilen: die vorstehend genannten Elektrisiermaschinen, welche die Reibung zwischen Isolatoren nutzen (z.B. Schwefel, Glas, Holz, Gummi usw.) – sowie die Influenzmaschinen, bei denen die Aufladung dagegen durch den Effekt der elektrischen Influenz in leitenden Metallteilen entsteht. Sie erzeugen statische Elektrizität hoher Spannung und geringer Stromstärke.

Als erste Influenzmaschine gilt der sogenannte Elektrophor, der 1762 von dem schwedischen Physiker Johan Carl Wilcke beschrieben wird, konstruktionsbedingt jedoch keine kontinuierliche Gleichspannung liefern kann. Die Bezeichnung leitet sich von den griechischen Begriffen elektron und pherein = tragen ab. Die Entwicklung eines brauchbaren Geräts erfolgt dann 1775 durch den italienischen Physiker Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Graf von Volta.

Elektrophor

Elektrophor

Ein Elektrophor besteht aus einer Metallplatte mit isoliertem Griff und einem so genannten ,Kuchen’, der aus einer Mischung aus Harz, Siegelwachs und Schellack besteht und auf einer metallenen Grundplatte sitzt. Der rückseitig geerdete Kuchen wird mit einem (Katzen-)Fell gerieben, wobei auf dem Kuchen Reibungselektrizität in Form überschüssiger negativer Ladungen entsteht. Wird nun der elektrisch neutrale Metallteller mit einem kleinen Abstand über den Kuchen gesetzt, so bewirkt die Influenz des elektrischen Feldes der Kuchenladungen eine Verschiebung der Ladungsträger im Metallteller, ohne daß die Ladung des Kuchens dabei abgeleitet wird.

Dadurch  kommt es auf der Seite der Metallplatte, die dem Kuchen zugewandt ist, zu einer Ansammlung von positiven Ladungsträgern, und auf der entgegengesetzten Seite der Metallplatte zu einer Ansammlung von negativen Ladungsträgern. Wird nun die Metallplatte während des Aufliegens über dem geladenen Kuchen an ihrer dem Kuchen abgewandten Seite geerdet, beispielsweise indem sie mit der Hand berührt wird, können die überschüssigen Elektronen von dieser Seite der Platte abfließen.

Zwar ist die Metallplatte jetzt nicht mehr elektrisch neutral, sondern trägt einen Überschuß positiver Ladungen, die aber im Gleichgewicht mit den ortsfesten negativen Ladungen im Kuchen stehen. Unterbricht man nun die Erdverbindung zur Oberfläche des Metalltellers, indem man die Hand zurückzieht, und wird die Metallplatte an ihrem isolierten Griff vom Kuchen abgehoben, baut sich mit zunehmender Entfernung zwischen Metallplatte und Erdpotential eine steigende elektrische Spannung auf.

Den mit 2,5 m2 größten Elektrophor seiner Zeit baut der Göttinger Physikprofessor Georg Christoph Lichtenberg, der auch als Begründer des deutschsprachigen Aphorismus gilt (,Sudelbücher’). Er erzeugt damit Funken bis zu 40 cm Länge (andere Quellen: bis über 70 cm), was etwa 1 Million Volt entspricht.


Spätere Influenzmaschinen bestehen zumeist aus Metallfolien-Segmenten als Elektrizitätsträger (z.B. Stanniolstreifen), die an der Außenseite von Isolierscheiben aufgebracht sind. Dabei stehen sich zwei Scheiben (heutzutage z.B. aus Plexiglas oder Hartgummi) in geringem Abstand gegenüber und rotieren gegenläufig – zumeist per Handkurbel mechanisch betrieben.

Über die Staniolstreifen jeder Scheibe schleifen zwei gegenüberliegende, durch einen Ausgleichskonduktor als Leiter verbundene Metallpinsel. Ist einer der beiden Elektrizitätsträger der Scheiben elektrisch geladen, dann sammelt sich auf dem gegenüberliegenden Elektrizitätsträger durch Influenz die entgegengesetzte Ladung. Diese Ladung bleibt bei weiterer Drehung auch beim Verlassen der Ausgleichskonduktoren bestehen.

Auch hier tritt der selbe Effekt auf, daß sich bei gleichbleibender Ladung die Spannung zwischen zwei elektrisch aufgeladenen Körpern erhöht, wenn einer der beiden von dem anderen räumlich entfernt wird. Dabei wandelt sich die mechanische Arbeit zur Überwindung der elektrostatischen Anziehung in Energie des elektrischen Feldes um. Wird die positive und die negative Ladung jeder Scheibe über sogenannte Saugbüschel elektrisch abgeleitet und in Leidener Flaschen gespeichert, läßt sich schließlich bei sehr hoher Spannung (bis über 100 kV) ein geringer Strom (einige 10 µA) entnehmen.

Die damals größte Scheiben-Elektrisiermaschine, die heute im Teylers Museum in Haarlem steht, wird 1785 von dem niederländischen Arzt und Wissenschaftler Martinus van Marum der Öffentlichkeit präsentiert. Mit einem Glasscheiben-Durchmesser von 1,65 m kann sie Funken in einer Funkenstrecke von bis 61 cm Abstand erzeugen. Ein 1968 erfolgter, genauer Nachbau der Universität Eindhoven erreicht Spannungen von über 500 kV.


Diese und ähnliche Elektrostatischen Generatoren dienen in den Folgejahren vor allem der gesellschaftlichen Belustigung und sind bis zur Entwicklung der Voltaschen Säule durch Alessandro Volta um 1800 herum die einzigen Quellen künstlich erzeugter Elektrizität. Volta hatte bereits 1792 von den Froschschenkel-Versuchen des Anatomen Luigi Galvani erfahren, deren Zucken dieser auf ,animalische Elektrizität’ zurückführte, erkannte aber statt dessen die Ursache der Muskelzuckungen in äußeren Spannungen – was zu einem Streit unter Wissenschaftlern in ganz Europa führte.

Holtz-Maschine Grafik

Holtz-Maschine (Grafik)

Volta prägt daraufhin den Begriff Berührungselektrizität (o. Kontaktelektrizität), falls mit mehreren Metallen experimentiert wird. Die o.g. Reibungselektrizität stellt dem zufolge einen Spezialfall der Berührungselektrizität dar, während die elektrische Aufladung zweier Materialien durch Kontakt miteinander und anschließendes Trennen als triboelektrischer Effekt bezeichnet wird. Auch hier steht ein griechischer Begriff Pate, nämlich tribein = reiben.


Um eine kontinuierliche Gleichspannung zu erreichen, mechanisiert der deutsche Physiker und Erfinder Wilhelm Holtz im Jahr 1865 in Berlin die Funktionsweise des Elektrophors und nennt sein Gerät Influenzelektrisiermaschine.


Der britische Physiker William Thomson (später: Lord Kelvin) beschreibt 1867 eine ganz spezielle Influenzmaschine, welche die Energie zum Aufbau elektrischer Spannungen von bis zu 20 kV aus der kinetischen Energie fallender Wassertropfen gewinnt, die im elektrostatischen Feld abgebremst werden.

Der Kelvin-Generator (o. Wassertropfengenerator, Wasserfadengerät) besteht aus zwei dünnen Wasserstrahlen, die jeweils durch einen kleinen Metallring oder -zylinder in einen Behälter fallen. Dabei sind die Behälter voneinander und vom Boden isoliert. In ähnlicher Weise müssen die Ringe elektrisch voneinander und von ihrer Umgebung isoliert werden. Anschließend werden die Ringe und die Behälter kreuzweise leitend miteinander verbunden.

Da die Ladungen niemals gleich verteilt sind, ist eine Behälter-Ringkombination positiver geladen als die andere. Fällt ein Wassertropfen durch den positiv geladenen Ring, so wird die positive Ladung nach oben abgestoßen, während der nun negativ geladene Wassertropfen weiter nach unten fällt (Influenz) und dort die negative Ladung des Behälters verstärkt.

Da dieser mit dem gegenüberliegenden Ring verbunden ist, wird auch letzterer stärker negativ geladen. So verstärken sich die anfänglich zufällig unterschiedlichen Potentiale, sodaß eine Hochspannung aufgebaut werden kann. Indirekt stammt die Elektroenergie damit aus der potentiellen Energie des von oben abtropfenden Wassers.

Kleinere Geräte, mit unteren Zylindern 60 mm Höhe und Durchmesser, erreichen ungefähr 3 kV Spannung, was einer Funkenstrecke von etwa 3 mm entspricht.


Der italienische Physiker Augusto Righi konstruiert 1872 die erste elektrostatische Maschine, die ein endloses Kautschukband verwendet, das über seine Länge mit Ringen aus Kupferdraht versehen ist, die als Ladungsträger agieren, über zwei Walzen geführt und in eine kugelförmige Metallelektrode geleitet wird.

Auf das Band aufgebracht wird die Ladung von der geerdeten unteren Walze durch elektrostatische Induktion, unter Verwendung einer geladenen Platte.

Mit Hilfe von Matthew Van Schaik von der Humboldt-Universität zu Berlin erfindet Righi zudem einen Induktions-Elektrometer, der in der Lage ist kleine elektrostatische Aufladungen zu erkennen und zu verstärken.

Wimshurstmaschine Grafik

Wimshurstmaschine
(Grafik)


Praktische Bedeutung erlangt jedoch erst eine durch den britischen Erfinder James Wimshurst ab dem Jahr 1878 konstruierte Weiterentwicklung der Influenzmaschine, die durch Selbstverstärkung eine kontinuierliche Gleichspannung bis ca. 100 kV liefern kann.

Die Wimshurstmaschine ist mit mehreren parallel auf einer Achse angebrachten und gegensinnig rotierenden, vertikalen Scheiben ausgestattet und nutzt die abgenommene elektrische Ladung zusätzlich zur Verstärkung des elektrischen Feldes des Induktors, wodurch sich der Effekt stetig weiter verstärkt. Anfang des 20. Jahrhunderts dient die Maschine unter anderem zur Stromversorgung von Röntgenröhren.


Ab 1929 entwickelt der amerikanische Physiker Robert Jemison Van de Graaff an der Princeton University eine Apparatur zur Erzeugung hoher elektrischer Gleichspannungen namens Bandgenerator, die mechanische in elektrische Energie umwandelt, allerdings mit sehr geringem Wirkungsgrad. Mit entsprechend großen Geräten können trotzdem Spannungen von mehreren Millionen Volt erzeugt werden.

Inspiriert dazu wird Van de Graaff durch einen von W. F. G. Swann in den 1920er Jahren entwickelten Generator, bei dem Ladung durch fallende Metallkugeln zu einer Elektrode transportiert werden, und der damit quasi eine Rückkehr zu Kelvins Prinzip der Wassertropfen darstellt.

Van-de-Graaff-Beschleuniger von Westinghouse Grafik

Van-de-Graaff-Anlage
von Westinghouse
(Grafik)

Ein Van-de-Graaff-Generator besitzt ein umlaufendes, elektrisch isolierendes Band, z.B. ein Gummiband, das durch Reibung oder durch Aufsprühen der Ladung aus einer externen Spannungsquelle elektrisch aufgeladen werden  kann. Die Ladung wird durch die Bewegung des Bandes in das Innere einer großen metallischen Hohlkugel transportiert und dort durch eine mit der Kugel leitend verbundene Bürste vom Band ,abgestreift’. Die Kugel kann dadurch auf immer höhere Spannung gegenüber der Umgebung aufgeladen werden, wobei die Spannung nur durch Funkendurchschläge bei zu hoch gewordener Feldstärke begrenzt wird.

Nach 1930 entwickelt der Physiker auf Grundlage seines Generators den sogenannten Van-de-Graaff-Beschleuniger, einen Gleichspannungs-Teilchenbeschleuniger, mit dem Spannungen von mehreren Megavolt erreicht werden können, wobei die Stromstärken des Teilchenstrahls im Mikroampere-Bereich liegen. Um die Durchschlagsfestigkeit und damit die erreichbare Spannung wesentlich zu erhöhen, befindet sich der Beschleuniger in einem mit Gas gefüllten Druckbehälter.

Da die Beschleunigungsspannung und damit die Energie der Ionen sehr genau konstant gehalten werden kann, wird der Beschleuniger als Präzisionswerkzeug in der Niederenergie-Kernphysik verwendet. Der weltweit erste industrielle Van-de-Graaff-Generator, ein 20 m hohes Exemplar, das 5 Millionen Volt (5 MeV) erzeugen kann, wird 1937 von der Westinghouse Electric Co. in Forest Hills, Pennsylvania, gebaut und bis 1958 betrieben. Es erhält den Namen Westinghouse Atom Smasher und markiert den Beginn der Kernforschung für zivile Anwendungen.


Eine Weiterentwicklung bildet das etwa 1965 von Raymond ,Ray’ George Herb erfundene Pelletron, das dem Van-de-Graaff-Beschleuniger insofern ähnelt, daß die Beschleunigungsspannung ebenfalls durch den mechanischen Transport elektrisch geladener Körper aufgebaut wird. Allerdings wird bei dem Pelletron, an dem Herb bereits seit 1935 arbeitet, das Prinzip der Influenzmaschine verwendet.

Dabei ist das umlaufende isolierende Band des Van-de-Graaff-Generators durch eine Art Kette ersetzt, die aus metallisch leitenden Körpern abwechselnd mit isolierenden Zwischenstücken besteht und sich in einem unter Hochdruck stehenden, isolierenden Gas bewegt. Somit gelangt die Ladung durch Influenz auf die Metallglieder der Kette und von dort auf die Hochspannungselektrode, und nicht durch Spitzenentladung.

Hier abgebildet ist der (offene) 2,5 MeV-Pelletron-Beschleuniger SIRIUS der École polytechnique in Paris, dessen isolierende umlaufende Kette mit Metallzylindern bestückt ist.


Weitere technische Anwendungen der Elektrostatik sind u.a. Elektrofilter, das elektrostatisch unterstützte Farbspritzen, die Fixierung von Papierblättern auf Flachbettplottern sowie elektrostatische Abscheider, die in einem mit niedriger Energie geladenen Strahl Partikel nach Masse separieren.


Im Zuge des Micro-Energy-Harvesting richtet sich das Interesse nach der Milleniumswende erneut auf elektrostatischer Wandler (Electrostatic Transducers) als Energielieferanten. Deren grundlegender Aufbau ist sehr einfach: Vor einer festen Elektrode liegt als Gegenelektrode eine dünne, leitende isolierte Folie. Als schwingende Membran bestimmt sie die Eigenfrequenz, die sich wegen ihrer geringen Masse relativ hoch auslegen läßt. Eine bekannte Umsetzung dieses Prinzips ist das Kondensatormikrofon, das als elektroakustischer Wandler Schalldruckimpulse in entsprechende elektrische Spannungsimpulse umwandelt.

Das Patent für einen elektrostatischen Aktuator läßt sich die Firma Mitsubishi Chemical Corp. im Jahr 1996 erteilen (US-Nr 5.552.654, angemeldet 1994).


Zu den ersten, die sich mit elektrostatischen Inertial-Generatoren beschäftigen, gehört eine Gruppe um A. P. Chandrakasan am MIT in Cambridge, die bereits in den Jahren 2000 und 2001 über den ersten funktionierenden, elektrostatischen Mikrogenerator berichten.

Dabei beschreiben sie ein monolithisches MEMS-Bauelement mit einer sich seitlich bewegenden Masse und einem elektrostatische Wandler mit sogenanntem Kammantrieb. Über eine erfolgreiche Netto-Stromerzeugung aus diesen Geräten wird aber nicht berichtet.


Ebenfalls 2000 erscheint der Bericht eines Forscherteams um Ryoichi Tashiro am Saitama Cardiovascular ans Respieatory Center in Japan, an dem auch Kollegen der Firma Terumo Corp. und der Waseda University beteiligt sind. Hier wird an der Entwicklung eines trägheitselektrostatischen Wandlers gearbeitet, der für eine in-vivo-Stromversorgung von Geräten wie einem Herzschrittmacher Verwendung finden soll.

Um die zur Verfügung stehende Beschleunigung der Herzbewegung zu schätzen, legen die Wissenschaftler einen Drei-Achsen-Beschleunigungssensor direkt an die linke Herzkammerwand einer kleinen Ziege. Wird der Generator mit einer Resonanzfrequenz von 4,76 Hz und einer Prüfmasse von 640 g durch eine Bewegung erregt, die äquivalent zu der an der Ziege gemessenen ist, erzeugt er 58 µW.


Ähnliche Geräte werden auch von Shad Roundy et al. an der University of California at Berkeley untersucht, welche im November 2002 den ersten Bericht über die Entwicklung, Optimierung und Herstellung eines elektrostatischen Wandlers mit integrierter Ausgangselektronik veröffentlichen, dessen Konzept den ersten Arbeiten von Chandrakasan et al. ähnlich sei. Nachdem detaillierte Modelle von drei verschiedenen Design-Konzepten entwickelt werden, zeigen Simulationen des optimierten Designs, daß damit eine Ausgangsleistungsdichte von 116 µW/cm3 möglich ist.


Auch am belgischen Forschungszentrum IMEC (Interuniversitair Micro-elektronica Centrum vzw) der Universität Leuven arbeitet man schon früh an elektrostatischen Wandlern zur Energieerzeugung, die mit wenigen Ausnahmen auf Resonanz aufbauen. T. Sterken et al. Berichten im Juni 2003 von einem derartigen Gerät, das mit einer Größe von 2 mm3 bei 1 kHz etwa 12 nW erzielt.

IMEC-Prinzip Grafik

IMEC-Prinzip (Grafik)

Im Allgemeinen haben elektrostatische Vorrichtungen den Nachteil, daß bei jedem Zyklus eine Vorladungsspannung angelegt werden muß, was aber durch die Verwendung von integrierten Elektreten vermieden werden kann.

Ein Elektret ist ein dielektrischer Polymer, d.h. ein elektrisch isolierendes Material, das quasi-permanent gespeicherte elektrische Ladungen enthält und somit ein quasi-permanentes elektrisches Feld in seiner Umgebung oder in seinem Inneren erzeugt. Der Name, der von dem englischen Physiker Oliver Heaviside aus dem Jahr 1885 stammt, ist in Anlehnung an das Wort Magnet entstanden und soll zeigen, daß der Elektret als elektrostatisches Analogon zum Permanentmagneten gesehen werden kann. Elektret-Materialien umfassen u.a. Siliziumnitrid, Siliziumoxid sowie Teflon.

Das neue Design auf Basis mikroelektronischer Mikromaschinen (Microelectromechanical Systems, MEMS) besteht aus zwei Wafern, wobei der obere eine bewegliche Elektrode enthält, die an zwei starr befestigten, als Feder fungierenden Balken aufgehängt ist. Zusammen mit zwei weiteren, aber unbeweglichen Elektroden auf beiden Seiten, bilden die Anordnung zwei miteinander verknüpfte variable Kondensatoren. Im unteren Wafer befindet sich ein dielektrisches oder Elektret-Material, das von einer Elektrode kontaktiert werden kann.

Der Wandler nutzt die variable Kapazität zwischen einer schwingenden Masse und einer Referenzmasse. Bei Bewegung der Masse verändert sich die Überlappungsfläche zwischen den parallelen Platten des Kondensators, und damit auch dessen Kapazität, was wiederum einen elektrischen Strom in einer externen Schaltung erzeugen kann.

Im Oktober 2004 wird von einem Prototyp mit einer Fläche von etwa 2,65 mm2 berichtet, auf der zweimal 255 Kammpaare realisiert sind Das Bauteil besitzt eine Resonanzfrequenz von 980 Hz und dürfte bei Anregung durch eine externe Vibration mit 0,1 µm Auslenkung eine Leistung von 1 µW erzeugen. Im Jahr 2005 werden mit einem 5 cm3 großen und 50 g schweren Harvester bei 5 Hz 300 nW erreicht. Ab diesem Jahr werden die Forschungen in dem vom IMEC und der Niederländischen Organisation für Angewandte Naturwissenschaftliche Forschung (TNO) mit Unterstützung des niederländischen Wirtschaftsministeriums und der Regierung von Flandern gegründeten Holst Centre weitergeführt.


Einem Team des Imperial College London um Prof. Eric M. Yeatman und P. Miao berichtet im September 2006 vom erfolgreichen Betrieb einer nicht-resonanten MEMS-Vorrichtung, die besonders für biomedizinische Niederfrequenz-Anwendungen geeignet ist, wie beispielsweise die Körperbewegung. Der auf Coulomb-Kräften basierende parametrische Generator wird unter Verwendung einer Konstruktion mit drei Wafern hergestellt.

Yeatman kooperiert gemeinsam mit seinem Kollegen Michail E. Kiziroglou ab 2006 auch mit dem o.g. IMEC. Diese Gruppe stellt im April 2008 einen neuartigen elektrostatischen Mikrogenerator vor, der eine frei rollende Walzstange besitzt, während alle anderen Komponenten monolithisch integriert sind und mit Standardmethoden der Oberflächenbearbeitung produziert werden können.

Metallzylinder-Harvester

Metallzylinder-Harvester

Das Funktionsprinzip beruht auf einer Reihe von Streifenelektroden, welche die festen Platten des variablen Kondensators bilden und von einer dünnen dielektrischen Schicht bedeckt sind. Ein winziger Metallzylinder aus Edelstahl bildet die bewegliche Gegenelektrode. Ist der Zylinder nach einer der Streifenelektroden ausgerichtet, hat er direkten Kontakt zu einem zusätzlichen, schmalen Ladekontakt, durch den die notwendige Ladung angelegt wird. Dies erzeugt eine elektrostatische Kraft zwischen dem Zylinder und der Streifenelektrode.

Eine Bewegung der Vorrichtung – z.B. durch Vibration – verursacht ein Abrollen des Zylinders, was den Kontakt mit der Ladungszufuhr unterbricht. Die Trennung wird dann bei konstanter Ladung erhöht, so daß sich die Kapazität verringert. Die gespeicherte Energie wiederum erhöht sich durch die Arbeit, die gegen die elektrostatische Kraft aufgebracht wird. Weiter rollend nimmt der Zylinder dann Kontakt mit einer Entladungselektrode auf, um diese Energie in Form eines Hochspannungsimpulses freizugeben.

Es gelingt, den erfolgreichen Betrieb der abgebildeten Vorrichtung nachzuweisen (2,4 mW bei 20 Hz), die den Anforderungen einer Massenherstellung und eines Breitbandbetriebs besonders gut entsprechen soll. Die Abmessungen sind in Millimetern und in dem Einschaltbild ist ein ganzer Wafer mit den elektrostatischen Mikrogeneratoren zu sehen. 


Weitere Forschungen werden durch Makoto Mizuno von der Canon Incorporation in Japan gemeinsam mit Derek G. Chetwynd von der britischen University of Warwick durchgeführt, die im März 2003 über eine elektrostatische Vorrichtung berichten, welche ein Elektret mit variablem Luftspalt verwendet und bei Test mit einer Resonanzfrequenz von 743 Hz einen Output von 16 mV erreicht.

Bei diesen Arbeiten ist der Ansatz, eine mechanisches Resonanzelement zu entwickeln, das seismische Schwingungen in nutzbare Bewegung überträgt und in Form von Arrays gestapelt werden kann, um die Leistung zu erhöhen.


Im Juli 2005 folgt eine Veröffentlichung durch Ghislain Despesse von französischen Laboratoire d’Électronique des Technologies de l’Information (LETI) – MINATEC, S. Basrour von der University Joseph Fourier in Grenoble und weitere Kollegen, die einen elektrostatischen Mikrogenerator mit 100 Hz Bandbreite beschreiben, der Schwingungen über ein breiteres Spektrum ernten kann.

Bei 50 Hz und mit einem Wirkungsgrad von etwa 60 % wird eine Leistung von 1 mW erzielt.


Ein Team um B. C. Yen vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge berichtet im Februar 2006 von der Entwicklung einer elektrostatischen Vorrichtung mit einer Nutzleistung von 1,8 µW, die auf einer asynchronen Dioden-basierten Ladungspumpe in Kombination mit einer induktiven Energierücklaufschaltung besteht, welche die Initialenergie bereitstellt.


Ab Oktober 2006 befassen sich auch Wissenschaftler um Prof. Oliver Paul am IMTEK der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg mit Elektret-basierten Mikrogeneratoren, welche vibratorische in elektrische Energie umwandeln. Hier wird im Einzelnen daran gearbeitet, die seismische Masse des Resonators mit Polymer-Federn aus Parylene-C aufzuhängen, das auch selbst als Elektret verwendet werden kann, und gleichzeitig ein nicht-lineares Frequenzverhalten und eine Frequenz-Skalierung zu realisieren.

Damit wird es möglich, niederfrequente Umgebungsvibrationen in höherfrequente Schwingungen umzuwandeln, um mehr Energie zu erzeugen. Zudem soll durch das nicht-lineare Federverhalten ein breitbandiges Ernten der Energie ermöglicht werden. Benötigte Resonanzfrequenzen für Anwendungen am bewegten menschlichen Körper liegen im Bereich von einigen Hz bis wenigen 100 Hz.

Die Arbeiten am IMTEK konzentrieren sich dabei auf die neuen, vielversprechenden Polymere Cytop und PDMS, wobei sich Cytop gleichzeitig als robustes Aufbau- und Verbindungsmaterial bzw. als weichelastisches Material für mechanische Strukturkomponenten eignet. Die Elektretstrukturen werden mit Elektroden und Gegenelektroden auf mikromechanische Resonatoren integriert, welche durch externe Vibrationen in Schwingung versetzt werden. Je nach Anwendungsszenario sind ein- oder mehrdimensionale Schwinger von Vorteil.

Omron-Generator

Omron-Generator


Im November 2008 präsentiert die japanische Firma Omron Corp. mit Hauptsitz ist in Kyōto den Prototyp eines winzigen Generators, der aufgrund seiner einfachen Struktur für einen Preis um 10 $ auf den Markt kommen. Bei einer Input-Frequenz von 20 Hz sollen 10 μW Strom erzeugt werden, die über eine Zeitspanne von einigen Dutzend Sekunden bis zu einigen Minuten in einem Kondensator kulminiert werden und anschließend drahtlose Sensoren und Kommunikationsgeräte betreiben.

Der Omron-Generator arbeitet mit einem Elektret-Stromerzeugungssystem, dessen Kapazität sich in Abhängigkeit von der relativen Position der sich gegenüberliegenden Elektroden verändert, wobei jede Änderung einen elektrischen Stromfluß erzeugt. Als Elektret wird CYTOP eingesetzt, ein flüssiges Polymer-Material der Firma Asahi Glass Co. Ltd. Die Maße des Prototyps betragen 20 x 20 x 8 mm. Die nächste Generation, die bereits in der Entwicklung ist, soll eine Höhe von nur 4 mm haben.

Im April 2013 erfolgt auf Initiative von Prof. Yuji Suzuki an der University of Tokyo die Gründung der Electret Energy Harvester Alliance als Partnerschaft zwischen der Industrie und der akademischen Gemeinschaft, um die Forschung, Entwicklung und Verbreitung von Elektret-Schwingungs-Stromerzeuger zu fördern. Neben den Partnern Omron und Asahi Glass sind an der Allianz auch noch die Firmen Techno Design Co. Ltd., Konishiyasu Co. Ltd. und THHINK Wireless Technologies Ltd. beteiligt.

Elektret-Harvester der University of Tokyo

Elektret-Harvester der
University of Tokyo

Bereits im Juli 2014 stellt das letztgenannte Unternehmen drei Energie-Harvester vor, die auf dieser Technologie basieren und im Laufe des Jahres 2015 in Produktion gehen sollen. Bei einem Gleichstrom-Output von 5,2 V und einer Schwingung von 30 Hz erzeugen sie 0,1 - 1,0 mW. Ein Design der nächsten Generation, das Rotationsenergie wie zum Beispiel von einer Mikrowindturbine ernten und mehrere mW Leistung erzeugen kann, wird ebenfalls präsentiert.

Die Szene in diesem Forschungsbereich scheint gut vernetzt zu sein, denn ebenfalls im Juli 2014 stellt Omron – nun im Kooperation mit dem IMEC – den Prototyp eines 15,4 g schweren und mit 5 x 6 cm extrem kompakten Schwingungsenergie-Wandlers vor, der Gleichstrom im Mikrowattbereich für Sensoren liefert und sich durch die weltweit höchste Effizienz von 73 % auszeichnet.

In dem leistungsoptimierten Modul sind der elektrostatische Ernter und die Power-Management-Elektronik integriert, und der Versorgungsausgang kann auf jeden Wert zwischen 1,5 V und 5 V eingestellt werden. Zudem soll sich sich das Modul zukünftig auf 2 x 2 cm verkleinern lassen.


Im April 2009 berichtet die Fachpresse über eine neue Folie namens Dielectric Electro Active Polymers (DEAP), die das 2008 als Teil der Danfoss-Gruppe gegründet dänische Unternehmen Danfoss PolyPower A/S in Nordbong entwickelt hat und die ihre Länge ändert, sobald man eine elektrische Spannung anlegt. Sie arbeitet nach dem Prinzip eines Kondensators, bei dem die Isolationsschicht zwischen den leitenden Flächen, das Dielektrikum, flexibel ist. Der Silikonfilm ist von außen mit einer hauchdünnen Silberschicht überzogen.

DEAP-Prinzip Grafik

DEAP-Prinzip (Grafik)

Legt man eine hohe elektrische Spannung an den leitfähigen Überzug an, bewirkt der elektrostatische Druck, daß sich die Folie in der Fläche verbreitert und in der Dicke zusammenzieht, da das elektrische Feld zwischen den Außenflächen eine Kraft erzeugt, die auf das elastische Dielektrikum wirkt. Es ist ähnlich wie der Balg einer Ziehharmonika gefaltet, sodaß es unter Druck seine Länge verändert. Da die Metallschicht mikrostrukturiert ist und eine patentierte Wellenform hat, kann sich das gequetschte Elastomer in Richtung der Wellen ausdehnen, nicht aber quer dazu. So entsteht ein Aktor mit linearem, unidirektionalem Hub.

Das Gummiband, das neben seinen aktorischen auch nochsensorische Eigenschaften besitzt, wird als eine Plattform-Technologie für eine Vielzahl von Anwendungen betrachtet. Zu den besonderen Vorzügen des Materials gehört, daß es sehr leise arbeitet, sehr leicht ist (da gerade einmal 40 µm dick) und keine beweglichen Teile benötigt, um zu funktionieren. Dies ist auch den Fall, wenn es als Generator eingesetzt wird.

Wir nämlich einem gestreckten Stück der PolyPower-Folie eine Spannung angelegt, und die Folie anschließend entspannt wird, erhöht sich die Spannung deutlich, indem mechanische Energie in Strom umgewandelt wird, der sich abgreifen läßt.

Im Februar 2013 berichtet die Presse, daß das Unternehmen an einer Demonstrationsanlage im kW-Bereich arbeitet, die zukünftig zur Nutzung der Offshore-Wellenenergie dienen soll. Diese Entwicklungen laufen im Rahmen einer größeren Forschungsgruppe, die sieben dänische Unternehmen sowie drei Universitäten umfaßt. Das Vier-Jahres-Projekt wird teilweise von der dänischen Advanced Technology Foundation finanziert. Inzwischen scheint die Firma Danfoss PolyPower A/S wieder von der Bildfläche verschwunden zu sein – was aus dem Gemeinschaftsprojekt geworden ist, ließ sich bislang nicht herausfinden.


Dessen ungeachtet wird nur wenige Monate später, im Juli 2013, über ein ausgesprochen ähnliches Projekt berichtet, das diesmal von der deutschen Firma Robert Bosch GmbH verfolgt wird. Auch hier geht es darum, das elektrostatische Prinzip zu nutzen, um die Energie von Meereswellen in elektrischen Strom umzuwandeln.

Der Name des Projektes ist sein Programm: Elektroaktive Polymere auf Silikonbasis zur Energiegewinnung (EpoSil). Auf die Idee, dielektrische Elastomere zur Wellenenergienutzung einzusetzen, ist das Forschungsteam unter der Leitung von Istvàn Dénes bereits fünf Jahre zuvor durch Kollegen aus der zu Bosch gehörenden Firma Bosch Rexroth gebracht worden, die damals als Zulieferer für Wellenkraftwerke tätig war.

An dem sich daraus entwickelnden Forschungsprojekt sind außer der Robert Bosch GmbH und der Bosch Rexroth noch die Firma Wacker Chemie, das Winnender Ingenieurbüro Brinkmeyer & Partner sowie die technischen Universitäten in Darmstadt und Hamburg-Harburg beteiligt. Als Unterauftragnehmer fungiert die Schweizer Firma Compliant Transducer Systems. Für das bis 2015 laufende Projekt stehen dem Konsortium 4 Mio. € zur Verfügung, von denen knapp die Hälfte vom Bundesforschungsministerium stammt.

Der inzwischen von der Technischen Universität Darmstadt hergestellte Demonstrator besteht aus einem Stapel von 1.400 haarfeinen Modulen aus Elastomer, von denen jedes nur 50 µm dick ist. Oben und unten sind die Module mit einem elektrisch leitenden Stoff beschichtet. Da das Elastomer selbst den Strom nicht leitet, bildet das Modul also eine Art Kondensator.

Die Umsetzung soll wie folgt geschehen: Eine steigende Welle drückt das Modul zusammen, das wird dabei in die Breite gequetscht wird, da sich das Elastomer nicht komprimieren läßt. Auf dem Höhepunkt der Welle werden die vergrößerten, leitenden Flächen elektrisch aufgeladen. Beim Absinken der Welle schrumpft das Modul, seine Fläche wird kleiner, und die vorhandene elektrische Aufladung führt zu einer höheren Spannung. Diese Energie wird ins Stromnetz geleitet, und der Zyklus beginnt von vorne.

Die Forscher rechnen damit, das die am Anfang des Zyklus zugeführte elektrische Energie etwa verdoppelt werden kann. Unter dem Strich sollen auf diese Weise ca. 20 % der mechanischen Energie einer Meereswelle in elektrische Energie umgewandelt werden. Diskutiert werden dabei in einem Käfig am Meeresboden verankerte Elastomer-Stapel, die mit einer Boje verbunden sind, welche nach oben zieht, wenn eine Welle kommt, und so die Kompression bewirkt. In einem Kraftwerk dieser Art hätte jeder Modulstapel eine Fläche von 1,5 m2 und wäre 5 m hoch.

Alternativ ist eine Technik angedacht, bei der ein mehrere hundert Meter langer Elastomer-Schlauch mit 1,5 m Durchmesser von Meerwasser durchflossen und dabei gepreßt und gestaucht wird. Das System ähnelt damit dem Anaconda genannten Modell der britischen Firma Checkmate Seaenergy Ltd., das ich bereits im entsprechenden Absatz zur Wellenenergie ausführlich beschrieben habe (s.d.)

An der TU Hamburg-Harburg, die einen großen Wellenkanal besitzt, sollte 2014 ein weiterer Test der Technik in Form eines verkleinerten Wellenkraftwerks stattfinden. Bislang lassen sich aber keine weiteren Schritte bei diesem Projekt nachweisen.


Zurück zur Chronologie. Eine ganz andere Form ‚statischer Energie’ entdecken amerikanische und deutsche Physiker an der amerikanischen Yale University unter der Leitung von Prof. Jack Harris, die ihre Ergebnisse im Oktober 2009 veröffentlichen. Die theoretischen Vorhersagen gehen auf eine 15 Jahre alte Doktorarbeit von Felix von Oppen zurück, der am Dahlem Center for Complex Quantum Systems an der FU Berlin forscht.

Nano-Metallringe

Nano-Metallring

Seit den Anfängen der Quantenphysik in den 1920er und 1930er Jahren wurde immer wieder vermutet, daß in winzigen Metallringen mit einem Durchmesser von etwa einem Mikrometer elektrische Dauerströme fließen könnten. Diese Ströme sind zwar klein, existieren aber dauerhaft auch ohne angelegte Spannung. Einen experimentellen Nachweis dafür zu erbringen erwies sich jedoch als äußerst schwierig.

Nach langjähriger Optimierung gelingt es nun mit Hilfe eines Nanokantilevers - einer Art schwingendem Miniatursprungbrett -, die Dauerströme viel präziser als bisher nachzuweisen und zu vermessen. Dabei werden die Metallringe auf die Spitze des Nanokantilevers aufgebracht. Der in den Ringen fließende Strom führt zu einer magnetischen Kraftwirkung auf diesen und kann so mittels der dadurch veränderten Schwingungen des ‚Sprungbretts’ nachgewiesen werden.

Die tatsächliche Existenz der Dauerströme ist auch für Fachleute überraschend, da sie in gewöhnlichen, nicht supraleitenden Metallen auftreten, in denen gemeinhin Ströme aufgrund des elektrischen Widerstands nur bei angelegter Spannung fließen können. Die gemessenen Dauerströme beruhen auf einem Effekt der Quantenphysik, der die Bewegung von Elektronen in Metallen beeinflußt. Letztlich kann man sie sich als Ausdruck derselben Bewegung vorstellen, die es den Elektronen im Atom erlaubt, unaufhörlich um den Atomkern zu kreisen.

Bislang ist allerdings unklar, ob sich diese Ströme auch im Bereich des Micro Energy Harvesting nutzen lassen. Auf alle Fälle werden neue Einsichten in das Verhalten von Elektronen in Metallen erwartet, deren Resultate bei der Entwicklung neuer Supraleiter sowie Qubits dienen könnten, den Bausteinen eines zukünftigen Quantencomputers.

Im Dezember 2014 erhält Harris von der W. M. Keck-Stiftung einen Zuschuß in Höhe von 1 Mio. $, um weitere Experimente zu finanzieren, von denen man sich neue Einblicke in die Quantengravitation erhofft. Was vermutlich interessanter ist, als sich weiter damit zu beschäftigen, winzige Mengen Energie zu sammeln.


Im Dezember 2009 kursieren Meldungen, denen zufolge Wissenschaftler in Russland eine Einrichtung präsentiert haben, die als Chizhevsky-Kronleuchter (Chizhevsky Chandelier) bezeichnet wird und statische Elektrizität aus der Luft in nutzbare Elektrizität umwandeln soll. Das entsprechende Patent trägt die Nummer RU 2250114. Der Name geht auf den Biologen und Physiker Alexander Leonidovich Chizhevsky zurück, der sich bereits in den später 1910er Jahren intensiv mit der Luft-Ionisierung beschäftigt hat.

Leider sind die Informationen äußerst dürftig. Es wird nur gesagt, daß das Gerät über eine Metallplatte verfügt, die Partikel aus dem Kronleuchter akkumuliert und sie über einen Draht zu einer Sammeleinheit überträgt. Dabei werden 40 V produziert, was sich dem Forscherteam zufolge aber noch beträchtlich steigern ließe. Über nähere sachdienliche Hinweise würde ich mich freuen.


Daß das Prinzip der statischen Aufladung vermutlich deutlich komplizierter ist als bisher gedacht, ist das Ergebnis einer im Juli 2011 veröffentlichen Studie von Forschern um den Physiker B. A. Grzybowski an der Northwestern University in Illinois. Sie nehmen an, daß die statische Elektrizität zwischen zwei verschiedenen Materialien auch die Übertragung von Molekülen umfaßt, und nicht nur von Elektronen.

Vorangegangen waren Versuche, bei denen Materialien unterschiedlicher Größe verwendet werden, deren größerer Teil negativ, der kleinere positiv geladen ist. Anschließend werden die Materialien langsam erhitzt, um die ,gefangenen’ Elektronen freizusetzen. Bei diesem Prozeß werden Photonen abgegeben, die nun gezählt werden, um dadurch auf die Anzahl der Elektronen schließen zu können. Dabei stellt sich jedoch heraus, daß die Dichte der Elektronen viel kleiner ist, als sie laut Theorie eigentlich hätte sein dürfen: Sie erreicht nicht mal 1/100.000 davon. Womit klar ist, daß sich der im Alltag tausendfach beobachte Effekt nicht mit Transfer von Elektronen erklären läßt.

Dabei wird seit Jahrhunderten angenommen, daß sich die statische Elektrizität, die entsteht, wenn dielektrische Materialien in Kontakt gebracht und dann getrennt werden, aus räumlich homogenen Materialeigenschaften entlang der Materialoberfläche ableitet, und daß sich die Ladungen in einem gegebenen Paar von Materialien gleichmäßig positiv bzw. negativ aufbauen.

Und daß auch das Bild der Kontaktladung nicht korrekt ist, belegt ein Team unter der Leitung von Heinrich Jaeger an der University of Chicago, das im August 2014 über seine Beobachtungen an granularer Materie berichtet. Modelle der Übertragung von gefangenen Elektronen erklären zwar die Annahme, daß die triboelektrische Aufladung desselben Materials von der Partikelgröße abhängt, wobei große Körner positiv und kleine negativ werden, konnten bisher aber nicht validiert werden.

Nun wird festgestellt, daß jede Oberfläche ein zufälliges ,Mosaik’ von entgegengesetzt geladenen Regionen in nanoskopischer Dimension unterstützt. Diese Mosaiken von Oberflächenladung haben die gleichen topologischen Eigenschaften für verschiedene Arten von elektrifizierten Dielektrika und bieten Platz für wesentlich mehr Ladung pro Flächeneinheit als bisher angenommen. Dies deutet darauf hin, daß weitere negativ geladenen Objekte dafür verantwortlich sind, wie Ionen aus Wassermolekülen, welche die Körner umhüllen, oder die Übertragung von Zirkoniumdioxid-Silikat-Molekülen zwischen den Körnern selbst.


Bernd Folkmer, der sich am Institut für Mikro- und Informationstechnik HSG-IMIT in Villingen-Schwenningen seit mindestens 2011 mit dem Thema Vibration-Energy-Harvesting beschäftigt, veröffentlicht im April 2013 einen Anwendungs-Bericht über elektrostatische Mikrogeneratoren, deren Mechanismus in der Kopplung einer seismischen Masse mit zwei variablen Kapazitäten besteht.

Der gekapselte Mikrogenerator mit einer Bauteilgröße von 11 x 11 x 1 mm funktioniert bei Resonanzfrequenzen von 1 - 5 kHz und zeigt eine Effektivleistung von bis 2 x 1,9 μW. Hier abgebildet ist das Test-Board mit dem Mikrogenerator.


Ein Team unter der Leitung von Prof. Zhong Lin Wang vom Georgia Institute of Technology (Georgia Tech) in Atlanta, der uns weiter unten bei den piezoelektrischen Zinkoxid-Nanodrähten nochmals begegnen wird, berichtet im Februar 2013 darüber, einen neuartigen Generator entwickelt zu haben, der aus statischer Elektrizität erhebliche Mengen an elektrischer Energie erzeugen kann.

Wang-Versuch

Wang-Versuch

Das Team hatte das Stromerzeugungspotential des triboelektrischen Effekts zufällig bei seinen Arbeiten an piezoelektrischen Generatoren entdeckt, als der Output einer entsprechenden Vorrichtung viel größer ist als erwartet. Als Ursache für die höhere Leistung erweist sich eine fehlerhafte Montage, durch die zwei Polymeroberflächen aneinander reiben. Sechs Monate der Entwicklung führen anschließend zur ersten Veröffentlichung im Jahr 2012.

Um ihren neuen Triboelektrischen Nanogenerator (TENG) herzustellen, beschichten die Forscher, zu denen auch Kollegen vom Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems um Xiaonan Wen gehören, eine Polymeroberfläche mit einem dünnen Goldfilm, der zudem mit Gold-Nanopartikeln bedeckt wird. Oberhalb dieser Oberfläche, aufgehängt an winzigen Federn und mit einem Abstand von etwa 1 mm, befindet sich eine zweite Polymeroberfläche, die ebenfalls von einem Goldfilm überzogen ist. Beide Goldoberflächen sind durch Drähte mit einer externen Schaltung verbunden.

Werden die beiden Oberflächen zusammengedrückt, wird Reibung erzeugt, wobei der triboelektrische Effekt bewirkt, daß die eine Seite Elektronen gewinnt, während die andere Elektronen verliert. Wenn die Oberflächen dann getrennt werden, bleibt auch die Ladung getrennt und kann durch die Außenfläche abgeschöpft werden, um nützliche Arbeit zu tun. Wird wieder Last angelegt und die beiden Seiten berühren sich noch einmal, wird der Vorgang wiederholt.

Der neue Nanogenerator ist kleiner als eine menschliche Handfläche und erreicht einem Wirkungsgrad von 14,9 %. Mit einem einschichtigen und nur 5 cm2 großen Gerät gelingt es eine Reihe von 600 kommerziellen LEDs zum Aufleuchten zu bringen, indem durch einfaches Treten auf den Generator eine Spitzenleistung von mehr als 1 W erzeugt wird. Dieser Leistungsrekord wird der optimierten Struktur, der richtigen Materialauswahl und der nanoskaligen Oberflächenmodifizierung zugeschrieben.

Abgesehen davon, daß es kein Gold sein muß – laut Wang würde so ziemlich jedes Metall funktionieren – soll ein einschichtiger Generator von 1 m2 Fläche mehr als 300 W erzeugen, und damit auch die Energie rollender Räder, von Windkraft und Meereswellen ernten können.

Seit ihrer ersten Veröffentlichung im Jahr 2012 haben Wang und sein Forschungsteam die Ausgangsleistung ihres triboelektrischen Generators um einen Faktor von 100.000 erhöhen können. Es wird festgestellt, daß die Volumenleistungsdichte mehr als 400 kW/m3 bei einem Wirkungsgrad von mehr als 50 % erreicht.

Im Oktober wird berichtet, daß es unter Verwendung der windinduzierten Resonanzschwingung einer fluorierten Ethylen-Propylen-Folie zwischen zwei Aluminiumfolien zwischenzeitlich gelungen sei, mit integrierten TENGs in den Abmessungen 2,5 × 2,5 × 22 cm eine Ausgangsspannung bis zu 100 V, einen Ausgangsstrom von 1,6 µA, und eine entsprechende Ausgangsleistung von 0,16 mW zu erreichen. Mit einem TENG auf Basis von Doppelelektroden zeigen die Forscher außerdem, wie sich mit etwas pusten genug Strom erzeugen läßt, um ein Ausgangsschild zu beleuchten.

Die Forschung wird durch eine Vielzahl von Sponsoren unterstützt, darunter die National Science Foundation, das US-Department of Energy, dem MANA, Teil des National Institute for Materials in Japan, der koreanischen Firma Samsung sowie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.

Wang-TEG

Wang-TEG

Einer Meldung vom März 2014 zufolge wird inzwischen mit einem weiterentwickelten Modell ein Output von 1,5 W und eine Effizienz von 24 % erreicht. Wangs neuer Triboelektrischer Generator (TEG) ist flach und so groß wie eine Untertasse. Mit zwei Schwungmassen, die auch Teilschwingungen verstärken und keine komplette Umdrehungen des Rotors erfordern, kann der TEG u.a. Energie aus menschlichen Bewegungen liefern.

Der Generator besteht aus vier flachen, übereinander liegenden Scheiben mit gemeinsamer Drehachse. Die unteren drei bilden den Stator: Auf einer Acrylschicht liegt eine Goldscheibe mit Elektroden, über der sich wiederum eine Kunststoffschicht aus Perfluorethylenpropylen-Copolymer (FEP) befindet. Darüber sitzt der Rotor, eine Kupferscheibe, die passend zur Elektrodenscheibe strukturiert ist.

Beide Scheiben sind in 120 radial nach außen laufende schmale ,Tortenstücke’ geschnitten, was beim Stator zwei 60-fach ineinander greifende Elektroden ergibt, während beim Kupfer-Rotor jedes zweite Stück entfernt ist, so daß ein 60-fingriger Strahlenkranz übrig bleibt. Dreht sich die Rotorscheibe, dann fahren ihre Finger immer abwechselnd über Elektrode A und B hinweg. Durch den direkten Kontakt und die unterschiedliche Elektronenaffinität der Materialien wandern Elektronen. Dadurch entstehen elektrostatische Ladungen, die bei geschlossenem Stromkreis abfließen können.

Der 10 cm durchmesseende Generator-Prototyp erzeugt bei 3.000 U/m einen konstanten Wechselstrom mit Spannungsspitzen von bis zu 850 V und einem Stromfluß von rund 3 mA. Mit den bis zu 1,5 W werden LEDs, eine elektrische Uhr und ein Mobiltelefon mit Strom versorgt. Auch ein zweiter, kleinerer Prototyp mit besonders dünnen Materialschichten liefert eine vergleichbare Energieausbeute, obwohl der gesamte Generator nur 75 µm dick ist und 1,1 g wiegt.

Da der im Prinzip zweidimensionale Aufbau mit herkömmlichen Schnitt- oder Ätzmethoden einfach herzustellen und im Einsatz robust und wenig störanfällig ist, ließe er sich potentiell auf den Maßstab kleiner Wind- oder Wasserkraftwerke vergrößern. Der TEG gilt zudem als extrem kosteneffektiv, da durch den Aufbau in Scheiben nur kleine Mengen von leicht verfügbaren Materialien benötigt werden. Der ausführliche Bericht ist im Netz unter dem Titel ,Radial-arrayed rotary electrification for high performance triboelectric generator’ auffindbar.

IKB-Prototyp

IKB-Prototyp

Im Dezember 2014 veröffentlicht das Team einen Bericht, in welchem es primär um die Entwicklung einer schmutz- und wasserabweisenden Sicherheits-Tastatur geht, die durch kontinuierliche biometrische Überprüfung der Tastenanschläge ,weiß’, wer sie bedient – und sich bei unbekannten Nutzern sofort selbst sperrt.

Zudem beschafft sich das Intelligent Keyboard (IKB) die für seinen Betrieb nötige Energie durch die statische Elektrizität der Fingerspitzen. Hierzu besteht die nicht-mechanische Tastatur aus vier übereinander gelegten Schichten transparenter Folien, von denen zwei aus Indium-Zinn-Oxid sind und als Elektroden fungieren, die durch eine Schicht aus PET-Kunststoff getrennt sind. Über den Elektroden werden die statischen Ladungen der Haut von einer Schicht aus FEP-Kunststoff geerntet, wenn diese von Fingern berührt und dann wieder verlassen wird, wobei über den triboelektrischen Effekt Strom erzeugt wird.

Das IKB, für dessen Entwicklung auch das US-Department of Energy Mittel bereitstellt, wird als großen Sprung bei der Selbstversorgung elektronischer Geräte gefeiert – da es bereits bei einer Schreibgeschwindigkeit von mehr als 100 Zeichen pro Minute genug Energie erzeugt, um Kleingeräte aufzuladen. Innerhalb von ein paar Jahren soll die Technologie für die Vermarktung bereit sein – falls jemand bereit ist, zu investieren.

Mikrofluidischer Generator Grafik

Mikrofluidischer Generator
(Grafik)


Im September 2013 konstruiert ein internationales Team um Alvaro G. Marín von der niederländischen Universität Twente eine mikrofluidische Version des o.e. Kelvin-Generators, die anstelle der Schwerkraft eine pneumatische Kraft nutzt, um elektrische Spannungen zu liefern. Mitbeteiligt sind Wissenschaftler der Universität der Bundeswehr München, der Universidad de Sevilla und dem Instituto de Ciencias Matemáticas (ICMAT) in Madrid.

Die Technik öffnet eine Tür zu einer billigen und leicht verfügbaren Transformation von pneumatischem Druck in elektrische Energie – sowie zu einer verbesserten Kontrolle der mikrofluidischen und biophysikalische Manipulation von Kapseln, Zellen und Tröpfchen durch das selbstinduzierte Aufladen der Elemente.


Im Jahr 2012 gründen Prof. Daniel Colin Ludois sowie Micah Erickson und Justin Kyle Reed, die Absolventen der University of Wisconsin, das Spin-off C-Motive Technologies Inc. in Madison, um die Technologie der elektrostatischen Motoren weiter zu entwickeln. Das Argument dafür, daß das Prinzip solcher Geräte bis heute nicht praktisch genutzt wird, lautet, daß sich magnetische Motoren technologisch leichter beherrschen lassen.

Die Firma, über die im September 2014 erstmals berichtet wird, zeigt, daß ein Motor, der elektrische statt magnetischer Felder zur Umwandlung von Strom in Rotation verwendet, sowohl funktioniert als auch die Probleme herkömmlicher Antriebe beseitigen kann. Zudem sei er günstiger.

Der im Labor gebaute Prototyp besteht aus eng nebeneinander angeordneten Aluminiumscheiben, von denen jede zweite drehbar ist. An die fixierten Scheiben wird eine Wechselspannung angelegt, wobei die wechselnden elektrischen Felder die drehbaren Scheiben in Rotation versetzen. Die Technologie basiert auf einer präzisen Steuerung der Hochspannung, die das hochfrequente Wechselfeld erzeugt, und auf einer zuverlässigen Trennung der nahe beieinander liegenden Scheiben, die sich nicht berühren dürften. Da die Kräfte allein durch elektrische Felder übertragen werden und der Motor berührungslos arbeitet, muß er praktisch auch nicht gewartet werden.

C-Machine Detail

C-Machine (Detail)

Ludois zufolge soll die Technologie hocheffizient sein (um 95 %) und auch kleinere und leichtere Motoren ermöglichen, da kein Getriebe benötigt wird. Zudem kann auf das in Magnetmotoren verwendete teure Kupfer verzichtet werden. Die erste Anwendung soll allerdings kein elektrostatischer Motor, sondern ein elektrostatische Generator sein, der mechanische in elektrische Energie umwandelt.

Im Dezember 2013 erhält die Firma 150.000 $ von der National Science Foundation, um den ersten kommerziell nutzbaren elektrostatischen Motor mit hohem Drehmoment auf Grundlage der patentierten Technologieplattform von C-Motive zu entwickeln – gefolgt von weiteren 721.000 $ im September 2015. Zusätzliche Mittel gibt es aus dem Daniel H. Neviaser Entrepreneurship Fund, dem James Weinert Applied Ventures Capital Fund (100.000 $), von der Wisconsin Economic Development Corporation, dem Wisconsin-Center für Technologiekommerzialisierung sowie von prominenten Angel-Investoren. Das internationale Patent war bereits im Februar 2015 mit Hilfe der Wisconsin Alumni Research Foundation angemeldet worden (WIPO-Nr. WO/2015/120033).

Die Forschung konzentriert sich nun darauf, einen C-Machine genannten Generator für den Einsatz in der Windkraft-Großindustrie sowie für breitere Anwendungen auf dem globalen Markt der elektrischen Maschinen zu entwickeln, der ein hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl entwickelt und zu geringeren Kosten herstellbar sein soll, als jeder andere in der Entwicklung oder auf dem Markt befindliche Generator.


Die Firma Earth Energies Inc. meldet im Oktober 2014 zwei Patent unter den Namen  ,Power Receiver for Extracting Power from Electric Field Energy in the Earth’ (US-Nr. 20150102675) sowie ,Method and Apparatus for Extracting and Conveying Electrical Energy From the Earth’s Ionosphere Cavity’ an (US-Nr. 20150102676). Als Erfinder werden John Dinwiddie, Terry L. Wright sowie David R. Ames genannt.

Außer einem bereits im April 2014 erfolgten Posting auf der Firmen-Homepage scheint sich bislang allerdings noch nichts getan zu haben.


Im November 2014 stellt Mercedes anlässlich der Eröffnung seines Entwicklungszentrums in Peking eine Crossover-Coupé-Studie namens Vision G-Code vor, deren Lack Sonnen- und Windenergie sammeln soll. Die besondere Lackfarbe, die sich ,multi-voltaic silver’ nennt, bildet im Grunde eine große Solarzelle mit hoher Effizienz.

Weiterhin kann dieser Lack elektrostatisch aufgeladen werden, entweder durch Fahrtwind oder natürlichem Wind, wenn der Wagen steht. In beiden Fällen wird die Energie den Fahrzeug-Akkus zugeführt, das ansonsten mit einem H2-Ottomotor an den Vorderrädern sowie einem Elektromotor an der Hinterachse angetrieben wird. Mit der ,power on the move’-Aufhängung werden zudem die Bewegung der Stoßdämpfer in elektrische Energie umgewandelt. Ob das Auto jemals realisiert wird, ist unbekannt.


Einem Vorschlag vom April 2015 zufolge soll im Hafen von Rotterdam ein Dutch Windwheel errichtet werden – ein neuartiger Windgenerator, der sich in der Mitte eines 174 m hohen Gebäudes aus zwei aneinandergelagerten Riesenringen befindet. Dabei wird auf eine innovative Technologie der Technischen Universität Delft zurückgegriffen, welche komplett ohne bewegliche Teile wie Rotorenblätter auskommt und daher lautlos ist, nicht vibriert und keine Schatten wirft.

Die neue Technologie basiert darauf, daß der Wind geladene Teilchen durch die Ringstruktur befördert, was eine Spannung erzeugt, die wiederum in nutzbare Energie umgewandelt werden kann. Über die Entwicklung des Prototypen namens Electrostatic Wind Energy Converter (EWICON) habe ich bereits im Kapitel zur Windenergie berichtet (s.u. Neue Designs).

Auch das im Wasser auf einer Art Floß verankerte Gebäude bietet einige Überraschungen: Während der innere Ring mit 72 Appartements, 160 Hotelzimmern, Geschäften und einem Restaurant an der Spitze aufwartet, befinden sich im äußeren Ring 40 Kabinen, die wie Gondeln an einem Riesenrad auf einem Rundkurs rotieren und den Besuchern eine beeindruckende Aussicht auf Rotterdam erlauben. Dazu sind klimatische Fassaden, die Intergration von Photovoltaik, ein Regenwasser-Sammelsystem sowie die Biogas-Erzeugung aus den organischen Abfällen der Bewohner geplant.

Nach dem Upscaling und der Optimierung der Technik, die von 2015 bis 2017 erfolgen soll, ist bis 2021 die Projektentwicklung geplant, welcher der Bau folgt, dessen Fertigstellung für 2025 angedacht ist.

Das Projekt ist eine Initiative der Windwheel Corporation, einem Konsortium der in Rotterdam ansässigen Unternehmen BLOC, DoepelStrijkers und Masters, die es in enger Zusammenarbeit mit führenden Unternehmen und Forschungseinrichtungen umsetzen wollen und hierfür eine Allianz aus elf Partnern bilden: die AM und Royal BAM Group, Deltares, Dura Vermeer, ECN, Eneco, InnovationQuarter, Mammoet, SPIE, TNO und die Windwheel Corp. selbst.

Tatsächlich wird im März  2016 gemeldet, daß die elf Unternehmen und Institute jetzt ein Programm beschlossen haben, um im Rahmen des Projekts eine Reihe vielversprechender Technologien zu erproben.


Funkwellen


Eine fast vergessene Technik, welche die Energie der Trägerwelle von Rundfunksignalen zu ihrem Betrieb nutzt, bildet der seit 100 Jahre bekannte batterielose Detektorempfänger (o.: Kristall-Radio bzw. -Detektor). Da es darüber im Netz sehr viel Material gibt, muß dieses hier nicht wiederholt werden.

In den 1920er und 1930er Jahren nutzen Kleingärtner, deren Parzellen in der Nähe starker Mittelwellensender stehen, die Energie der Radioübertragungen, um ihren Strom gewissermaßen aus der Luft zu beziehen. Als Antennen dienen ihnen dabei ihre Gartenzäune, an die mit einem Kupferkabel Glühlampen angeklemmt werden, deren anderer Pol geerdet wird. Abends beleuchten sie damit ihre Gärten.

Dies geschieht auch in Frankfurt, wo die nach Berlin und Leipzig dritte regionale Funkgesellschaft am 1. April 1924 ihren Sendebetrieb mit 700 W Leistung startet, was bereits ein Jahr später auf 1,5 kW erhöht wird. Als die parasitäre Energienutzung derart überhand nimmt, daß die Sendeenergie so stark gedämpft wird, daß nach wenigen Kilometern ein Empfang des Heiligenstock-Senders kaum noch möglich ist, wird ein Gesetz erlassen, welches solche Basteleien verbietet.

Jenkins mit Radio-Motor

Jenkins mit Radio-Motor

Daneben gibt es jedoch schon früh Ansätze, die Energie der Funkwellen auch zu motorischen Zwecken zu nutzen. Der amerikanische Film-, Rundfunk- und Fernseherfinder Charles Francis Jenkins aus Washington D.C. baut bereits in den 1920er Jahren einen winzigen Radio-Motor. Die Trägerwelle eines lokalen Senders reicht aus, um ihn in hohe Rotation zu versetzen.

In seinem Buch ,Vision by Radio – Radio Photoghraphs’ von 1925 schreibt er allerdings, daß sich der Motor nur zum Teil durch die Funkleistung der entfernten Station gedreht habe, und zum Teil durch lokalen Strom, „ebenso wie ein Lautsprecher betrieben wird“.


In der Ausgabe vom Januar 1929 des US-Magazins Modern Mechanix erscheint eine kurze Meldung über das Modell-Luftschiff von Bernays Johnson aus Newark, New Jersey, an dem dieser seit zehn Jahren experimentiert hat und das er nun auf der jüngsten Boston Radio Exposition ausstellt.

Statt Propeller und Motoren zu benötigen, um zu fliegen, soll eine leistungsstarke Funkwelle ausreichen, um den Zug der Schwerkraft neutralisieren und das Schiff in der Höhe zu halten.  Gesteuert werden kann es „aus sich selbst heraus oder vom Boden aus“, wie es in dem Bericht heißt. Leider ist es mir bislang nicht gelungen, nähere Details über diese interessante Innovation zu finden.


Nach einer Lücke von mehreren Dekaden, in denen sich auf diesem Sektor anscheinend nichts mehr getan hat, melden Joseph B. Tate aus Sausalito und David E. Brown aus Mill Valley, beide in Kalifornien, im Jahr 1985 das Patent für ein seismisches Warnsystem an, dessen Besonderheit seine autonome Stromversorgung aus Funksignalen ist (US-Nr. 4.628.299, erteilt 1986).

Das hierfür eingesetzte Ambient Power Module (APM) der beiden ist eine einfache elektronische Schaltung, die eine Gleichstrom-Niederspannung von bis zu mehreren Milliwatt liefert, wenn sie mit einer Antenne verbunden und geerdet wird, um die Potentialdifferenz zwischen Luft und Boden zu nutzen. Die Höhe der Spannung und der Leistung bestimmt sich durch die Antennenabmessungen und lokalen Geräuschpegel im Radiofrequenzbereich.

In den Beschreibungen wird von einem lose um ein 3-Zoll-Kunststoffrohr gewickelten Draht und einer Peitschenantenne gesprochen. Dabei soll eine mehr als 30 m lange Langdrahtantenne in einer horizontalen Position etwa 10 m über dem Boden am besten funktionieren. Die Angaben eines Outputs von 36 V und 9 W werden allerdings angezweifelt.

Tate erklärt in einem im Herbst 1990 im Magazin Whole Earth Review erschienenen Artikel, daß er bereits 1979 damit begonnen habe mit Methoden zu experimentierten, Radioenergie in nutzbare elektrische Energie zu verwandeln. Mit dem Ausgang von wenigen Millivolt, die er mit einer horizontalen Antenne etwa 6 m über dem Boden erzielt, kann er eine Digitaluhr betreiben. Später gründet er die Firma AmbientResearch in Sausalito und baut APM-Aufzeichnungsstationen, um langfristige Messungen durchzuführen.

Wichtigkeit erlangt das Thema, als sich im April 1984 ein Erdbeben der Stärke 6,0 etwa 145 km von einer APM-Station in Sausalito ereignet und Tate einige Zeit später bei Auswertung der Daten bemerkt, daß der APM-Ausgang sechs Tage vor dem Erdbeben im Laufe des Nachmittags für mehrere Stunden auf weniger als die Hälfte des Normalwerts gesunken ist. Was ihm eigenartig vorkommt, da die meiste Energie des APM von Rundfunksignalen kam, und die Sendestationen auch an jenem Nachmittag die gleiche Leistung ausstrahlten wie sonst.

Nachdem er seine Beobachtungen weiterleitet, wird er schon zwei Wochen später von William Daily aus dem Lawrence Livermore National Laboratory eingeladen, an der Datenerhebung zu Funkstörungen vor Erdbeben mitzuwirkung, die von der Behörde United States Geological Survey finanziert wird. Ob sich Tate später noch mit der Energiegewinnung aus Funkwellen beschäftigt hat, ist nicht herauszufinden.


Auch die Firma Hewlett-Packard Co. in Palo Alto beantragt das Patent für einen ,Self-powered network access point’ an (US-Nr. 6.141.763, angemeldet 1998, erteilt 2000). Als Erfinder werden Mark T. Smith aus San Mateo in Kalifornien und Gerald G. Maguire Jr. aus Stockholm, Schweden, angegeben. Dieses Gerät extrahiert seine Energie ebenfalls aus den Funksignalen, die es empfängt.

Ein weiteres Patent namens ,Energy harvesting circuits and associated methods’ wird im Jahr 2003 von Marlin H. Mickle, Christopher C. Capelli und Harold Swift angemeldet (US-Nr. 20040085247). Die nächste Patentanmeldung erfolgt 2005 durch die University of Pittsburgh unter dem Namen ,Recharging method and apparatus’ (US-Nr. 7.567.824, erteilt 2009), gefolgt von einem Patent ,Passive RF energy harvesting scheme for wireless sensor’, das die Siemens Corp. in Iselin, New Jersey, 2007 anmeldet (US-Nr. 8.552.597, erteilt 2013). Hier werden als Erfinder Zhen Song und Chellury R. Sastry benannt. Es ist allerdings nicht darüber festzustellen, daß aus diesen Patenten jemals Produkte entwickelt worden sind.

Als Begriff für die ganze Energie der Funkwellen um uns herum setzt sich im englischsprachigen Raum der etwas schwammige Ausdruck Ambient Energy (Umgebungsenergie) durch. Präziser ist der Begriff RF-energy (für radio frequency, was dem deutschen HF für Hochfrequenz entspricht).


Im Oktober 2006 wird bekannt, daß auch ein Team am Oak Ridge National Laboratory die Nutzung von Funkwellen für den autonomen Betrieb elektronischer Kleingeräte zu untersucht.

Die Tests bestätigen, daß die Energie der Radio- und Fernsehsignale erlaubt, zwischen einigen Hundert Mikrowatt und einigen Hundert Milliwatt drahtlosen Strom zu ‚ernten’ - je nach Entfernung und Stärke des Senders. Es läßt sich allerdings nicht darüber finden, daß die Arbeiten hier in den Folgejahren weitergeführt worden sind.


Die Firma Texas Instruments (TI) präsentiert im November 2008 mit der CC430-Plattform die Kombination einer leistungseffizienten, hochfunktionellen Mikrocontroller-Einheit (MCU) und einem Low-Power-RF-Transceiver auf einem einzigen Chip.

Mit dem TMS37157 wird einige Zeit später passive Niederfrequenz-Schnittstelle angeboten, die für kurze Reichweite, ohne Batterie, dafür mit Zwei-Wege-Kommunikation für Anwendungen wie Datenerfassung und medizinische Biosensoren gedacht ist und durch HF-Energie betrieben wird, welche von einer Basisstation übertragen wird.


Seit 2008 kursieren im Netz Berichte und Video-Clips des Erfinders Ismael Aviso von den Philippinen, der behauptet, sein selbst gebautes Elektrofahrzeug, das mit einem 11 kW Motor und einer 12 V Batterie läuft, ausschließlich über eine Antenne mit der elektrostatischen oder der Energie von Radiowellen wieder aufzuladen. Die Antenne soll die Energie von Signalen im Bereich von 750 MHz bis 1,2 GHz aufnehmen können.

Daneben erfindet Aviso auch noch einen bewegungslos arbeitenden elektrischen Generator (motionless electric generator, MEG), eine Abstoßungskraft-Technologie und einen ,Universal-Motor’, die die Abstoßungskraft nutzt. Außerdem beschäftigt es sich mit der HHO-Elektrolysezellen-Technologie.

Partnerschaft mit der Tech Cache Ltd. wird im Juli 2011 in Sacramento, Kalifornien, die Firma Aviso Energy LLC gebildet, welche Aviso und seine Technologie in die USA bringen soll. Nach mehreren Ankündigungen von Demonstartionen der Technologie und ebenso häufigen Verschiebungen wird Avisos Werkstatt im August 2012 durch den Taifun Saola zerstört und sein Haus teilweise unter Wasser gesetzt. Obwohl die meisten Erfindungen nicht zu stark beschädigt werden, ist dies das Letzte, was man davon hört. Aviso konzentriert sich derweil auf den Verkauf von alkalischem Trinkwasser.

Funkwellen-Harvester  von Intel

Intel-Harvester


Anfang 2009 erklärt der Chip-Hersteller Intel, daß man künftig Handys, Notebooks und andere Mobilgeräte mit quasi unendlicher Akkulaufzeit ausstatten will, indem man sie mit Chips bestückt, die Energie aus ihrer Umwelt beziehen. Als Beispiele für die unterschiedlichen Energiequellen werden die Körperwärme und Bewegungsenergie des Nutzers, Solarzellen, die gleichzeitig als Display dienen und/oder elektromagnetische Wellen genannt, wie sie Rundfunk- und TV-Sender erzeugen.

Die Forscher von Intel Research Seattle um Joshua Smith stellen gemeinsam mit Alanson Sample von der University of Washington (UW) in Seattle eine markttypische, kleine Wetterstation für Haushalte vor, die samt LCD-Display komplett durch die Energie der Funksignale des 4,1 km entfernten KING-TV Fernsehsendeturms betrieben wird. Die Station sendet ihr Signal auf Kanal 48 zwischen 674 und 680 MHz mit einer effektiven Sendeleistung (ERP) von 960 kW. Die einfache UHF-Fernsehantenne ‚zapft’ davon eine Leistung von 60 µW ab.

Intel beschäftigt sich seit einiger Zeit außerdem noch mit einer Form der drahtlosen Energieübertragung, die an die Spulentechnologie von Nikola Tesla erinnert. Ich werde zu gegebener Zeit ein gesondertes Kapitel darüber unter dem Stichwort WiTricity verfassen, da sich inzwischen zunehmend mehr Forscher und Unternehmen damit befassen (in Arbeit).

Ende 2009 wird zudem ein implantierbarer Sensorchip vorgestellt, der Nervensignale aufzeichnen kann und dabei sehr wenig Energie verbraucht. Die Sensorplattform namens NeuralWISP bezieht ihren Strom von einer Funkquelle, die bis zu einem Meter entfernt liegen kann. Aus der geernteten 1,8 V Versorgung zieht das gesamte System durchschnittlich 20 μA.

Ambient Backscatter

Ambient Backscatter

Bei dem Versuch kommt dabei ein handelsübliches RFID-Lesegerät zum Einsatz, das gleichzeitig auch zur Datensammlung verwendet wird, um die Aktivitäten im zentralen Nervensystem einer Motte auszulesen, während sich diese bewegt.

Wie Meldungen vom August 2013 zu entnehmen ist, wird an der UW unter der Leitung von Prof. Shyam Gollakota zudem an Geräten gearbeitet, mit denen die Benutzer ohne Batterien miteinander kommunizieren können. Die als Ambient Backscatter bezeichnete Technologie kann kabellose Signale sowohl als Energiequelle, als auch zur Kommunikation nutzen.

Die Forscher testen die scheckkartengroßen Prototyp-Geräte, die mehrere Fuß voneinander entfernt plaziert werden, indem sie bei jedem Gerät Antennen an gewöhnliche Leiterplatten anbauen, auf denen ein LED-Licht blinkt, wenn ein Kommunikationssignal von einem anderen Gerät empfangen wird. Gruppen der Geräte werden in einer Vielzahl von Aufstellungen in der Gegend von Seattle installiert, darunter an Positionen innerhalb eines Wohngebäudes, an einer Straßenecke und auf der obersten Ebene eines Parkhauses.

Obwohl diese Standorte im Bereich von weniger als 0,5 km bis zu 10 km entfernt von einem Fernsehturm liegen, stellt sich heraus, daß alle Geräte in der Lage sind, miteinander zu kommunizieren, auch die, die am weitesten von dem Fernsehturm entfernt sind. Ein Manko ist vor allem die noch geringe Reichweite, die sich in Gebäuden auf 50 cm und im Freien auf 75 cm beläuft.

Neben ihrer Verwendungen in Sensornetzwerken könnten die Ambient Backscatter, die pro Sekunde etwa 1 Kilobit Daten liefern, auch in die Wände von Gebäuden und Brücken oder in Autoteile installiert werden, um bei strukturellen Beschädigungen Alarm zu schlagen. Ebenso ist es möglich, diese Technologie in Geräte einzubauen, die mit Akkus arbeiten, wie etwa Smartphones. Diese könnten demnach so konfiguriert werden, daß sie, wenn der Akku leer ist, immer noch SMS-Nachrichten senden können – durch den Einsatz von Strom aus den TV-Signalen der Umgebung.

Die Forschungen werden über einen Google-Faculty-Forschungspreis und durch das Center for Sensorimotor Neural Engineering der National Science Foundation finanziert.

Im Februar 2014 folgt die Meldung, daß die Informatiker der UW zwischenzeitlich ein Low-Cost-Gestenerkennungssystem entwickelt haben, das ohne Batterien betrieben wird und es den Benutzern  ermöglicht, ihre elektronischen Geräte – vor den Blicken versteckt – mit einfachen Handbewegungen zu steuern. Der AllSee genannte Prototyp, der für weniger als einen Dollar umgesetzt werden könnte, nutzt bestehende TV-Signale sowohl als Energiequelle als auch zum Erkennen der Befehlsgesten des Benutzers.

Das Gerät besteht aus einem kleinen Sensor, der an einem elektronischen Gerät wie einem Smartphone angebracht werden kann und einen Ultra-Low-Power-Empfänger verwendet, um aus den drahtlosen Übertragungen um uns herum Gesten-Informationen zu extrahieren und zu klassifizieren. Dies ist möglich, da die Handgesten einer Person Gesten die Amplitude der Funksignale in der Luft verändern.

Und im Gegensatz zu den bisherigen drahtlosen Gestenerkennungstechniken, die Dutzende Watt Leistung verbrauchen und für den mobilen Einsatz oder das ,Internet der Dinge’ (Internet of Things, IoT; manchmal auch: low-energy Internet of Things, LE-IoT) nicht geeignet sind, benötigt AllSee nur 10 µW Leistung und kann daher auf den mobilen Geräte auch immer aktiviert bleiben. Die Forschung wird von einem Google-Faculty-Forschungspreis und der Washington Research Foundation finanziert.

Bereits im August 2014 zeigen der Informatiker Bryce Kellogg und seine Kollegen an der UW in einem einfachen Versuchsaufbau, wie man durch die Manipulation eines W-Lan-Signals batterielose Geräte drahtlos ans Internet anschließen kann.

Die Wi-Fi Backscatter (W-LAN Rückstreuung) genannte Technik funktioniert dabei extrem energiesparsam. Dabei ist der zu vernetzende Sensor mit einer speziellen Antenne ausgerüstet, welche die Intensität eines vorhandenen W-LAN-Signals modulieren kann. Das System reflektiert gewissermaßen die W-LAN-Wellen, verändert sie dabei aber ein wenig. Anstatt sich in ein W-LAN-Netz einzuwählen, moduliert es dessen Charakteristik in einer Weise, die z.B. von einer Laptop-Software registriert werden kann. Dabei ist die Veränderung so gering, daß die dafür nötige Energie aus dem W-LAN-Feld selbst bezogen werden kann. Eine grobe Analogie wäre das schnelle Ein- und Ausschalten eines Autoradios, um so Morsesignale zu verschicken.

Durch diese Veränderungen können erstaunlich gut Daten übermittelt werden, bereits im Versuchsaufbau werden ein Kilobit pro Sekunde erreicht, bei weniger als 10 µW Energieaufnahme und bis zu 2,1 m Abstand.

Die jüngste Entwicklung der UW stammt vom Juni 2015. Diesmal zeigen Wissenschaftler um Vamsi Talla den Prototypen einer batterielosen Überwachungskamera, die ausschließlich durch W-LAN-Signale versorgt wird. Sie ist in der Lage, alle 35 Minuten ein Schwarzweiß-Bild mit 174 x 144 Pixel zu erfassen.

Ein Problem, das die Forscher dabei zu lösen hatten, ist die Tatsache, dass W-LAN-Netze nur dann nutzbare Strahlung produzieren, wenn sie auch genutzt werden. Um elektrische Geräte zu betreiben, ist jedoch eine beständige Energiequelle erforderlich, weshalb die Router so modifiziert werden mußten, sie ein kontinuierliches Signalrauschen ausstrahlen, auch wenn keine Daten übertragen werden.

Beeindruckend ist auch die Leistung, die das neue System erreicht: Die Kamera kann durch eine Steinwand und auf Entfernungen von bis zu 5 m genutzt werden. Weitere Versuche werden mit einem Temperatursensor durchgeführt, der sich unter Hinzufügung eines Akkus sogar aus etwa 9 m Entfernung betreiben läßt.


Zurück zur Chronologie: Auch die Firma Nokia arbeitet 2009 an einem Zusatzgerät für Handys, das Radiowellen aus der Umgebung in Strom umwandelt und ins Mobiltelefon einspeist. Der aktuelle Prototyp aus dem Nokia Research Center im britischen Cambridge, an dem ein Team um Markku Rouvala arbeitet, kann aus den Radiowellen von W-LANs, Mobilfunkantennen, TV-Sendern und anderen Quellen eine Stromleistung von 3 – 5 mW erzeugen, was bereits einen unbegrenzten Standby-Betrieb möglich macht. Möglich sollen sogar 50 mW sein.

Wie beim o.g. Kristalldetektor lassen die schwingenden Magnetfeldkomponenten des einlaufenden Radiosignals in der Antennenspule Elektronen oszillieren, wodurch ein schwacher Induktionswechselstrom entsteht, der in Gleichstrom umgewandelt werden kann. Um die Leistung zu erhöhen, soll das Nokia-Gerät einen größeren Ausschnitt aus dem Radiofrequenzspektrum umwandeln. Der dazu erforderliche Breitband-Empfänger kann Signale mit einer Frequenz zwischen 500 MHz und 10 GHz abzapfen, ein Bereich in dem sich viele mit Radiowellen arbeitende Kommunikationskanäle befinden. Die Technologie soll in drei bis vier Jahren marktreif sein.

Nokia gibt noch keine Details über das Projekt preis, ist aber zuversichtlich, daß sich innerhalb von drei bis vier Jahren in ein Produkt daraus entwickelt. Das Unternehmen plant, die Technik in Verbindung mit anderen Energie-sammelnden Ansätzen zu verbinden, wie z.B. in das äußere Gehäuse des Handgerätes eingebettete Solarzellen.


Ein weiteres sehr interessantes Konzept, das im Auge behalten werden sollte, bilden die sogenannten Fraktal-Antennen, die eine sehr große Zahl von Frequenzen gleichzeitig empfangen können. Dieser Vorschlag aus dem Jahr 2009 geht auf den Elektroningenieur Jack Passerello aus Anaheim, Kalifornien, zurück, der schon in die Entwicklung der ersten Computer-Chips involviert war. Leider läßt sich nichts darüber finden, daß diese Sache weiter verfolgt wurde – zumindest nicht im Zusammenhand mit dem Einfangen von RF-Energie.

STM-Rectenna

STM-Rectenna


D. Bouchouicha
und F. Dupont von der französischen Firma STMicroelectronics (STM) in Tours stellen gemeinsam mit Kollegen der École Supérieure d’électronique de l’ouest (ESEO) und der Université de Tours im März 2010 eine Machbarkeitsstudie für einen Harvester für HF-Energie vor.

Da Messungen der HF-Leistungsdichte in der städtischen Umwelt zeigt, daß die Leistung sehr gering ist und in einem breiten Frequenzband verteilt liegt, zeigt das Team ein Breitbandsystem, daß die maximale Energie abfängt und in der Lage ist, einen Gleichstrom um 12,5 pW zu liefern. Mit einem ebenfalls vorgestellten schmalbandigen System werden über 400 pW erzielt.

Die Leistung beider Systeme ist zwar zu gering, um einen autonomen Betrieb der Geräte zu gewährleisten, doch die geerntete Energie kann in Mikro-Batterie oder Superkapazitoren gepeichert werden. Um die Leistung zu erhöhen können zudem auch Antennen-Arrays Verwendung finden, wobei die Forscher in Ihrem Bericht auch eine Spiralantenne zeigen, mit der 63 nW erzielt werden.

Ab 2013 bietet die Firma eine Entwicklungsplattform für innovative berührungslose Speicher mit HF-Energy-Harvesting-Funktionen an (M24LR Discovery Kit), die einen energieautarken, Batterie-freien Betrieb gewährleisten. Daneben werden von STM auch noch ICs angeboten, welche alle Funktionen integrieren, um entweder mit einer Solarzelle oder mit einem Thermogenerator (TEG) elektronische Schaltkreise zu versorgen und Batterien aufzuladen (s.d.).


Fraglich ist allerdings, ob derartige Technologien in Deutschland überhaupt erlaubt sind. Laut § 248 c des Strafgesetzbuches ist das Anzapfen fremder Stromquellen nämlich eine Straftat, die mit einer Freiheitsstrafe von bis zu fünf Jahren geahndet werden kann!


Anders ist die Sachlage, wenn man selbst für das Sendesignal sorgt. Die 2003 von Matt Reynolds, einem Professor an der Duke University, gegründete Firma Powercast Corp. aus Pittsburgh, Pennsylvania, verkauft ab 2010 (?) beispielsweise ein System namens Powercaster Transmitter, mit dem sich ein Sensor aus der Ferne über einen Abstand von 12 – 14 m mittels Radiosignal aufladen läßt (P2110B). Die Sensoren überwachen z.B. die Raumtemperatur in automatisierten Systemen, welche die Heizungs- und Klimaanlagen in Bürogebäuden steuern.

Daneben bietet das Unternehmen mit den Powerharvester-Empfängern eingebettete drahtlose Energiequellen an, die erneuerbare Energie durch Umwandlung von Radiowellen in Gleichstrom liefern, und dies mit einem Wirkungsgrad von über 70 %. Der Output beträgt bis zu 5,5 V bei 50 mA.

Gemeinsam mit Prof. Jochen Teizer am Georgia Institute of Technology (Georgia Tech) entwickelt Reynolds den Prototyp eines Schutzhelmes, der einen kleinen Mikroprozessor nebst Piepser besitzt, welcher eine Warnung klingen läßt, wenn sich auf einer Baustelle gefährliche Geräte nähern. Auch dieses System verbraucht so wenig Energie, daß diese aus den umgebunenden Radiowellen gewonnen werden kann. Die Entwicklung wird teilweise von der National Science Foundation finanziert.

In Kooperation mit der Firma Microchip Technology Inc. stellt Powercast im Oktober 2010 das Lifetime Power Energy Harvesting Development Kit für drahtlose Sensoren vor, um entsprechende Anwendungen zu demonstrieren und zu entwickeln. Grundlage ist vermutlich das von Microchip Technology und der Cymbet Corp. bereits im Juli dieses Jahres vorgestellte Development Kit für solare Anwendungen (XLP 16-bit).

Druckobjekte der Georgia Tech

Druckobjekte der Georgia Tech

Die nächste Meldung aus dem Georgia Tech stammt vom Juli 2011, als Prof. Manos Tentzeris und sein Team einen Sensor (links im Bild) und eine Ultra-Breitband-Spiralantenne mit Energiefang-Fähigkeit in verschiedenen Frequenzbereichen vorstellen, die mit Inkjet-Technologie auf Papier oder flexible Polymere gedruckt werden können. Wobei die Antenne sehr stark dem weiter oben gezeigten Modell der Firma STM ähnelt.

Das Team ist bereits in der Lage, durch die Nutzung der Energie aus TV-Signalen einige Hundert Mikrowatt Gleichstrom zu generieren, erwartet jedoch, daß Multi-Band-Systeme bis zu 1 mW oder mehr sammeln können, was genug wäre, um kleine elektronische Geräte zu betreiben, darunter eine Vielzahl von Sensoren und Mikroprozessoren. Im Versuch gelingt es, mit der elektromagnetischen Energie von einer 500 m entfernten Fernsehstation erfolgreich einen Temperatursensor zu betreiben.

Als die Arbeitsgruppe im Jahr 2006 mit dem Inkjet-Druck von Antennen begann, funktionierten diese nur bei Frequenzen von 100 oder 200 MHz. Inzwischen ist es möglich Schaltungen zu drucken, die von 100 MHz bis zu 60 GHz funktionsfähig sind, wenn sie auf einen Polymer gedruckt werden, und damit einen Bereich vom UKW-Rundfunk bis hin zu Radarfrequenzen abdecken.

Das Team versucht zudem, die Energiefang-Technologie mit Superkondensatoren und Taktbetrieb zu kombinieren, um auch Geräte versorgen zu können, die mehr als 50 mW benötigen. Als Anwendungsbereiche sehen die Forscher in erster Linie die Bereiche Sicherheit, Energieeinsparung, strukturelle Integrität, Lagerungs- und Qualitätsüberwachung sowie tragbare Biomonitoring-Geräte. Die Forschungen werden von mehreren Sponsoren unterstützt, darunter der National Science Foundation, der Federal Highway Administration und Japans New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO).


Im Januar 2010 demonstriert auf der US-Elektronikhersteller RCA auf der Consumer Electronics Show (CES) in Las Vegas ein Airnergy getauftes Akkuladegerät (später: AirPower), das die Funksignale eines Drahtlos-Netzwerks nutzt, um die Akkus aufzuladen.

Wie schnell die aus der Luft gegriffene Energie die Akkus lädt, hängt von der Anzahl der Funknetze, der Sendeleistung des W-LANs und der Entfernung des Ladegeräts vom Sender ab. In der CES-Messehalle mit zwanzig und mehr in unmittelbarer Nähe funkenden Drahtlos-Netzen kann ein Blackberry-Akku binnen 90 Minuten von einem Drittel auf volle Kapazität aufgeladen werden.

Das Gerät hat etwa die Größe eines Mobiltelefons und besitzt einen Micro-USB-Anschluß. Im Inneren befindeen sich eine Antenne, die 2,4 GHz (802.11) WiFi-Signale empfängt, sowie ein Konverter, der die WiFi-Energie in Gleichstrom wandelt, welcher in der On-Board-Batterie gespeichert wird. Laut RCA wird der Funklader bereits im Sommer in den Vereinigten Staaten für etwa 40 $ erhältlich sein. Bis 2011 soll die Technik dann so weit geschrumpft werden, daß man sie direkt in Akkus einbauen kann.

Später wird die Markteinführung zuerst auf den Herbst, dann auf den Winter 2010 verschoben. Und schon im März 2011 antwortet RCA auf entsprechende Anfragen, daß das Projekt inzwischen ,gestorben’ sei. In den Kommentaren wird vorgerechnet, warum: Selbst bei einem Wirkungsgrad von 100 % könne das Gerät nur eine Laderate von 0,0133 mW erreichen, was 0,0318 mWh innerhalb von 24 Stunden bedeutet. Bei einem typischen Handy-Akku mit einer Kapazität von 4.000 mWh würde es daher 12.579 Tage bzw. 34,5 Jahre dauern um mit dieser Laderate die Batterie einmal aufzuladen.


Die im Jahr 2011 (o. 2009?) gegründete Firma Scarf Technologies LLC aus Mountain View, Kalifornien, erhält 2012 das Patent unter dem Namen ,Generating DC electric power from ambient electromagnetic radiation’ (US-Nr. 8.330.298, beantragt 2010). Als Erfinder sind Joshua M. Scherbenski und Freeman Cullom angegeben. Es lassen sich jedoch keine Hinweise auf die weitere Existenz dieses Untenehmen finden.

RF-Karte von Toppan Forms

RF-Karte von Toppan Forms


Die Firma Toppan Forms aus Hong Kong, eine Multi-Milliarden-Dollar-Tochtergesellschaft der globalen Druckerei Toppan Printing Co. Ltd. mit Hauptsitz in Tokio, stellt im April 2010 eine Reihe von Produkten vor, die zumeist auf organischer Photovoltaik und gedruckten Elektronik-Technologien basieren.

Neben Solartaschen, solarbetriebenen OLED-Displays und ähnlichem wird auch Karte ohne Batterie präsentiert, deren Bild durch RF-Signale von RFID-Lesegeräten zum Aufleuchten gebracht wird. Das Marketing für die Produkte soll im Jahr 2011 beginnen.


Im August 2011 melden Forscher des Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS) in Duisburg um Gerd vom Bögel, daß sie den Prototyp eines besonders komfortablen und ausfallsicheren Fensterkontakts entwickelt haben, der meldet, welche Fenster im Haus offen oder geschlossen sind.

Der elektronische Helfer wird an den Fenstergriffen plaziert, erkennt anhand der Griffstellung, ob ein Fenster geöffnet, gekippt oder geschlossen ist und übermittelt diese Information zu einer Basisstation. Dabei kommt das Sysrem ohne Kabel oder Batterien aus, da die Sensoren ihre gesamte Betriebsenergie aus der Funkstrahlung in der Umgebung gewinnen. Hierfür wird in jedem Zimmer neben den Fensterkontakten ein Raumcontroller installiert, dessen aktiv funkendes Modul nicht nur die Daten der einzelnen Fensterkontakte empfängt, sondern die Sensoren durch seine Funkstrahlung auch mit Energie versorgt.


Damit Elektroautos unbegrenzt fahren können, entwickeln Masahiro Hanazawa von den Toyota Central R&D Labs und Takashi Ohira von der Toyohashi University of Technology in der Präfektur Aichi ein drahtloses System, das die Fahrzeuge mit Strom versorgt, während sie die Straße entlang fahren.

Die Idee ist nicht neu, doch während andere Forscher auf der ganzen Welt drahtlose Ladesysteme entwerfen, die in klassischer Art und Weise parkende Autos aufladen, verfolgen die beiden japanischen Forscher Berichten vom August 2011 zufolge den Ansatz, daß es viel mehr Sinn machen würde, die Stahldrähte im Inneren der Autoreifen zu Empfängern zu machen, da sie dem Strom-emittierenden Asphalt am nächsten sind. Die Forschungen führen zu einem System, das 50 – 60 W Strom durch fast 10 cm Beton übertragen kann, so daß die Stromquelle sicher unter der Fahrbahn installiert werden kann.

Praktisch umgesetzt sieht das so aus, daß der Strom aus dem Netz von einer niedrigen zu einer hohen Funkfrequenz umgewandelt und dann auf kleine Metallplatten innerhalb eines Reifens übertragen wird. Die weltweit erste Demonstration der Kraftübertragung von Elektroden unter der Straßendecke auf die Räder eines Elektroautos erfolgt im Dezember 2012 mit einem Modell-EV im Maßstab 1:32. Dabei bewegt sich das Auto bei 52 MHz erfolgreich mit einem Wirkungsgrad von mehr als 75 %.

Im Oktober 2014 folgt auf der CEATEC in Japan eine weitere Vorführung, bei der bereits ein elektrischer Rollstuhl in Originalgröße (und mit Passagier) zum Einsatz kommt. Tatsächliche Feldtests sind bislang aber noch nicht durchgeführt worden. Das Thema der Ladestationen für Elektromobile behandle ich in einem eigenen Kapitel (s.d.).


Die japanische Firma Nihon Dengyo Kosaku Co. Ltd. (Dengyo) stellt im August 2011 mit ihrem Microwave Regenerative Converter ein Gerät vor, das „verschwendete elektromagnetische Energie“ ernten und in nutzbare Energie umwandeln soll.

Das neue Produkt ist eine 2,4 GHz-Band Rectenna, eine Kombination aus einer Antenne und einem Gleichrichter (Rectifier), hat die Maße 103 x 93 x 17 mm und eine maximale Gleichstrom-Ausgangsleistung von 100 W. Es kann verwendet werden, um die elektromagnetische Energie von Mikrowellenöfen oder industriellen Mikrowellen-Heizmaschinen zu verwerten, die nicht zum Erhitzen von Lebensmitteln und Materialien beiträgt (auch wenn mir nicht ganz klar ist, wie das gehen soll).

10 kW-Rectenna

10 kW-Rectenna

Ein weiteres Rectenna-System fängt WiFi- und digitale terrestrische Rundfunksignale auf und verfügt daher über zwei Antennen, eine für jedes Band. W-LANs sollen der Rectenna ermöglichen, in einem Abstand von etwa 10 cm eine Leistung im Mikrowatt-Bereich zu erzeugen.

Im Juli 2012 wird berichtet, daß Dengyo gemeinsam mit der neu gegründeten Volvo Technology Japan, einer Tochter der in Schweden ansässigen Volvo AB, ein drahtloses Energieübertragungssystem für Elektrofahrzeuge entwickelt, das auf 2,45 GHz Mikrowellen basiert. Es gelingt damit, 10 kW Strom drahtlos über eine Entfernung von 4 – 6 m zu übertragen.

Auch hier werden hocheffiziente Rectennas mit einem Wirkungsgrad von etwa 84 % verwendet, die eine hohe Ausgangsleistung von 3,2 kW/m2 erreichen – der laut Dengyo „weltweit höchsten Leistung“. Das Thema werde ich in einem gesonderten Kapitelteil noch ausführlich behandeln (in Arbeit).

ELFE

ELFE


Mitte 2012 erscheinen die ersten Berichte über eine Taschenlampe namens ELFE, die in Australien von einem russischen Team entworfen wurde. Dahinter stehen Victor Uzlov und Ihor Dubatouka von der im März 2012 gegründeten und in North Sydney, NSW, beheimateten Firma ADGEX Ltd.

Der Adgex Accumulator, der den Kern der 120 Lumen starken 3 W LED-Leuchte bildet, soll seine Energie aus dem Magnetfelde der Erde, der Sonnenstrahlung und dem elektromagnetischen Rauschen der Umwelt sammeln. Das für 99 $ angebotene Gerät kann den Herstellern zufolge mehr als 12 Stunden einen leistungsfähigen Lichtstrom liefern, dessen Lichtintensität im Laufe der Zeit aber abnimmt. Anschließend erfordert es einen Zeitraum von bis zu 2 Wochen, damit der Speicher wieder sein volles Energieniveau erreicht.

Die Firma, die sich daneben auch noch mit anderen neuen Technologien beschäftigt, nennt allerdings keinerlei Details über die Grundlagen, nach denen die Lampe funktioniert.


Im Januar 2013 überschlägt sich die Presse mit der Meldung, daß der deutsche Designstudent Dennis Siegel an der Hochschule für Künste Bremen ein Gerät entwickelt habe, welches Energie aus den umliegenden Geräten zieht.

Der Electromagnetic Harvester kann Energie ebenso aus einem Fernseher gewinnen, der sich in der Nähe befindet, wie auch von einem Smartphone oder bei einer Fahrt in der Straßenbahn, wobei die aufgenommene Energie in einer gewöhnlichen AA Batterie gespeichert wird.

Das kleine quadratische Gerät basiert auf elektromagnetischer Induktion. Stellt man sich mit dem Harvester beispielsweise unter eine Starkstromleitung, kann man anhand der am Gerät aufleuchtenden LED erkennen, daß die AA Batterie im Gerät gerade aufgeladen wird. Um eine Batterie voll aufladen zu können, braucht es etwa einen Tag.

Siegel konzipiert zwei Harvester für unterschiedliche elektromagnetische Felder: einen kleinen, der für niedrigere Frequenzen unterhalb von 100 Hz geeignet ist, wie man sie im Stromnetz findet (50/60Hz), sowie einen größeren für höhere Frequenzen wie Radiosendungen (~ 100 MHz), GSM (900/1.800 MHz) bis hin zu Bluetooth und W-LAN (2,4 GHz). Bislang ist es aber bei dem Design geblieben, eine kommerzielle Nutzung erfolgte noch nicht.

IMEC-Harvester

IMEC-Harvester


Im Mai 2013 wird berichtet, daß das belgische Forschungszentrum IMEC sowie das Holst Centre, in Zusammenarbeit mit den Technischen Universitäten in Delft und Eindhoven, Niederlande, einen selbstkalibrierenden HF-Energie-Harvester entworfen und gefertigt haben, der in der Lage ist HF-Signale mit niedrigerer Eingangsleistung zu ernten als alle bisherigen Lösungen. Die maximale Umwandlungseffizienz des Harvesters, dessen aktive Chipfläche nur 0,029 mm2 beträgt, liegt bei 31,5 %.

Grundlegendes Ziel der Entwicklung ist, den Betriebsabstand zwischen der Quelle und dem Harvester auf eine Größenordnung von 100 µW über Distanzen von mehreren Metern zu erhöhen.

Im Dezember 2015 folgt die Meldung, daß Forscher an der TU Eindhoven um Prof. Peter Baltus und seinen Doktoranden Hao Gao nun auch einen winzigen, nur 2 mm2 großen und 1,6 mg leichten Temperatursensor entwickelt haben, der durch die Funkwellen des gleichen Wireless-Netzwerks mit Strom versorgt wird, über das er kommuniziert.

An Bord des Chip fängt eine kleine Antenne die Energie aus den vom Router übertragenen Signalen. Sobald das Gerät aufgeladen ist, schaltet sich der Sensor schnell an, mißt die Temperatur und überträgt dann ein Signal an den Router, wobei sich die Frequenz des gesendeten Signals auf die gemessene Temperatur bezieht.

Der Chip, der nur ca. 20 Cent kostet, ist in der Lage, unter einer Schicht von Farbe, Putz oder Beton zu arbeiten. Dieselbe Technologie soll den Wissenschaftlern zufolge auch ermöglichen, den Chips zur Detektion von Bewegung, Licht und Feuchtigkeit einzusetzen. Im Moment kann er sein Signal zwar nur 2,5 cm weit übertragen, was aber innerhalb eines Jahres auf bis zu 5 m erweitert werden soll. Das Projekt mit dem Namen PREMISS wird aus Mitteln der niederländischen Technologiestiftung STW finanziert.


Ein japanisch-amerikanisches Team um Yoshihiro Kawahara von der Universität Tokio belegt  einer Veröffentlichung vom September 2013 zufolge, daß selbst die geringen Strahlungsmengen, die von modernen Mikrowellen geleckt werden, noch ausreichen, um kleine, verbrauchsarmer Geräte zu betreiben.

Da die Strahlung von Mikrowellenherden gesundheitsschädlich ist, wenn sie nach außen dringt, gilt international die Norm, daß der Leistungsfluß im Abstand von 5 cm vom Gerät maximal 50 W/m2 betragen darf, was von den gängigen Geräten aber noch unterschritten wird. Dennoch gelingt es dem Team mithilfe eines münzgroßen Empfängers über eine Dipolantenne aus der geleckten Strahlung binnen zwei Betriebsminuten einer Mikrowelle 9,98 Millijoule Energie zurückzugewinnen – was sich als ausreichend erweist, um eine digitale Eieruhr zu betreiben, die drei Minuten herunterzählt und 2,5 Sekunden ertönt.

Die Wissenschaftler gehen davon aus, daß es zukünftig immer mehr Küchen-Gadgets geben wird, die nur einige Dutzend Mikrowatt Leistung benötigen und so mit Mikrowellen-Energie einige Minuten laufen könnten. Knoten kabelloser Sensornetzwerke im zunehmend intelligenten Haushalt wären mit einer zweiminütigen Mikrowellen-Ladung demnach sogar für 2,5 Stunden mit Strom versorgt. Die Forscher hoffen daher, daß die Mikrowellen-Energierückgewinnung auf die Dauer Knopfzellen in der Küche überflüssig macht.


Duke-Harvester


Im November 2013 stellen Forscher der Duke University in Durham, North Carolina, um Prof. Steven Cummer und seine Kollegen Allen Hawkes und Alexander Katko einen einfachen und kostengünstigen Ansatz für die elektromagnetische Energiegewinnung vor.

Die Basisbausteine aus relativ kostengünstigen Metamaterialien, die besondere elektromagnetische Eigenschaften besitzen und mittels ihrer speziellen Strukturen und Eigenschaften verschiedene Formen von Wellenenergie einfangen, können sowohl für sich selbst stehen als auch zusammenarbeiten. Will man die gewonnene Energie erhöhen, muß man daher lediglich mehrere Blöcke aneinander reihen.

Bei einer Effizienz von 37 % erzeugt der Wandler, der Energie in Form von Mikrowellen von Quellen wie Satelliten- oder W-LAN-Signalen ,abgezapft’, 7,3 V. Die Wissenschaftler gehen davon aus, daß sich diese Art der Energiegewinnung mit zusätzlichen Modifikationen auch in ein Handy verbauen ließe, um dieses kabellos wieder aufzuladen. Im Gegensatz zu den bislang meist rein theoretischen Arbeiten zu Metamaterialien, belegt diese Entwicklung, daß diese Materialien auch für Konsumentenanwendungen nützlich sein können.


Auch im Jahr 2014 gehen die Arbeiten auf diesem Sektor des Micro Energy Harvesting intensiv weiter.

Lunecase ICON

Lunecase ICON

Im Januar stellt Concepter, ein Unternehmen mit Sitz in Kiew, Ukraine, auf der Consumer Electronics Show (CES) in Las Vegas 2014 den funktionierenden Prototyp des Lunecase Eclipse vor, ein iPhone-Case, das ohne Einsatz von Batterien alleine durch die elektromagnetische Energie arbeitet, die die von dem abgestrahlt wird. Das Case ist drahtlos mit dem Telefon verbunden und läßt auf dessen Rückseite LEDs mit einem Symbol aufleuchten, sobald ein Anruf eingeht.

Große Freude herrscht vermutlich bei Concepter, als das Unternehmen Ende April eine Kickstarter-Kampagne startet, die schon nach einem Tag die erhofften 50.000 $ für die Produktionsphase erreicht. Bis Juni kommen von 3.653 Unterstützern sogar 155.824 $ zusammen, um das Projekt zu realisieren. Dabei soll das Produkt 30 $ kosten.

Nachdem der Versand zuerst Ende März 2015 starten soll, muß dieser aufgrund von Problemen bei der Herstellung sowie finanziellen Hürden immer wieder verschoben werden – bis er endlich im März 2016 tatsächlich beginnt.

Inzwischen bietet die Firma neben dem hier abgebildeten Modell Lunecase ICON, bei dem ein Telefon- bzw. ein Mail-Symbol aufleuchtet, sobald eine entsprechende Nachricht eingeht, auch noch das Modell Lunecase CULT an, bei dem die roten oder grünen Augen eines zilisierten Totenkopfes aufleuchten … für diejenigen, die auf solche abwegigen Designs stehen. Der aktuelle Preis beträgt 50 $.


Im Juli 2014 präsentiert eine Gruppe von schwedischen Forschern der Linköping University um die Doktorandin Negar Sani eine gedruckte Diode, welche die Funkleistung eines Smartphones zur Stromgewinnung nutzen kann. Dabei ist die Betriebsfrequenz von 1,6 GHz – was weit höher ist als bei früheren, ähnlichen Ansätzen – schnell genug, daß die Diode mit den Frequenzen der Mobilfunk-Sender arbeiten kann.

Die Vorrichtung basiert auf zwei gestapelten Schichten aus Si- und NbSi2-Partikeln und kann bei niedriger Temperatur und in Umgebungsatmosphäre durch Drucken auf ein flexibles Substrat hergestellt werden. Die 1,6 GHz-Schottky-Diode besteht aus mit Antimon dotiertem Silizium, das in Teilchen zwischen 100 nm und 1 µm zerkleinert und dann auf eine Aluminiumelektrode gedruckt wird. Darüber kommen die Niob-Silizidpartikel, gefolgt von einer Kohlenstoffelektrode und einer Silberpaste.

Zudem soll die neue Arbeit eine seit langem bestehende Frage beantwortet haben, wie die lang bekannten gedruckten Dioden überhaupt funktionieren. So war zwar der Vorgänger des aktuellen Gerät bereits im Jahr 2001 am Forschungsinstitut Acreo Swedish ICT AB in Kista mit einem ähnlichen Prozeß, wie dem aktuellen, jedoch unter ausschließlicher Verwendung von Siliziumpartikeln hergestellt worden, doch gut verstanden wurde der Betrieb des nur bei etwa 1 MHz funktionierenden Geräts nicht.

Sani und ihre Mitarbeiter glauben, daß die gedruckte Diode Tunneleffekte verwendet, da die nano-dünnen Filme (1 – 2 nm), die sich um die mikrometergroßen Siliziumkörnchen bilden,  wo der Strom zwischen Anoden (Aluminium) und Kathoden (Silber und Kohlenstoff) passieren, dafür sorgen, daß dies nur in einer Richtung geschieht.

Neben weiterer Verkleinerung soll in zukünftigen Arbeiten zum einen versucht werden, das Niob durch billigere Materialien zu ersetzen, und zum anderen, ein Gerät zu entwickeln, das im 2,4 GHz-Band betrieben werden kann, um W-LAN- und Bluetooth-Signale zu verwenden. Langfristiges Ziel der Erfindung ist es, Smartphones mit gedruckten Etiketten zu verbinden. Diese auch Smart-Tags genannten Aufkleber, die u.a. für die Lagerhaltung von Unternehmen interessant sind, gibt es bisher in der Regel als RFID-Tags, in denen aber eine die gesondert hergestellte Elektronik sitzen muß.

Der Schaltungsanteil des neuen Etiketts ist weniger als 20 µm dick, doch die Energieübertragung funktioniert bislang nur über einen Abstand von wenigen Millimetern. Um größere Distanzen zu erreichen, ist eine Spule aus Metallfilm nötig, die sich aber auch drucken lassen dürfte.

Radio-on-a-Chip

Radio-on-a-Chip


Ein Team von Forschern der Stanford University und der University of California, Berkeley um Prof. Amin Arbabian berichten im September 2014 über die Entwicklung einer Radio-on-a-Chip-Kommunikationsvorrichtung, die vollständig durch umgebende Radiowellen betrieben wird und kaum größer als eine Ameise ist.

Der Prototyp des vollständig in sich geschlossenen Geräts besteht aus Empfangs- und Sendeantenne und einen zentralen Prozessor, benötigt keine Batterien und sei sehr billig herzustellen, weshalb man hofft, daß er dem ,Internet der Dinge’ einen starken Anschub geben wird, das Milliarden Geräte miteinander verbinden soll. Das Gerät hat eine Kommunikationsreichweite von etwa 50 cm.

Besonders hervorgehoben wird der niedrige Energieverbrauch: Falls eine AAA-Batterie daran angeschlossen wird, würde diese mehr als ein Jahrhundert lang halten. Der attraktivste Aspekt ist allerdings der niedrige Preis von nur ein paar Cent pro Chip. Von dem französischen Halbleiterhersteller STMicroelectronics werden 100 Prototypen des Radio-on-a-Chip produziert, Aussagen in Bezug auf die potentielle Verfügbarkeit werden noch nicht gemacht.


Im März 2015 ist zu erfahren, daß ein Forscherteam an der American University of Sharjah (AUS) um die Professoren Lutfi Albasha und Nasser Qaddoumi seit 2011 daran arbeitet, den Wirkungsgrad von Geräten zu verbessern, die elektromagnetische Strahlung aus unterschiedlichen Quellen wiederverwenden, um Low-Power-Schaltungen mit Energie zu versorgen.

Indem der Energieverbrauch des Harvesters minimiert wird, gelingt es dem von der Semiconductor Research Corporation (SRC) und der Mubadala Technologies Co. unterstützten AUS-Team die üblicherweise 5 % betragende Effizienz auf mehr als 80 % zu erhöhen. Darüber hinaus entwerfen die Wissenschaftler eine neue Breitband-Flachantenne für das System, die Signale von Mobiltelefonen aufnehmen kann, TV-Signale und auch W-LAN- und Maut-Frquenzen von 5 GHz.


Bereits im April 2015 folgt die Veröffentlichung eines Berichts durch Forscher der University of Waterloo in Kanada, die einen neuen Entwurf zur Gewinnung von Energie aus elektromagnetischen Wellen vorlegen – auf der Basis eines Konzepts der ,vollen Absorption’,.

Dieses beinhaltet die Verwendung von Metamaterialien, die so angepaßt werden können, daß sie Medien produzieren, die Energie weder reflektieren noch senden, was die volle Absorption von einfallenden Wellen in einem bestimmten Frequenzbereich und mit einer bestimmten Polarisation möglich macht. Damit kann zum ersten Mal demonstriert werden, daß es prinzipiell möglich ist, die gesamte elektromagnetische Energie zu sammeln, die auf eine Oberfläche fällt.

Das Team um Prof. Omar M. Ramahi stellt die hierfür eingesetzten Metaoberflächen durch Ätzen der Oberfläche eines Materials mit einem eleganten Muster wiederholter Formen her. Die besonderen Dimensionen dieser Muster und ihre Nähe zueinander kann so abgestimmt werden, daß eine fast einheitliche Energieabsorption erfolgt. Diese Energie wird dann über einen Leitungspfad, der die Metaoberfläche mit einer Masseebene verbindet, zu einer Last geleitet. Die Technologie kann zudem auch auf den infraroten und den sichtbaren Bereich des Spektrums erweitert werden.

Die entworfene Metamaterial-Platte umfaßt 13 × 13 kleine elektrische Zellen, die jeweils mit einem 82 Ω-Widerstand bestückt sind, welcher die Eingangsimpedanz eines Gleichrichter-Schaltkreises nachahmt. Simulationen und experimentelle Ergebnisse zeigen bei einem für 3 GHz optimierten Design eine Leistungsabsorptions-Effizienz von 97 % bzw. 93 %.

Da das neue System eine deutlich höhere Energieabsorption als klassische Antennen ermöglicht, hat es ein breites Spektrum von Anwendungen. Zu den wichtigsten könnte schon bald die Solarenergie aus dem Weltraum gehören, bei der Satelliten im Orbit mit herkömmlichen Photovoltaik-Solarzellen Sonnenstrahlen einfangen und in Mikrowellen umwandeln, die dann an Sammler-Farmen auf der Erde gestrahlt werden. Japan will 2030 damit beginnen (s.d.).


Auf der im Mai 2015 stattfindenden Start-up-Konferenz Techcrunch Disrupt in New York wird von der im Jahr 2014 gegründeten Firma Nikola Labs aus Columbus, Ohio, eine ungewöhnliche Technologie zum Nachladen von Mobilgeräten vorgestellt – die aus einem Smartphone-Case besteht, das Radiowellen in Energie umwandelt und wieder in das Gerät zurückspeist. Damit soll die Akkulaufzeit eines iPhone 6 um etwa 30 % verlängert werden.

Dem Erfinder Chi-Chih Chen zufolge würden bis zu 97 % der Sendeenergie, die ein Smartphone normalerweise aufwendet, um Daten- und Telefonverbindungen herzustellen, verloren gehen – von denen mit dem Case ein großer Teil  zurückgewonnen werden soll. Entwickelt wurde die Technologie, für welche Nikola Labs eine exklusive Lizenz erwirbt, an der Ohio State University, wo Rob Lee, einer der Mitgründer von Nikola Labs, zuvor das Department for Electrical and Compter Engineering geleitet hat.

Als das Projekt im Juni zu einem Preis von 99 $ pro Case auf Kickstarter angeboten wird, bleibt die Resonanz allerdings verhalten. Statt der geplanten 135.000 $ bringen 752 Interessenten nur 76.709 $ zusammen – weshalb man seitdem wohl auch nicht Neues mehr darüber gehört hat.


Im September 2015 heben der ehemalige britische Wissenschaftsminister Lord Paul Drayson und seine Firma Drayson Technologies Ltd. in London die Energy-Harvesting-Technologie Freevolt aus der Taufe, die Radiofrequenzwellen der Umgebung in nutzbare Elektrizität verwandelt, um Low-Power-Geräte aufzuladen.

Die Firma hatte sich bislang mit ihrem elektrischen Drayson B12 69/EV Le-Mans Prototyp-Rennwagen einen Namen gemacht – wie z.B. im Juni 2013, als das Drayson Racing Team auf der ehemaligen Elvington-Basis der RAF in Yorkshire mit 326,7 km/h einen neuen Geschwindigkeitsweltrekord aufstellt. Mehr über E-Mobil-Rennen und -Rekorde findet sich in einem eigenen Kapitelteil (s.d.).

Bei der aktuellen Präsentation zeigt Drayson, wie die von den Mobiltelefonen der Anwesenden erzeugte Energie eingefangen und dann verwendet wird, um einen Lautsprecher zu betreiben. Die gemeinsam mit dem Imperial College London entwickelte Technologie besitzt eine Multiband-Antenne, einen Gleichrichter und ein Power-Management-Modul und kann Energie aus mehreren Funkfrequenzbändern innerhalb des Bereich von 0,5 – 5 GHz absorbieren.

Der Firma zufolge ist Freevolt das erste kommerziell erhältliche Gerät, das Umgebungs-RF-Energie verwendet, ohne daß hierfür spezielle Sender erforderlich sind. Der Schlüssel der Technologie soll die hohe Effizienz der Bauteile sein, sodaß ein Standardmodell um die 100 µW Leistung erzeugen kann.

Für das erste Produkt, den CleanSpace Tag, der von der Freevolt-Technologie mit Strom versorgt wird, startet das Unternehmen in Großbritannien im September ein Crowdfunding-Kampagne, bei der die persönlichen Luftverschmutzungs-Sensoren zu einem Preis von 55 £ angeboten werden. Tatsächlich gelingt es, innerhalb eines Monats von 372 Interessenten sogar etwas mehr als die benötigten 100.000 £ einzusammeln, um die Produktion aufzunehmen.


Licht und Infrarot


Die Umwandlung von Licht in Elektrizität erfolgt hauptsächlich mittels der inzwischen gut bekannten Photovoltaik, die ich in einem eigenen Kapitelteil umfassend darstelle Hierbei handelt es sich zumeist um Technologien, die ausschließlich das sichtbare Lichtspektrum nutzen, wobei sich die effektive Umwandlung oftmals auf nur wenige, bestimmte Frequenzen beschränkt.

Hier soll es dagegen um Systeme gehen, die im Bereich des Micro Energy Harvesting zum Einsatz kommen und dabei ein weitaus breiteres Spektrum elektromagnetischer Wellen nutzen. In einigen Fällen gibt es allerdings Überschneidungen.


Bereits 1999 gelingt einem Forschungsteam um Prof. Bernard Lucas Feringa von der Universität Groningen und Nagatoshi Koumura von der japanischen Tohoku University die Entwicklung eines lichtgetriebenen molekularen Motors, der als großer Durchbruch in der Nanotechnologie betrachtet wird. Ihr Molekularmotor beschreibt eine monodirektionale, sich wiederholende Rotation um eine zentrale Kohlenstoff/Kohlenstoff-Doppelbindung (C=C), welche durch UV-Licht oder eine Änderung in der Temperatur des Systems aktiviert wird.

Molekularmotor Grafik

Molekularmotor (Grafik)

Ein wichtiger Fortschritt ist im Jahr 2005 der Übergang von Lösungen zu festen Oberflächen über die Selbstorganisation von Monoschichten molekularer Motoren auf Gold, sowie die Demonstration, daß unidirektionale Drehungen auch auf einer Oberfläche durchgeführt werden können.

Im März 2006 berichten die niederländische Forscher, die nun auch mit Kollegen der TU Eindhoven und der Forschungsabteilung von Philips zusammenarbeiten, daß sie einen winzigen Motor entwickelt haben, der mit Hilfe von Licht und Wärme zehntausendfach größere Objekte drehen kann. Bei dem hantelförmigen Molekül, das in einen Flüssigkristallfilm eingebettet ist, fungiert der untere Molekülteil als Stator, der obere als Rotor des Motors.

Bestrahlt mit Licht einer Wellenlänge von 365 nm, wechselt die Verdrehung des Moleküls von rechtshändig zu linkshändig. Ohne Licht oder bei Erwärmung kehrt es zum Urzustand zurück. Mit einer Kombination von zwei photochemischen und einem thermischen Schritt erreichen die Forscher Umdrehungen von 360°. Durch Zusammenarbeit mehrerer Moleküle, die während der Beleuchtung mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 0,67 U/m und während der Erwärmung von 0,22 U/m rotieren, können die nanometergroßen Motorn ein aufgelegtes Glasstäbchen in Mikrometergröße bewegen.

Für die Entwicklung molekularer Schalter, des ,Feringa-Motors’ und dessen Anwendungen wird der Wissenschaftler mit zahlreichen internationalen Preisen geehrt und im Jahr 2008 von der Königin der Niederlande sogar zum Ritter geschlagen.

Die Entdeckungen führen 2009 zur erfolgreichen Konstruktion einer zweiten Generation von molekularen Motoren, bei denen die Rotationsgeschwindigkeit dramatisch erhöht werden kann. Im November 2011 wird über ein Molekular-Auto (o. Nano-Auto) berichtet, das aus vier Stück der Motoren besteht und auf einer Kupferoberfläche durch elektrische Impulse angetrieben wird.

Ein solches Nanocar – allerdings ohne Lichtantrieb – war erstmals im Jahr 2005 an der Rice University von einer Gruppe um Prof. James Mitchell Tour entwickelt worden, als 3 x 4 nm große Anordnung von Atomen, die als Fahrzeug angeordnet sind. Hier war das Chassis aus Kohlenstoff-Atomen in einer H-Form angeordnet, sodaß zwei Achsen und eine Verbindung zwischen diesen entsteht, wobei an den Enden der Achsen Fullerene des Kohlenstoff-Atoms C60 als Räder angebracht werden. Das Rollen kann dadurch nachgewiesen werden, daß sich das Fahrzeug in der Längsrichtung leichter bewegen läßt als quer zu den Rädern. Hierzu wird es auf eine auf 200 °C erhitzte hochreine Goldoberfläche gebracht, wodurch sich die elektrischen Bindungskräfte verringern, die sonst ein Rollen verhindern.


Doch auch anderswo wird an molekularen Motoren gearbeitet. Luis Moroder und Dieter Oesterhelt vom Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried berichten im Oktober 2002, daß ihnen gelungen ist, das künstlich hergestellte Molekül Azobenzol durch Bestrahlen mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge dazu zu bringen, abwechselnd zu schrumpfen oder sich zu strecken. Auf diese Weise wandelt das Azobenzol-Polymer im zyklischen Betrieb wie ein kleiner Motor den Treibstoff Licht in mechanische Arbeit um.

Den Wissenschaftlern hatten schon vor einiger Zeit erfolgreich Azobenzol-Moleküle zu langen fadenförmigen ,Polymeren’ verknüpft, in denen die photoaktiven Einheiten wie Perlen auf einer Schnur aneinandergereiht sind. Ein solches Polymer kann ebenfalls reversibel zwischen einer langen Poly-trans- und einer kurzen Poly-cis-Form hin- und hergeschaltet werden – und zwar selektiv je nach Wellenlänge des Anregungslichts.

Auch wenn es bisher noch nicht möglich war, die mechanische Leistung eines einzelnen Moleküls für einen Motor auszunutzen oder auch nur die beim Verkürzen verrichtete Arbeit zu messen oder zu speichern, kann nun zumindest demonstriert werden, daß eine opto-mechanische Energieumwandlung prinzipiell mit sehr hoher Effizienz möglich ist – bei der ein einzelnes Molekül eine Blattfeder bewegt, die mit der Lupe noch erkennbar ist.


Einem Bericht vom Juli 2003 zufolge legt eine Arbeitsgruppe von der japanischen Tohoku University um Yuichi Fujimura die theoretischen Grundlagen für molekulare Motoren, die durch Licht angetrieben werden, wobei sie mittels quantenmechanischer und klassisch-mechanischer Betrachtungen durchzurechnen versuchen, wie ein solcher molekularer Motor funktionieren kann.

Die Forscher konstruieren zudem einen Motor, der aus einem Kohlenstoff-Fünfring mit zwei Doppelbindungen als Grundkörper besteht. An der Spitze des Fünfecks befindet sich eine Aldehyd-Gruppe (ein Kohlenstoffatom mit einem Wasserstoff- und einem per Doppelbindung gebundenem Sauerstoffatom) als asymmetrisches Rotorblatt, das in einem 60° Winkel aus der Ebene des Fünfecks herausragt und frei drehbar ist. Um eine kontrollierte Rotation des Rotors zu gewährleisten sind an den beiden ,Schultern’ des Fünfecks zwei verschiedene ,Dämpfer’ gebunden ein Chloratom und eine Methylgruppe.

Um den Propeller in Rotation zu versetzen, wird als äußere Kraft das elektromagnetische Feld einer Lichtwelle angelegt – im vorliegenden Fall ein Laserpuls, durch den ein einheitliches elektromagnetisches Wechselfeld mit sehr hoher Energie entsteht. Der Grund dafür ist, daß sich Laserlicht durch seine Kohärenz auszeichnet, bei der alle Lichtteilchen mit derselben Amplitude schwingen und genau in Phase sind.

Die elektromagnetischen Kräfte des Laserpulses schubsen das Rotorblatt an, wobei der Rotor allerdings in jeder Drehrichtung aufgrund von Abstoßungskräften durch die Dämpfer vor einer Barriere steht, weshalb er in der Startphase zunächst erst einmal nur hin und her pendelt. Wird die Pendelbewegung stärker, gelingt es dem Rotor die Energiebarriere des etwas schwächeren Dämpfers, der Methylgruppe, zu überwinden und ins immer schnellere Rotieren zu kommen, bis er eine konstante Geschwindigkeit erreicht.

Die Drehrichtung des Propellers hängt von der Lage der beiden Dämpfer ab: Der molekulare Motor kann als Bild oder als Spiegelbild aufgebaut sein, wodurch rechts und links herum drehende Propeller möglich sind. Weitere Eigenschaften des Motors, etwa das Drehmoment, können über die Größen des Laserpulses wie Frequenz, Dauer, Form und Intensität, gesteuert werden.


In einem Vortrag, den er im Juli 2003 an der Universität Leipzig hält, berichtet Prof. Jörn Manz von der FU Berlin über die theoretische Analyse und Kontrolle chemischer Reaktionen zum Design lichtgetriebener molekularer Motoren. Um diese mit den gewünschten Eigenschaften zu entwerfen, ist es notwendig ihre Funktionsweise zu verstehen - sie also entweder zu beobachten oder ihre Mechanismen vorherzusagen.

Besonders ersteres ist aber ausgesprochenen schwierig, da die molekularen Motoren innerhalb von Femtosekunden arbeiten (1 fs = 0,000.000.000.000.001 s) und sich mit herkömmlichen Methoden daher nicht filmen lassen. Dies gelingt erst mit Hilfe der sogenannten Femtosekunden-Chemie, für die Ahmed H. Zewail im Jahr 1999 den Chemienobelpreis erhielt.

Dabei lassen sich chemische Reaktionen mit Hilfe ultrakurzer Laserpulse in Echtzeit beobachten und kontrollieren. Manz veranschaulicht den Weg von der Analyse über die Kontrolle solcher Laserpuls-getriebener Reaktionen bis hin zum Design eines molekularen Motors und zeigt, wie solche Experimente mit Hilfe quantentheoretischer Verfahren aufgeklärt bzw. vorhergesagt werden können.

Nano-Kabel Grafik

Nano-Kabel (Grafik)


Der japanische Wissenschaftler Takanori Fukushima arbeitet mit seinen Kollegen von der University of Tokyo an der Elektrizitätsgewinnung mittels Nano-Kabeln. In einer Publikation vom Dezember 2006 beschreibt das Team die Methode, wie es mit diesen einige µm langen und 16 nm durchmessenden, selbstmontierenden Kabeln das Licht zum Betrieb winzigster Nano-Roboter nutzt. Im Grunde ähnelt das System den lichtnutzenden Antennen einiger Bakterienstämme, während die Umwandlung selbst dem Effekt von Solarzellen-Halbleitern entspricht – allerdings in einem wesentlich kleineren Maßstab.

Um die lichtumwandelnden Nanostrukturen herzustellen entwickeln die Wissenschaftler einen Verbundwerkstoff aus Hexabenzocoronen (HBC), zwei Kohlenstoff-12 Ketten sowie Trinitrofluorenonen (TNF). Das Kompositmaterial wird in eine Lösung aus Tetrahydrofuran eingebracht und mit Methandampf-Blasen dazu angeregt, sich selbständig zu hohlen Kabeln zu verbinden. Das HBC, das die Elektronen abgibt, sobald es von Licht berührt wird, bildet dabei die Innenseite der Kabelwandung, während das TNF, das die Elektronen anzieht, die Außenhülle umgibt.

Um die Effizienz zu steigern will Fukushima in Zukunft Kohlenstoff-60 Moleküle einsetzen (sogenannte Buckyballs), um aus der TNF-Schicht möglicherweise einen Supraleiter zu machen, der einen wesentlich höheren Stromfluß erlauben würde.


Direkt mit Bakterien, welche Licht in Strom umwandeln, beschäftigt sich Prof. Ed Delong vom MIT. Im März 2007 präsentiert er seine mit Seewasser-Mikroorganismen erzielten Ergebnisse, bei denen ein Teil der Gene dazu dient, aus Licht Energie zu erzeugen.

Im Gegensatz zu Cyanobakterien, die bei Lichteinfall den Effekt der Photosynthese nutzen um Zucker herzustellen (dazu mehr im Kapitel Methan und synthetische Kraftstoffe), setzen die nun untersuchten Bakterien ein Licht-aktivierendes Protein namens Proteorhodopsin ein, das den Proteinen in der Retina des menschlichen Auges ähnelt. Im Verbund mit einem Licht-sensitiven Molekül namens Retinal pumpt das Protein bei Lichteinfall positiv geladene Protonen durch die Zellmembran. Dadurch entsteht ein elektrischer Potentialunterschied, der als Energiequelle genutzt werden kann.

Die Forscher setzen den betreffenden DNA-Abschnitt in Escherichia coli Bakterien ein und stellen fest, daß dieser dort innerhalb der Zellmembran das gesamte notwendige System zur Energieerzeugung herstellt und zusammensetzt.

In einer bereits im Februar 2007 erfolgten Veröffentlichung eines Forscherteams um Jan Liphardt von der University of California, Berkeley, war schon beschrieben worden wie E. coli dahingehend modifiziert werden kann, daß es eine Proteorhodopsin-Pumpe ausbildet, die leicht zwischen verschiedenen Energiequellen hin und her schalten kann: Sobald das Bakterium von seiner üblichen Energiequelle abgeschnitten wird, nutzt es das einfallende Licht, um seine Flagellen-Motor zu betreiben, ein rotierendes Schwänzchen, das es dem Bakterium erlaubt sich schwimmend vorwärts zu bewegen. Ja stärker das Licht scheint, desto schneller dreht sich auch der Biomotor.


Im Januar 2008 berichtet Prof. Patrick Pinhero von der University of Missouri über Entwicklung eines neuen Materials, das in der Lage ist die Strahlungsenergie im mittleren Infrarotbereich zu absorbieren. Dabei handelt es sich um eine flexible Folie aus Kunststoff mit eingebetteten Nano-Antennen, die im Gegensatz zu sonnenabhängigen Solarzellen bei Tag und Nacht gleichermaßen funktionieren, wobei sie nachts die Wärmerückstrahlung der Erdoberfläche nutzen.

Die gemeinsam mit Steven Novack vom Idaho National Laboratory (INL) sowie der 1998 von ehemaligen Polaroid-Wissenschaftlern und -Ingenieuren gegründeten Firma MicroContinuum Inc. in Cambridge, Massachusetts, entwickelten Nano-Antennen sind winzige, quadratische goldene Spiralen aus leitfähigem Material, die auf eine speziell behandelte Form von Polyethylen gestempelt werden, um dadurch von Silizium-Wafern und starren Substraten wegzukommen.

Messungen an Prototypen zeigen, daß die einzelne Nano-Antenne, deren Durchmesser etwa 1/25 eines menschlichen Haares beträgt, mehr als 80 % der vorhandenen Energie in Strom umwandeln kann, darunter auch die Infrarotstrahlung. Ein kommerzielles Endprodukt könnte daher leicht einen Wirkungsgrad von rund 50 % erreichen und damit alle derzeitigen Laborrekordhalter überholen. Pro Quadratmeter könnten dann etwa 75 W erwirtschaftet werden. MicroContinuum arbeitet bereits an einem roll-to-roll Produktionsverfahren.

Das ebenfalls im Januar 2008 in Cambridge gegründete Startup Lightwave Power Inc., das die Hälfte seines Gründerteams mit MicroContinuum teilt und neuartige Solarenergie-Produkte auf der Grundlage von Nanoarrays sowie zweidimensionaler plasmonischer und photonischer Kristallgitter entwickeln und produzieren will, läßt sich im Juni von MicroContinuum ein entsprechendes roll-to-roll Verfahren lizenzieren (s.u. Nano-Solarzellen).

Das Unternehmen arbeitet an großen, flexiblen Folien aus Kunststoff und unedlen Metallen als Nanoantennen, die bestehenden Solarzellen zu geringen Kosten hinzugefügt werden und deren Effizienz auf bis zu 85 % steigern sollen sollen.

Im Juli 2009 erhält Lightwave 450.000 $ vom National Renewable Energy Laboratory (NREL) als Teil der Photovoltaic Technology Incubator Programms, bei dem die Herstellungskosten von Solarzellen auf weniger als 1 $/W gesenkt werden sollen. Danach hört man allerdings nichts mehr von der Firma.

Pinheiro und sein Team, zu dem zwischenzeitlich auch Prof. Garret Moddel von der University of Colorado gestoßen ist, sind dagegen weiterhin aktiv. Auch die Zusammenarbeit mit MicroContinuum wird weitergeführt. Im Mai 2011 geben sie bekannt, daß ihre flexible Solarfolie theoretisch sogar mehr als 90 % des verfügbaren Lichts erfassen kann – und daß erste Prototypen innerhalb der nächsten fünf Jahre erstellt werden sollen. Was stark nach Arbeitsplatzsicherung aussieht, wobei das Team vom U.S. Department of Energy und privaten Investoren finanziert wird.

Meldungen von 2014 zufolge beschäftigt sich MicroContinuum derweil mit einem ebenfalls geförderten Projekt, das darauf abzielt, durch nanoskalige Eigenschaften die Leistungsfähigkeit von OLED-Bauelementen zu erhöhen und die Herstellungskosten zu senken. Neues im Bereich des Micro Energy Harvesting scheint sich dagegen nicht getan zu haben.

Lichtempfindlicher Plastik-Motor

Plastik-Motor


Ein Team des Tokyo Institute of Technology um Prof. Tomiki Ikeda präsentiert nach fünfjähriger Forschung im Juni 2008 einen Plastik-Motor, der ausschließlich von Licht angetrieben wird. Ohne den Umweg über die Elektrizitätserzeugung wird die Lichtstrahlung direkt in mechanische Energie umgewandelt.

Dabei wird ein Band aus einem speziellen lichtempfindlichen Elastomer genutzt, dessen molekulare Struktur sich ausdehnt oder zusammenzieht, wenn sie beleuchtet wird - in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts. Bei Ultraviolett-Licht zieht sich das Band zusammen, im sichtbaren Spektrum expandiert es wieder in seinen ursprünglichen Zustand.

Die Forscher können ein Paar Räder mit 10 mm und 3 mm Durchmesser zum Drehen bringen, indem sie Ultraviolett-Licht auf ein 0,08 mm dickes, Elastomer-beschichtetes Band richteten, das sich um diese Räder windet, wobei das UV-Licht das Band in der Nähe des kleinen Rades bescheint, während das Band in der Nähe des größeren Rades sichtbarem Licht ausgesetzt wird. Das 10 mm Rad erreicht dabei eine ‚Höchstgeschwindigkeit’ von einer Umdrehung pro Minute. Es läßt sich nichts darüber finden, daß die Arbeiten später fortgeführt worden sind.


Licht einzusetzen, nicht um etwas zu bewegen, sondern um es zur selbständigen ,Heilung’ zu veranlassen, ist das Ziel der Forschungen von Marek Urban und Biswajit Ghosh von der University of Southern Mississippi, über die im März 2009 berichtet wird. Die Wissenschaftler entwickeln hierfür einen Kunststoff aus Polyurethan und zwei weiteren Komponenten, OXE, das eine instabile chemische Struktur aufweist (ein viergliedriger Ring mit drei Kohlenstoffatomen und einem Sauerstoffatom), die es anfällig macht, aufgeschlitzt zu werden, sowie CHI, das UV-empfindlich ist.

Wird das Polyurethan durch einen Kratzer beschädigt, öffnet sich die instabile Ringstruktur von OXE, um zwei reaktive Enden zu schaffen. Das UV-Licht kann dann CHI dazu veranlassen, mit den reaktiven Enden von OXE neue Verbindungen zu bilden und dadurch den Bruch im Polymer zu fixieren. Bei Test mit einer 120 W UV-Leuchtstofflampe, was nur ein wenig stärker ist als das natürliche Sonnenlicht, können Kratzer innerhalb von nur einer halben Stunde geheilt werden.

Nanomotor Grafik

Nanomotor (Grafik)


Im Juni 2009 stellt ein Team der University of Florida einen linearen molekularen Nanomotor vor, der Licht direkt in Bewegung umsetzt und mit nur einem einzigen DNA-Molekül hergestellt ist.

Der biokompatible Nanomotor produziert keinen Abfall, ist einfach zu montieren, hat nur wenige Teile und soll theoretisch effizienter sein als andere solarbetriebene Motoren. Bei der Herstellung wird ein designtes DNA-Molekül mit Azobenzol kombiniert, einem gelben oder orangefarbenen kristallinen Material (C6H5N:NC6H5), das auf Licht reagiert. Der Motor ist in seiner zusammengefalteten Form 2 - 5 nm lang und kann bis auf 10 - 12 nm expandieren.

Der unglaublich kleine Maßstab bedeutet allerdings, daß größere Anwendungen wie das Antreiben eines Fahrzeugs oder der Stromproduktion ungezählte Billionen von Nanomotoren erfordern würde, die alle exakt zusammenarbeiten. Auf dem Weg dahin arbeitet das Team an einer Methode, die Kräfte der molekularen Ebene zu einer kohärenten akkumulierten Kraft zu sammeln, die reale Arbeit leisten kann, wenn der Motor Sonnenlicht absorbiert.


Im Januar 2010 veröffentlichen Wissenschaftler um Prof. Dawn Bonnell an der University of Pennsylvania einen Bericht über die Umwandlung einer optischen Strahlung in elektrischen Strom mittels einer molekularen Schaltung. Das System, eine Anordnung von nanogroßen Goldmolekülen auf einem Glassubstrat, reagiert auf elektromagnetische Wellen, indem es Oberflächenplasmonen produziert, welche ihrerseits elektrischen Strom in die Moleküle induzieren.

Bei Minimierung des Raums zwischen den Nanopartikeln auf einen optimalen Abstand, verwenden Forscher optische Strahlung um leitende Elektronen (Plasmonen) anzuregen, auf der Oberfläche der Goldnanopartikel zu ‚reiten’ und das Licht auf die Stelle zu konzentrieren, an der die Moleküle miteinander verbunden sind. Sind die Nanopartikel optimal gekoppelt, wird zwischen den Partikeln ein hohes elektromagnetisches Feld aufgebaut und von den Gold-Nanopartikeln aufgenommen. Wenn dann auch die Größe, die Form und der Abstand der Partikel so optimiert sind, daß eine resonierende optische Antenne entsteht, kann die Effizienz der gegenwärtigen Stromproduktion in dem Molekül um bis zu 2.000 % erhöht werden.

Darüber hinaus zeigt das Team, daß die Größe der Photoleitfähigkeit der Plasmon-gekoppelten Nanopartikel unabhängig von den optischen Eigenschaften des Moleküles eingestellt werden kann. Sollte es möglich sein, die Effizienz des Systems ohne zusätzliche, unvorhergesehene Einschränkungen hochzuskalieren, könnte es den Forschern zufolge möglich sein, ein 1 Ampere/1 Volt-Labormodell mit dem Durchmesser eines menschlichen Haares und einer Länge von einem Zoll herzustellen.

Die Ergebnisse können zu besseren Schaltungen in Nanogröße führen, die sich durch Sonnenlicht mit Strom versorgen. Gefördert werden die Arbeiten von der National Science Foundation, dem U.S. Department of Energy, dem Nano/Bio Interface Center sowie der John and Maureen Hendricks Energy Fellowship.

Im September 2013 veröffentlichten die Forscher, die inzwischen auch mit Michael J. Therien von der Duke University sowie Marie F. Lagadec von der ETH Zürich zusammenarbeiten, den Bericht über ein Verfahren, das viel effizienter als die herkömmliche Photoleitfahigkeit ist und optoelektronische Bauelemente ebenso wie die Gewinnung von Energie aus Licht wesentlich verbessern könnte.

Die neue Arbeit basiert auf Plasmonen-Nanostrukturen, die in präzisen Größen aus Goldpartikeln und lichtempfindlichen Porphyrin-Molekülen hergestellt und in spezifischen Mustern angeordnet sind. Plasmonen bzw. eine kollektive Oszillation von Elektronen kann in diesen Systemen durch optische Strahlung erregt werden. Dabei wird ein elektrischer Strom induziert, der sich in einem Muster bewegen kann, welches durch die Größe und Anordnung der Goldpartikel sowie die elektrischen Eigenschaften der Umgebung bestimmt wird.

Da diese Materialien die Streuung von Licht verbessern können, haben sie das Potential, u.a. die Absorption in Solarzellen zu erhöhen. Um den Mechanismus des plasmoneninduzierten Stroms zu untersuchen, variieren die Forscher systematisch die verschiedenen Komponenten des plasmonischen Nanostruktur, verändern die Größe der Goldnanopartikel und der Porphyrin-Moleküle sowie den Abstand zwischen diesen Komponenten. Die Messungen zeigen eine 3- bis 10-fache Effizienzsteigerung im Vergleich zur herkömmlichen Lichtanregung, obwohl das System noch nicht einmal optimiert ist.

Blaauw-Sensor

Blaauw-Sensor


Im Februar 2010 stellt Prof. David Blaauw von der University of Michigan den bislang kleinsten Solar-Sensor der Welt vor, der mit nur geringfügig Licht, auch aus dem Innenbereich, im Prinzip ewig halten könnte. Die Lebensdauer wird alleine von der des Akkus begrenzt.

Mit seinen Abmessungen von 2,5 x 3,5 x 1 mm und einem ARM-Cortex-M3-Prozessor verbraucht der Sensor durchschnittlich weniger als ein Milliardstel Watt. Das Minigerät, dessen Solarzelle 4 V liefert, soll sich aber auch ebenso leicht über Wärme oder Bewegung betreiben lassen.

Mit Unterstützung von Organisationen wie der National Science Foundation, der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), dem National Institute of Standards and Technology (NUST) und dem Focus Center Research Program soll der Sensor nun umgehend kommerzialisiert werden.


Über die Entwicklung einer Art ,Seidenpapier’, das eines Tages sowohl Geschosse stoppen, als auch Solarenergie ernten könnte, berichten die Fachblogs im April 2010. Ein Team um Prof. Brian A. Korgel an der University of Texas in Austin stellt aus den normalerweise harten und spröden Halbleiter-Materialien Germanium und Silizium Fasern her, die so stark wie das kugelsicher Kevlar sind.

Wie Papier aus Holzfasern, so werden auch die Germanium-Nanodrähte zusammengepreßt und zu einem flexiblen Material komprimiert, das die Konsistenz von Seidenpapier hat und nicht bricht, wenn es gebogen wird. Kevlar hält Kugeln auf, weil nicht nur die einzelnen Fasern stark sind, sondern ebenso die Bindungen zwischen den Fasern. Da es eine solche Bindung für Germanium-Nanodrähte aber noch nicht gibt, konzentrieren sich Korgel und seine Kollegen zunächst darauf, die Halbleiter-Eigenschaften des neuen Stoffes zu nutzen um Solarstrom zu erzeugen.

Germanium absorbiert sowohl sichtbares Licht als auch das unsichtbare Infrarotlicht, allerdings nicht so gut wie das weiter verbreitete Silizium, weshalb die Wissenschaftler auch ein ähnliches, gewebeartiges Material aus Silizium-Nanodrähten entwickeln. In ein weiches Hemd gewebt oder in harten Kunststoff eingebettet könnten die Nanodrähte Sensoren oder andere elektrische Geräte betreiben. Zudem sind die einzelnen Silizium-Nanodrähte etwa 35 % stärker als die Germanium-Nanodrähte und auch beständiger gegenüber Korrosion.

Korgel ist übrigens Mitbegründer der Firma Innovalight, die eine aufsprühbare Solarzellentechnologie entwickelt, die auf Nanopartikel-Tinten basiert (s.d.).


Im Juli 2010 veröffentlichen Xiang Zhang und sein Team am kalifornischen Lawrence Berkeley National Laboratory einen Bericht über die Konstruktions eines nur 100 nm großen, lichtbetriebenen Nanomotors in Form einer Swastika. Dieser besteht aus einem auf Gold basierenden Metamaterial und ist in eine 300 nm dicke, quadratische Mikroplatte aus Siliziumdioxid (SiO2) eingebettet.

Der winzige Motor funktioniert wie die 1873 von William Crookes erfundene Lichtmühle (o. Lichtrad), bei der sich ein bewegliches Flügelrad in einer Glaskugel zu drehen beginnt, sobald  die einseitig geschwärzten Plättchen des Rades dem Sonnenlicht ausgesetzt werden. Im Gegensatz zu dem traditionellen Vorbild dreht sich die Nanolichtmühle, wenn sie Laserlicht ausgesetzt wird, wobei Geschwindigkeit und Richtung der Drehung durch Manipulieren der Frequenz dieses Lichts verändert werden können.

Metalle enthalten Plasmonen, Oberflächenwellen, die durch ihre Leitungselektronen rollen. Die Stärke der Kraft, die durch Licht auf eine metallische Nanostruktur ausgeübt wird, kann erhöht werden, wenn die Frequenz der Lichtwellen mit jener der Plasmonen mitschwingt. Das Metamaterial wurde speziell entwickelt, um diese Wirkung zu maximieren. Bei früheren Versuchen mußten derartige Motoren viel größer sein, um überhaupt einen Drehmoment zu erzeugen, da sie die Wechselwirkung zwischen den Photonen und Plasmonen nicht nutzen.

Am verblüffendsten ist den Forschern zufolge, daß schon eine einzelne Mühle genügend Drehmoment erzeugen kann, um eine mikrometergroße Siliciumdioxidscheibe zu drehen, deren Volumen 4.000 mal größer ist als das der Nanomühle selbst. Außerdem läßt sich das Drehmoment durch Anbringen mehrerer Mühlen stark erhöhen – und eine Scheibe mit beispielsweise vier Mühlen benötigt nur die Hälfte der Laserleistung, um die gleiche Drehzahl  zu erreichen, wie eine allein. Dies bedeutet, daß die mikroskopischen Motoren in nanoelektromechanischen Systemen (NEMS) oder Nanobots zum Einsatz kommen könnten, die Aktionen wie das Auf- und Abwickeln der DNA-Doppelhelix durchführen.

Durch die Entwicklung mehrerer Motoren, die mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen, aber in eine einzige Richtung arbeiten, soll nun Drehmoment aus dem breiten Bereich von Wellenlängen gewonnen werden, die im Sonnenlicht verfügbar sind. Die Forschung wird vom Departement of Energy gefördert.


Im September 2010 stellt Prof. Zhenan Bao von der Stanford University in Kalifornien die von ihr neu entwickelte dehnbare und solarbetriebene ,Superhaut’ vor, die tausendmal berührungsempfindlicher ist als menschliche Haut. Das flexible elektronische Material nutzt Polymer-Solarzellen zur Stromerzeugung, und soll in Zukunft Chemikalien und verschiedene Arten von biologischen Molekülen detektieren.

Solarbetriebene Superhaut

Solarbetriebene Superhaut

Grundlage der künstlichen Haut ist ein aus dem Silizium-haltigen, biokompatiblen Elastomer Polydimethylsiloxan (PDMS) und Kohlenstoffmaterialien hergestellter flexibler, organischer Transistor, der ohne Beeinträchtigung seiner Funktion oder Stromverlust fast ein Drittel seiner Größe gestreckt werden kann. Die Zellen behalten dabei ihre wellige Mikrostruktur, wie ein auseinander gezogenes Akkordeon, und eine flüssige Metallelektrode paßt sich der Oberfläche der Vorrichtung sowohl im entspannten als auch im gedehntem Zustand an.

Um die Berührungsempfindlichkeit zu ermöglichen, ist die PDMS-Schicht in ein Raster aus winzigen invertierten Pyramiden geformt. Das PDMS ist dafür bekannt, daß es elektrische Ladungen speichern kann, wobei sich die Speicherkapazität mit der jeweiligen Dicke meßbar ändert. Eine Veränderung der Schichtdicke ändert damit auch den Stromfluß durch den Transistor.

Je nach gewünschtem Empfindlichkeitsniveau können die Sensoren von einigen hunderttausend bis zu 25 Millionen Pyramiden pro Quadratzentimeter haben. Um die Anwesenheit von bestimmten biologischen Verbindungen zu erkennen, kann die Oberfläche des Transistors zudem mit einer Nanometer-dicken Schicht von Molekülen beschichtet werden, welche die Verbindungen an sich binden.

Dehnbare Solarzelle

Dehnbare Solarzelle

Die Sensorhaut  mit Energie der Sonne zu betreiben, statt mit Batterien oder dem Anschließen an das Stromnetz, vereinfacht das Design, macht es leichter und mobiler. Und daß die Solarzellen dehnbar sind, eröffnet eine Vielzahl von Anwendungen wie Stoffe für Uniformen und andere Kleidung.

In zwei späteren Forschungsarbeiten vom Februar und August 2011 beschreibt Bao die dehnbaren organischen Solarzellen ausführlicher, wo sie auch nachweist, daß die Zellen so entworfen werden können, daß sie sich entlang zweier Achsen zu strecken vermögen. Außerdem wird gezeigt, wie sich das Ganze mit billigen Druckverfahren auf biegsame Flächen aufbringen läßt.

Weitere Meldungen über diese Entwicklung stammen vom November 2012, als es dem Bao-Team gelingt, die empfindsame Kunsthaut mit Selbstheilungskräften zu versehen, die Verletzungen binnen Minuten eigenständig schließen, ohne daß Strukturschäden zurückbleiben. Bei Tests ist ein durchtrennter Streifen nach Zusammenfügen innerhalb von zehn Minuten mechanisch wieder vollkommen intakt, und nach 30 Minuten entsprechen auch die elektrischen Eigenschaften wieder nahezu denen des unbeschädigten Materials. Und auch nach der fünfzigsten Runde von Verletzung und Selbstheilung hält der Streifen mechanischen Belastungen stand, als wäre nichts passiert.

Das Rezept der Kunsthaut bildet eine Kombination von Kunststoff mit Nickelteilchen, wobei die biegsame Grundsubstanz aus sogenannten Oligomeren besteht, die durch Wasserstoffbindungen an ihren Enden verknüpft sind. Werden diese beispielsweise durch einen Schnitt getrennt, reorganisiert sich der Kunststoff bei erneutem Annähern unter Raumtemperatur wieder zu einem stabilen Netzwerk.

In einem Bericht vom Oktober 2015 ist dann zu erfahren, daß in Zusammenarbeit mit dem Xerox Palo Alto Research Center nun auch der Prototyp einer Prothese mit druckempfindlicher Sensorhaut auf den Fingerspitzen entwickelt wurde, allerdings ohne daß dabei eine Licht-induzierte Stromversorgung eingesetzt wird.


Prof. Masahiro Irie und sein Team an der Rikkyo University in Tokio berichten im Oktober 2010, daß ihnen etwas gelungen sein, was Wissenschaftler schon seit langer Zeit versucht hätten, nämlich die kollektiven Bewegungen von kleinen Molekülen in nutzbare mechanische Arbeit umzuwandeln.

Kristall-Ausleger

Kristall-Ausleger

Die Forscher entwickeln hierfür einen freitragenden Ausleger (Freischwinger) aus Kristall, der sich bei abwechselnder Bestrahlung mit ultraviolettem bzw. sichtbarem Licht reversibel verbiegt. Wird das winzige Gebilde mit UV-Licht der Wellenlänge 365 nm bestrahlt, beugen sich dessen Kristalle weg von der Lichtquelle und werden blau. Bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht (> 500 nm) streckt sich der Ausleger wieder in die ursprüngliche gerade Form zurück.

Die aktuelle Studie basiert auf einer früheren Arbeit der Wissenschaftler, in der sie zeigten, daß die alternative Bestrahlung eines Kristalls mit UV- und sichtbarem Licht zu Formänderungen in den Molekülen des Kristalls führen, die eine makroskalige Formänderung des Kristallmaterials zur Folge haben können. Um in realen Anwendungen verwendet zu werden, waren die Kristalle allerdings noch zu klein und zu zerbrechlich.

Größere Festigkeit und Haltbarkeit erreicht das Team, indem es nun ein Zweikomponenten-Kokristall der Diarylethen-Gruppe in Form einer dünnen, rechteckigen Platte von 1 – 5 mm Länge, 0,2 – 1,5 mm Breite und 10 – 50 µm Dicke verwendet. Erfolgsgeheimnis ist die Mischung zweier leicht unterschiedlicher Diarylethen-Derivate im richtigen Verhältnis.

Die Wissenschaftler führen das Biegen auf eine Expansion des Kristallgitters zurück, welches durch die Formänderung der Diarylethen-Moleküle hervorgerufen wird. Der Kristall verbiegt sich weiter, bis das UV-Licht abgeschaltet wird, und behält seine gebogene Form auch im Dunkeln. In seine ursprüngliche gerade Form kehrt der Kristall erst durch Bestrahlung mit sichtbarem Licht zurück, wobei auch die blaue Farbe verschwindet. Schäden an den Kristall werden selbst nach mehr als 250 photostimulierten Biegezyklen keine beobachtet.

Wird der Ausleger liegend von unten mit UV-Licht bestrahlt, kann er Metallkugeln heben, die über 600 mal mehr wiegen als der Ausleger selbst. Die Experimente belegen, daß der Kristall-Ausleger eine starke Kraft (1,1 mN) erzeugen und große mechanische Arbeit (0,43 µJ) leisten kann.

Genau ein Jahr später, im Oktober 2010, berichtet das von der Japan Science and Technology Agency geförderte Team, daß die Kristalle inzwischen mehr als 1.000 Biegezyklen ohne Ermüdungserscheinungen überstehen und ein Gewicht heben, das mehr als 900 mal so schwer ist wie der Kristall selbst. Abhängig von der Bestrahlung ist eine sehr starke Biegung möglich, bis zur Form einer Haarnadel. Nun denkt man darüber nach, mit dem losen Ende des Kristallstäbchens durch zyklische Bestrahlung ein kleines Zahnrad in Drehung zu versetzen.

Struktur der Polymerbürste Grafik

Struktur der Polymerbürste
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Forscher der japanischen Firma RIKEN um Takuzo Aida haben einer Meldung vom November 2010 zufolge einen Weg entdeckt, um Licht durch die Verwendung von Molekülen, die ihre Struktur ändern, wenn sie dem Licht ausgesetzt werde, in kinetische Energie zu verwandeln.

Die zwischen Teflon-Platten eingeklemmten und eingeschmolzenen Moleküle spulen sich buchstäblich auf, wenn UV-Strahlen darauf gerichtet werden. Von dem o.g. molekularen Motor, der bereits 2002 am Max-Planck-Institut für Biochemie entwickelt wurde, sowie dem Nanomotor der University of Florida aus dem Vorjahr, scheinen die Forscher aber nichts zu wissen, denn sie behaupten, daß sie die ersten sind, die eine muskelartige Bewegung in einer künstlichen Struktur im makroskopischen Maßstab vorweisen können, was nachweislich nicht stimmt.

Auch hier bildet das Molekül Azobenzol das Schlüsselelement des Polymerfilms. Die von den Forschern verwendeten ,Polymerbürsten’ bestehen aus einem Polymethacrylat-Rückgrat mit ausgestreckten Seitenketten, in denen Azobenzol-Moleküle eingefügt sind. Diese Polymerbürsten werden dann sandwichartig zwischen dünne Folien aus Teflon gepackt (also Polytetrafluorethylen, PTFE), bei 130°C eingeschmolzen und anschließend bei 115°C zu einem 5 x 6 mm großen und 10 μm dicken Film zusammengedrückt.

Bei diesem Prozeß richten sich die Polymerbürsten entlang der Teflonplatten horizontal aus. Die resultierende molekulare 3D-Ordnung ermöglicht es, daß sich das gesamte Blatt unisono erheblich verbiegt, sobald es UV-Licht (Wellenlänge: 360 nm) ausgesetzt wird. Mit sichtbarem Licht bestahlt (Wellenlänge: 480 nm) kehrt der Film in seine ursprüngliche Form zurück.


Im Dezember 2010 folgt der Bericht über ein niederländisch-chinesisches Forscherteam der Universitäten Twente, Utrecht und Nankai um Prof. Jurriaan Schmitz, dem es erstmals gelingt, Solarzellen direkt auf CMOS-Chips zu integrieren, wodurch diese zu Strom-Selbstversorgern werden, die netz- und akkuunabhängige autonome Systeme ermöglichen. Zudem ist der Materialverbrauch geringer und das entstehende System leistungsfähiger, als wenn Mikrochip und Solarzelle getrennt gefertigt und dann erst verbunden werden.

Um das integrierte Systeme zu fertigen, bauen die Forscher die Solarzelle vorsichtig schichtenweise auf dem Mikrochip auf. Damit dabei die Mikroelektronik keinen Schaden nimmt, setzt das Team auf amorphes Silizium sowie Kupfer-Indium-Gallium-Selen (CIGS), die beide in der Fertigung von Dünnschicht-Solarzellen gebräuchlich sind.

Mit amorphem Silizium wird eine Effizienz von 5,2 % erreicht, mit CIGS sogar 7,1 %, was mehr als der Hälfte der Ausbeute kommerzieller CIGS-Dünnschichtzellen entspricht und einen guten Wert für den ersten Prototypen darstellt. Allerdings muß die Leistungsaufnahme des Mikrochips deutlich weniger als 1 mW betragen, wenn er autonom funktionieren soll. Vielversprechend ist, daß sich der Herstellungsprozeß gut für eine industrielle Massenfertigung anbietet. Gefördert wird die Forschung durch die niederländische STW Technology Foundation.

Strom und Magnetismus Grafik

Strom und Magnetismus
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Die erste Meldung des Jahres 2011 stammt vom April, als Forscher der University of Michigan um Prof. Stephen C. Rand darüber berichten, daß sie eine überraschende und dramatische magnetische Wirkung von Licht entdeckt haben, die zu Solarstrom führen könnte, der ohne herkömmliche Halbleiter-basierte Solarzellen auskommt.

Licht als elektromagnetische Strahlung hat bekanntlich sowohl eine elektrische als auch eine magnetische Komponente, die bislang allerdings für nennenswerte physikalische Auswirkungen als zu schwach betrachtet und daher weitestgehend ignoriert wurde. Dem UM-Team gelingt nun der Nachweis, daß Licht unter bestimmten Umständen und bei genügender Intensität durchaus beachtliche magnetische Felder produzieren kann, wenn es durch nichtleitende Materialien wie Glas geleitet wird.

Konventionelle Solarzellen nutzen bei der optischen Rektifikation die Trennung von Ladungen in symmetrischen Kristallen und erzeugen so Spannungen durch Lichteinfluß. Wird hochintensives Licht (z.B. durch Bündelung) in eine Glasfaser geleitet, kann der magnetische Effekt ebenfalls zu einer Art optischen Rektifikation und damit zur Abgabe elektrischer Energie führen. Bei den Untersuchungen zeigt sich, daß die magnetische Komponente des Lichts unter geeigneten Bedingungen tatsächlich durchaus vergleichbare Auswirkungen wie die elektrische Komponente haben kann. Der gemessene Effekt ist sogar 100 Millionen Mal stärker als erwartet.

Damit nennenswerte magnetische Effekte auftreten, muß das Licht im Glassubstrat auf Leuchtenergiedichten bis zu 10 MW/cm2 konzentriert werden, weshalb bei den Experimenten bisher mit Lasern gearbeitet wird. Da Sonnenlicht deutlich schwächer ist, wird nun nach Materialien gesucht, mit denen sich magnetische Lichteffekte auch schon bei niedrigeren Intensitäten nutzen lassen. Die Wissenschaftler gehen davon aus, daß die optische Batterie (o. optischer Kondensator) einen Wirkungsgrad von 10 % erreichen kann.

Tatsächlich berichtet das Team im Jahr 2014, daß mit einer 10 m langen Spule aus Saphir-Fasern eine Effizienz von 30 % und eine Energieabgabe von 29,7 W erreicht worden sei. Die Forschungen werden von der National Science Foundation unterstützt. Was die obige Abbildung betrifft, so sollte man sich vergegenwärtigen, daß diese grob vereinfacht ist und auch nicht wiedergibt, daß sich die beiden Felder spiralförmig umeinander winden.


Im Juli 2011 stellen Fang-Chung Chen und sein Team von der National Chiao Tung University in Hsinchu, Taiwan, ein organisches photovoltaisches Nano-Gerät (Organic Photovoltaic Device, OPV) vor, das unter der Haut sitzt und Lichtenergie im nahen Infrarotbereich (NIR), für das biologisches Gewebe hochtransparent ist, in elektrische Energie umwandelt.

Das aus mehreren Schichten hergestellte OPV, darunter mit Indium-Zinn-Oxid (ITO) beschichtetes Glas, einem anodischen Puffer, einer Polymer/Fulleren-Mischschicht sowie einer Kalzium/Aluminium-Kathode, ist klein, hat die Form einer Faser und ist ideal für eine biologische Umgebung. Das System wird daher als eine vielversprechende drahtlose, elektrische Energiequelle für biologische Nanoroboter betrachtet, die im menschlichen Körper zum Einsatz kommen sollen.

Um die Theorie zu testen, umgibt das Team das OPV mit einer 3 mm dicken Schicht aus Schweinehaut und feuert einen NIR-Laser mit der maximalen Stärke darauf, die von der menschlichen Haut noch vertragen wird. Dabei erreicht das OPV eine elektrischen Leistung von 0,32 μW, was mehr als genug ist, um sogar viele biologische Nanogeräte zugleich zu betrieben, deren typischer Leistungsbedarf bei etwa 10 nW liegt.


Im August 2011 berichten die Fachblogs über ein Forscherteam rund um Prof. Yang Yang an der University of California, Los Angeles (UCLA), das sich der Tatsche angenommen hat, daß die helle Hintergrundbeleuchtung eines LCD-Bildschirms 80 – 90 % des gesamten Energieverbrauchs eines Smartphones ausmacht – und zudem noch ziemlich ineffektiv ist.

Normale LCD-Bildschirme, die auf der sogenannten Twisted Nematic-Technologie basieren, funktionieren mit zwei konträr polarisierten Platten und Flüssigkristallen dazwischen, welche das Licht um 90°drehen und es so die Platten passieren lassen. Wird nun eine elektrische Spannung durch die Flüssigkristalle geleitet, wird deren Orientierung geändert und es gelangt kein Licht mehr durch die zweite Platte. Bei diesem Polarisationsprozeß wird etwa 75% der Energie vergeudet.

Als Lösung entwickeln die UCLA-Forscher ein Konzept namens Polarizing Organic Photovoltaics (ZOPV), bei welchem das zur Beleuchtung eines LCDs verwendete Licht wiedergewonnen werden soll. Hierzu baut das Team photovoltaische Polarisatoren in die Platten ein, welche nicht nur das von den LCD-Polarisatoren geblockte Licht aus der Hintergrundbeleuchtung, sondern sogar Umgebungslicht zur Energiegewinnung nutzen können. Es scheint aber, daß die Entwicklung später nicht weitergeführt worden ist.


EES


Im gleichen Monat meldet ein von Prof. John A. Rogers an der University of Illinois in Urbana-Champaign geleitetes internationales und interdisziplinäres Teams die Entwicklung einer elektronischen Haut, die elektronische Komponenten zur Sensorik, medizinischen Diagnostik, Kommunikation und als Mensch-Maschine-Schnittstellen kombiniert und durch integrierte Solarzellen betrieben wird. Rogers soll bereits seit 2008 daran arbeiten.

Die kaum sichtbare Elektronik, die typischerweise kaum 0,09 g wiegt und als hauchdünnes Pflaster auf der menschlichen Haut klebt, faltet, biegt und dehnt sich und folgt so nahezu unbemerkt jeder Bewegung. Aufgetragen wird sie einfach durch Anfeuchten mit Wasser - ähnlich einer temporären Tätowierung. Dabei sorgen schwache Adhäsionskräfte (van der Waals-Kräfte) bis zu 24 Stunden lang für einen sicheren Halt.

Für ihr Electronic Epidermal System (EES) nutzen die Wissenschaftler, zu denen auch Kollegen aus Singapur und China gehören, Schaltkreise aus spiralig gewundenen oder membrandünnen Halbleiterbauteilen mit Leiterbahnen aus Gold, die sich dehnen lassen, ohne zu reißen. Die nur wenige Mikrometer großen Komponenten werden auf einer transparenten, luftdurchlässigen Polyesterfolie fixiert.

In mehreren Versuchen werden Probanden elektronische Pflaster auf Stirn, Hals oder Brust gesetzt und damit erfolgreich deren Hirnströme, Muskelsignale oder Herzschlag gemessen. Mit einem Sensor auf der Kehle gelingt es, deren Muskelsignale bei verschiedenen Sprachkommandos (auf, ab, rechts, links) abzugreifen und damit – mit einer Trefferrate von über 90 % – ein Computerspiel zu steuern.

Neben der integrierten Solarzelle besitzt die elektronische Haut eine Induktionsspule, über die das Modul – ähnlich wie bei RFID-Funketiketten – mittels elektromagnetischer Wellen ebenfalls mit Energie versorgt werden kann. Die Forschen können damit bereits kleinste verbaute Dioden zum Leuchten bringen.

Zur Entwicklung eines marktreifen Produkts gründet Rogers eigens die Firma mc10 mit Sitz in Lexington, Massachusetts, die bereits in ihrer ersten Finanzierungsrunde im Juli 2010 einen Betrag von 6,2 Mio. $ akquirieren kann, gefolgt von 15 Mio. $ im Laufe des Jahres 2011 sowie weiteren 12 Mio. $ 2012. Für eine simple Anwendung, die schon 2012 auf den Markt kommen sollte, wird mit dem Sportartikelhersteller Reebok Sportartikelhersteller zusammengearbeitet.

Im August 2012 vermeldet mc10, daß man mit dem Natick Soldier Research, Development & Engineering Centre (NSRDEC) der U.S. Army einen Vertrag unterzeichnet hat, um Solarzellen zu entwickeln, die direkt in den Stoffbezug von Kampfhelmen und Rucksäcke integriert werden sollen.

Nachdem in der 3. Finanzierungsrunde im April 2013 nochmals 8,0 Mio. $, sowie im Januar 2014 weitere 20,0 Mio. $ eingenommen werden können, kommt die Firma nun auch mit ihrem ersten Produkt auf den Markt, das gemeinsam mit dem globalen Biopharmaunternehmen UCB entwickelt worden ist. Unter dem Namen BioStamp wird ein 6 g schweres Diagnosepflaster mit einer Speicherkapazität von 32 MB für rund 150 $ verkauft, das allerdings mit einem 15 mAh Akku betrieben wird und daher eine Laufzeit von nur 36 Stunden hat – und auch keinerlei Ähnlichkeit mit dem ursprünglichen EES hat.


Im November 2011 berichten Svetlana V. Boriskina und Björn M. Reinhard von der Boston University über einen neuen Weg, um Licht in nanoskaligen Strukturen und nanostrukturierten Dünnfilmen effizient abzufangen und zu verstärken, was die Leistung von photonischen und elektronischen Geräten wie Nano-Sensoren, organischen Dünnfilm-Solarzellen und optischen Nanochips erheblich verbessern könnte.

Die Fokussierung von nanoskaligem Licht kann durch Umwandlung von freien Photonen in lokalisierte Ladungsdichteschwingungen (Oberflächenplasmonen) auf Nanostrukturen aus Edelmetall erreicht werden, die dem nanoskaligen Analog von Funkantennen entsprechen und in der Regel unter Verwendung von Antennentheorie-Konzepten entwickelt werden. Hierbei leiden die Plasmonen aufgrund der hohen Absorptionsverluste der Metalle allerdings an einer fundamentalen physikalischen Begrenzung im sichtbaren Frequenzband.

Optische Tornados Grafik

Optische Tornados (Grafik)

Um diese Einschränkung zu überwinden, verfolgen die Forscher beim Entwickeln ihrer Plasmonen-Nanoschaltungen einen alternativen, von der Hydrodynamik inspirierten Ansatz, der darauf basiert, das einfallende Licht in nanoskaligen optischen Tornados einzufangen – Bereiche einer kreisförmigen Bewegung des Lichtstroms, die aan den plasmonischen Nanostrukturen ,angepinnt’ werden.

Dabei zeigt sich, daß die Schaffung von optischen Wirbeln in Nanostrukturen und ihre Kopplung zu Getriebe-ähnlichen Sequenzen zu dramatischen optischen Effekten führt, einschließlich der optische-spektralen Formung und einer größenordnungsmäßigen Erhöhung der Feldstärke und der Qualitätsfaktoren der optischen Wirkungsweisen.

Der Design-Ansatz basiert dabei auf der hydrodynamischen Analogie einer sogenannten ,Photonenflüssigkeit’ (photon fluid), deren kinetische Energie über konvektive Beschleunigung des Wirbelgeschwindigkeit-Feldes lokal erhöht und dann in Druckenergie umgewandelt werden kann, um lokalisierte Bereiche mit hoher Feldstärke zu generieren. Und ebenso wie mechanische und hydrodynamische Getriebe eine Basis komplexer Maschinen bilden, können rational entworfene Nanostrukturen, die optische Wirbel einfangen, zu komplexen Plasmon-Netzwerken kombiniert werden, die eine nanoskalige Lichtführung und -schaltung ermöglichen.

Darüber hinaus erforschen die Wissenschaftler die Vorteile des neuen Konzepts im Bereich der Erneuerbaren Energie, da es dabei helfen kann, die Diskrepanz zwischen den elektronischen und photonischen Längenskalen bei der Dünnschicht-Photovoltaik zu beseitigen. Es wird erwartet, daß die vorgeschlagene Methodik dazu beitragen wird, die Dicke der Halbleiter zu minimieren, die benötigt wird, um Licht vollständig zu absorbieren. Über den plasmonischen Verstärkungsmechanismus wird zudem das Signal verstärkt. Außerdem ist den Ansatz kompatibel für die Integration mit sowohl Silizium-Elektronik als auch flexiblen Substraten, die auf organischen und polymeren Materialien basieren.

Das Vortex Nanogear Transmissions (VNTs) genannte Konzept bietet damit vielfältige neue Design-Prinzipien für die Entwicklung komplexer und multifunktionaler, phasenbetriebener Photonik-Maschinen und soll zu einzigartigen Lösungen in der Lichterzeugung, -ernte und -verarbeitung auf der Nanoskala führen. Neben  Anwendungen in der Photovoltaik und Photokatalyse soll auch die Tatsache genutzt werden, daß die kreisförmige Bewegung der elektromagnetischen Energie starke nanoskaligen Magnetfelder erzeugt, um Metamaterialien zu konstruieren.

Eine weitere zukünftige spannende Anwendung für plasmonisch integrierte nanoskalige optische Tornados ist das optische Einfangen kleiner Teilchen (Viren, Bakterien, usw.), die dann über nanoskalige on-chip-,Förderbänder’ geführt werden. Die auch sonst sehr aktive Boriskina ist maßgeblich an einer Sonderausgabe des Magazins Nanophotonics beteiligt, die im Laufe des Jahres 2016 veröffentlicht werden soll und den Fokus auf intelligente Nanophotonik für erneuerbare Energien und Nachhaltigkeit richtet.


Einen anderen Weg, um Strom zu erzeugen, verfolgen Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT) um Prof. Nicholas X. Fang zusammen mit ihren Kollegen der University of Illinois at Urbana−Champaign, der Zhejiang University und der Taiyuan University of Technology in China.

In einer Veröffentlichung vom Februar 2012 beschreiben sie die Schaffung eines Metamaterials, das eine viel effizientere Absorption eines breiten Spektrums von Licht verspricht als bisher und zu einer neuen Generation hocheffizienter Solarzellen, Glühbirnen sowie Geräten zur Erzeugung von Strom aus Wärme führen könnte – und zwar durch die Verlangsamung der Geschwindigkeit des Lichts.

Die faszinierenden Metamaterialien, die uns bereits bei den Funkwellen begegnet sind (s.o.), bilden eine neue Klasse von extrem dünnen, künstlichen Nanotech-Substanzen mit Eigenschaften, die völlig anders sind als alles in der natürlichen Welt. Weil sie vom Atom aus aufgebaut werden, können sie durch die Gestaltung funktionaler Materialien, die auf unkonventionelle Weise mit Licht interagieren, für jeden Zweck perfekt konstruiert werden.

Metamaterialien haben auch das Potential sehr billig zu sein. Sie sind extrem dünn, was Material und Kosten spart, und können außerdem leicht mittels Geräten hergestellt werden, wie sie in der herkömmlichen Photovoltaik-Zellfertigung bereits Standard sind.

Der neue Breitband-Dünnschicht-Infrarotabsorber verwendet ein Sägezahn-Muster keilförmiger Rippen aus anisotropen Metamaterial, deren Breite exakt darauf abgestimmt ist, Licht einer Vielzahl von Wellenlängen und Einfallswinkeln zu verlangsamen und zu erfassen. Das internationale Team ist damit in der Lage, das Licht auf ein Hundertstel seiner normalen Geschwindigkeit im Vakuum zu verlangsamen, was es viel einfacher macht, die Photonen im Inneren des Materials einzufangen. Die Metamaterial-Keile ernten die Photonen dabei in unterschiedlichen Tiefen, was mit der Art und Weise verglichen wird, wie unser Gehör Tonfrequenzen sortiert.

In einem weiten Bereich von Frequenzen wird bei senkrechtem Einfall ein Absorptionsvermögen von mehr als 95 % erreicht, während die volle Absorptionsbreite bei halbem Maximum etwa 86 % beträgt. Diese Eigenschaft wird auch über einen sehr weiten Bereich von Einfallswinkeln gut beibehalten. Dabei wird Licht mit kürzeren Wellenlängenan oberen Teilen der Sägezähne mit kleineren Breiten geerntet, während längerwelliges Licht am unteren Teil bei größeren Zahnbreiten eingefangen wird.

Da das Material sowohl ein sehr effizienter Absorber als auch Emitter von Photonen ist, könnte es zudem zum Aussenden elektromagnetischer Strahlung von ganz bestimmten Wellenlängen, wie Mikrowellen und Terahertzfrequenzen, verwendet werden, ebenso wie als Wärmestrahler. Nach dem Beschreiben der anfänglichen Computersimulationen, arbeitet das Team nun an Laborexperimenten, um die Ergebnisse auch praktisch zu bestätigen, wobei es von den Regierungen Chinas und der USA finanziert wird.

Hinweis: Der Entwicklungsabteilung von IBM ist es bereits im Jahr 2005 gelungen, die Lichtgeschwindigkeit durch einen gleichmäßig perforierten Silizium-Baustein (Phontonic Crystal Waveguide) auf ein Dreihunderstel des normalen Tempos von 299.792.458 m/s zu reduzieren und kontrolliert zu steuern – mit der Absicht, in Zukunft ultrakompakte optische Schaltkreise zu entwickeln. Gut zehn Jahre später gelingt dann schon viel mehr:

Im Mai 2014 veröffentlicht ein Team britischer Physiker einen Forschungsbericht, dem zufolge es ihnen gelungen sei, Lichtwellen um den Faktor 15 Millionen zu verlangsamen und somit auf eine Geschwindigkeit von 20 m/s zu reduzieren. Die dramatische Verlangsamung der Lichtwellen bis fast zum Stillstand wird durch ein raffiniertes Zusammenspiel von zwei äußeren Platten aus Indiumzinnoxid mit einer innen liegenden Siliziumschicht von knapp 1/3 µm Stärke ermöglicht. Die einfallenden Lichtwellen werden in dem dreilagigen Material so oft vor und zurück reflektiert, daß sich ihre Geschwindigkeit drastisch reduziert.

Obwohl der Versuch bislang ausschließlich mit kurzen infraroten Laserpulsen funktioniert, wobei auch noch ein Großteil des Lichts verlorengeht, handelt es sich um eine physikalische Sensation, die große Hoffnungen auf ganz neue technische Anwendungsmöglichkeiten weckt. Neben der Verarbeitung weitaus größere Datenmengen in kürzerer Zeit, wenn sich das Licht sozusagen festhalten läßt, um mehr Informationen aufzunehmen, sind auch in der Photovoltaik Effizienzsteigerungen bei Solarzellen durch abgebremstes Licht denkbar.

Um die Lichtausbeute zu erhöhen und den Lichtverlust entsprechend zu reduzieren suchen die Wissenschaftler nun nach geeigneteren Verstärkermedien.


Ebenfalls am MIT arbeitet 2012 ein Team um Prof. Anantha Chandrakasan (ein Spezialist für Niedrigverbrauch-Mikrochips, der auch an den Forschungen beteiligt ist, Energie aus dem Innenohr zu gewinnen, s.u. Weitere Technologien) an neuen Chips, die gleichzeitig drei Quellen nutzen, um ihre Elektrizität zu beziehen: Wärme, Vibrationen und Sonnenlicht. Indem alle drei kombiniert werden, sollen die Chips sowohl autark als auch wesentlich leistungsfähiger als bisher werden, zudem kann Dank einer ,Dual-path’ Architektur überschüssige Energie in einer Batterie oder einem Superkondensator gespeichert werden.

Obwohl die Entwicklung vom Interconnect Focus Center finanziert wird, einem gemeinsamen Programm der Defense Advanced Research Projects Agency (DRAPA) und Unternehmen der Verteidigungs- und Halbleiterindustrie, ist bislang nicht bekannt, ob und wann die Chips auf den Markt kommt. Über die Nutzung von Wärme und Vibrationen berichte ich weiter unten noch ausführlich.


Eine laserbetriebene photovoltaische Zelle, die elektrische Energie für NanoBio-Geräte produzieren kann, welche unter der Haut implantiert sind, stellen Wissenschaftler der Donghua University in Schanghai im July 2012 vor.

Das Team um Zhigang Chen nutzt dabei einen 980 nm Laser mit einem Beleuchtungsbereich von 2 x 8 mm und einer sicheren Intensität von 720 mW cm2, was etwas niedriger als die konservative Grenze für die Exposition menschlicher Haut liegt (726 mW cm2), sowie eine herkömmliche Farbstoff-Zelle, die mit einer Nanophosphor-Schicht (NaYF4:Yb,Er) optimierte wurde. Damit wird eine maximale Ausgangsleistung von 44,5 µW erreicht, wobei die Energieumwandlungseffizienz aber nur 0,039 % beträgt.

Auch nachdem die Zelle mit einer 1 mm dicken Hühnerhaut als biologisches Gewebe abgedeckt wird, kann noch eine maximale Ausgangsleistung von 22,2 µW und ein Gesamtwirkungsgrad von 0,019 % erzielt werden – was aber ztotzdem ausreicht, um den Leistungsbedarf der in vivo Nanoroboter (mindestens 1 µW) und der Herzschrittmacher (etwa 10 µW) zu decken.


Im September 2012 berichtet ein Wissenschaftler-Team des MIT und der University of Pennsylvania um Prof. Harry Asada von der Entwicklung eines genetisch optimierten Muskelgewebes, das auf Licht reagiert.

Lichtsensitives Muskelgewebe

Lichtsensitives Muskelgewebe

Der dabei angewandte Prozeß der Optogenetik beinhaltet, lichtempfindliche Elemente anderer Tiere, in der Regel wirbellose, in Säugetierzellen einzuschleusen, wofür die Forscher Skelettmuskelgewebe verwenden, das es stärker als anderes Gewebe ist und sich unter äußeren Reizen biegt. Dies geschieht normalerweise durch Neuronen, die dafür eine winzige elektrische Ladung bereitstellen.

Die genetisch veränderten Muskelzellen, die das MIT-Team verwendet, werden mit einem lichtempfindlichen Protein dotiert, kultiviert und dann mit Hydrogel vermischt, um dreidimensionales Muskelgewebe zu bilden. Wir dieses 20-Millisekunden-Pulsen von blauem Licht ausgesetzt, verbiegen sich die Zellen sowohl individuell als auch kollektiv. Um die Stärke der Muskeln zu testen, werden sie an winzigen Pfosten angebracht um zu sehen, wie weit sie diese biegen – was Asda mit einem Ausbildungszentrum für das Gewebe vergleicht.

Es werden zwar keine Zahlen genannt, doch der Bericht betont, daß die Muskeln ein hohes Maß an Bewegung zeigen, so daß in einen begrenzten Raum von weniger als einen Kubikmillimeter zehn Freiheitsgrade passen, was gegenwärtig kein anderer Antrieb schafft. Die Wissenschaftler sehen dies als ersten Schritt in ihrem Plan, organische Roboter zu bauen, die sich so schnell und so anmutig wie ihre biologischen Äquivalente bewegen.


Prof. Wei Chen von der University of Texas at Arlington und sein Team, zu dem u.a. auch Prof. Long Que von der Louisiana Tech University gehört, publizieren im Oktober 2012 einen Bericht, in welchem sie die Entwicklung eines Hybrid-Nanomaterials beschreiben, das sowohl Licht als auch Wärme in Strom umwandeln kann.

Zwar werden einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen (single-walled carbon nanotubes, SWNTs) bereits zur Konstruktion von transparenten Solarzellen sowie von Zellen verwendet, die ausschließlich aus Kohlenstoff bestehen (s.u. Nano Zellen), doch verglichen mit anderen PV-Typen sind diese aber immer noch sehr ineffizient.

Als Lösung verfolgen Chen et. al. die Ergänzung des durch Licht erzeugten Stroms mit Elektrizität aus thermoelektrischen Komponenten. Das neue Material wird durch die Kombination von SWNTs und Kupfersulfid-Nanopartikeln synthetisiert, mit Oleylamin-Molekülen als Verbindung, und dann verwendet, um daraus den Prototyp eines thermoelektrischen Generators zu erstellen, der in der Lage sein sollte, einige Milliwatt Leistung zu erzeugen.

Im Vergleich zu SWNT-Dünnschicht-Systemen erhöht die neue Dünnschichtstruktur in den Laborversuchen die Lichtabsorption um bis zu 80 %, was sie zu einem effizienten Generator macht. Darüber hinaus ist Kupfersulfid viel billiger und leichter verfügbar als die Edelmetalle, die in ähnlichen Hybriden verwendet werden.

Die Laborversuche zeigen auch, daß der optische-thermische Schalteffekt bei Dünnschicht-Vorrichtungen mit dem hybriden Nanomaterial unter Verwendung einer asymmetrischen Beleuchtung und thermischer Strahlung, anstatt symmetrischer Beleuchtung alleine, um bis zu 10 mal verstärkt werden kann. Auch in diesem Fall soll die Kombination des Materials mit Mikrochips erfolgen, um selbstbetriebene Sensoren, elektronische Low-Power-Geräte und biomedizinische Implantate zu versorgen.


Im März 2013 berichten die Fachblogs über eine selbstbetriebene künstliche Netzhaut aus einem optoelektronischen Polymer, die von einem Team des Istituto Italiano di Tecnologia in Genua entwickelt wurde.

Die Forscher um Diego Ghezzi und Fabio Benfenati demonstrieren die zuverlässige Photoaktivierung von Neuronen, die auf einem mit dem Polymer Poly(3-hexylthiophene) (P3HT) beschichteten Glasobjektträger kultiviert worden sind. Des Weiteren können die Wissenschaftler zeigen, daß die bio-organische Schnittstelle die Lichtempfindlichkeit von Explantaten (d.h. Transplantationen zu einer Kultur) von Ratten-Retinae mit lichtinduzierter Photorezeptordegeneration wieder herstellt.

Dies bedeutet, daß das Material verwendet werden kann, um eine künstliche Retina zu bilden, wobei die Besonderheit des P3HT-Polymers darin besteht, daß es keine externe Stromversorgung benötigt, sondern alleine durch das einfallende Licht funktioniert. Das das Polymer seine optischen Eigenschaften im Laufe der Zeit auch unter manchmal harten Bedingungen einer Gewebeumgebung beibehält, hatte das Team bereits in einer Veröffentlichung vom Januar 2011 gezeigt.

Nun können sie auch belegen, daß das Polymer gegenüber den Neuronen nicht toxisch ist, und – was noch wichtiger ist –, daß die Neuronen in einer Weise photoaktivierbar sind, die sie keinem unnötigen Streß aussetzt, wie es bei anderen Untersuchungen der Fall war, wo Neuronen auf nicht ideale Weise durch Infrarotlicht, d.h. Hitze, aktiviert wurden.

 

Forscher der Sungkyunkwan University und des Samsung Advanced Institute of Technology in Südkorea veröffentlichen im April 2013 den Bericht über die Entwickelung eines nur 300 nm großen Hybrid-Ernters, der neben dem Licht auch Vibrationen nutzbar macht, um eine konstante Leistung zu erzeugen.

Um das Sonnenlicht einzufangen, verwendet das Team Zellen aus Silizium-Nanosäulen, die für ihre hohe Absorptionsraten und geringe Reflexion bekannt sind und das Potential haben, in großen Mengen zu niedrigen Kosten produziert werden zu können. Die Oberseite jeder Zelle wird anschließend beschichtet, um darauf den piezoelektrischen Generator zu setzen. Die gesamte Vorrichtung wird auf der Außenseite von Elektroden sandwichartig eingefaßt.

Während der Tests wandelt der Generator Energie aus den Solarzellen mit einer Effizienz von 3,29 % um – und kann mit 100 dB Schall 0,8 V Strom liefern. Die Forscher sehen die Einsatzmöglichkeiten des Hybrid-Ernters daher bei bewegten Fahrzeugen und in bestimmte Umgebungen, in denen immer ausreichend Sonnenlicht verfügbar ist.


Im gleichen Monat geben die beiden israelischen Firmen Sol Chip Ltd. und Cellergy die Verfügbarkeit ihrer mit Sonnenenergie betriebenen Sol-Chip Energy Harvester bekannt, die durch ihre Kombination mit Superkondensatoren einen wartungsfreien Dauerbetrieb von IoT-Geräten, drahtlosen Nahbereichskommunikationssystemen und LED-Blinkleisten ermöglichen.


Ebenfalls im April 2013 startet das mit 223.778 € ausgestattete EU-Projekt MOLMOTDYN (Understanding the dynamics behind the photoisomerization of light-driven molecular rotary motors and switches), bei dem im Laufe der beiden Folgejahre das Verständnis der Dynamik vertieft werden soll, welche hinter der Photoisomerisierung von lichtgetriebenen molekularen Rotationsmotoren und Schalterm steht.

Insbesondere wollen die Forscher um die Michael Filatov Ausgangsleistung steigern, indem sie mehrere Molekularmotoreinheiten innerhalb eines einzelnen molekularen Bauelements kombinieren. Dabei nutzen sie computergestützte Instrumente, um die Atombewegungen zu simulieren und die Mechanik der lichtgetriebenen molekularen Funktionseinheiten zu modellieren. Dem Abschlußbericht zufolge gelingt es mit Hilfe dieser Informationen, Modelle für zwei neue Klassen lichtgetriebener molekularer Bauelemente mit verbesserter Quanteneffizienz zu entwickeln.

Deren Hauptneuerung besteht darin, die ineffiziente Art der Bewegung, wie sie für frühere Modelle typisch war, durch eine reine Rotation um eine Achse zu ersetzen. Zudem wird ein Mittel zum Screenen potentieller Moleküle geschaffen, die zur axialen Rotation innerhalb molekularlichtgetriebener Bauelemente geeignet sind.

Vorversuche im Labor mit Molekularmotoren, die auf Grundlage der theoretischen Modelle gebaut werden, bestätigen ihre Funktionsfähigkeit. Allerdings suchen die Forscher noch nach Möglichkeiten, um die Motoreinheiten auf geeigneten Substraten wie den Oberflächen leitender oder isolierender Materialien oder auch Biopolymersubstraten zu verankern.

Koordinator des Projekts ist die Universität Bonn, mitbeteiligt sind Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Chemische Energiekonversion in Mülheim an der Ruhr, der italienischen Università di Siena, der französischen Aix-Marseille Université sowie der Bowling Green State University in Ohio.


Eine weitere Meldung vom April 2013 besagt, daß Prof. David Wendell und Vikram Kapoor von der University of Cincinnati einen Nano-Filter entwickelt haben, der wesentlich wirksamer als die derzeit verwendeten Filtertechnologien sein soll, die auf Aktivkohle basieren.

Die neue solarbetriebene Filtertechnologie, die in der Lage ist Antibiotika und gefährliche Karzinogene aus großen Gewässern zu filtern, beruht auf zwei bakteriellen Proteinen. Diese sind fähig, etwa 64 % der Antibiotika im Oberflächenwasser zu absorbieren – gegenüber den 40 %, die mit der gegenwärtigen Technologie erzielt werden. Zudem besteht auch die interessante Möglichkeit, die eingefangene Antibiotika einer Wiederverwendung zuzuführen.

Der Nano-Filter, dessen Durchmesser kleiner ist als ein menschliches Haar, wird durch ein Protein-Pumpe namens AcrB ermöglicht, die Wendell als einen „äußerst selektiven Müllschlucker der Bakterien“ bezeichnet. Bei der neuen Innovation wird das Entsorgungssystems allerdings umgedreht, sodaß Verbindungen in das Protein-Vesikel hinein, anstatt aus diesem hinaus gepumpt werden.

Was uns an dieser Stelle jedoch interessiert, ist die Methode den Pumpmechanismus anzutreiben, denn hierfür setzen die Forscher das lichtbetriebene Bakterienprotein Delta-Rhodopsin (dR) ein, das der AcrB die Pumpleistung liefert, um die Antibiotika zu bewegen. Als Folgeschritt soll das System nun zum selektiven Herausfiltern von Hormonen und Schwermetallen aus Oberflächengewässern weiterentwickelt werden.


Auch im August 2013 gibt es gleich mehrere Meldungen auf einmal. Die erste Nachricht betrifft Forscher in Großbritannien und Frankreich, die ein farbstoffbasiertes Molekül entwickeln, das den Lichtsammelkomplex in Pflanzen nachahmt und alle Wellenlängen des Lichts absorbieren kann. Dadurch ließen sich kleine, aber leistungsfähige Solarzellen herstellen, die auch bei schlechten Lichtverhältnissen und im Innenbereich gut arbeiten.

Eine wesentliche Einschränkung von Solarzellen ist, daß die meisten von ihnen hohe Lichtintensitäten erfordern, weil sie schwach im Festhalten von Elektronen sind. Außerdem geht ein Großteil der Energie durch ein Phänomen namens Photonen-Vernichtung verloren, bei welchem ein Überschuß an geernteten Photonen nicht in chemische Energie umgewandelt werden kann – und Photonen hoher Energie photochemische Reaktionen bilden und durchlaufen, welche die Vorrichtung verschlechtern.

Pflanzen umgehen dieses Problem, indem sie einen Lichternte- oder Antennenkomplex besitzen, der ein Gitter von Proteinen und Pigmentmolekülen einschließlich Chlorophyll umfaßt, das Photonen absorbiert und ihre Energie zu einem Reaktionszentrum leitet, um chemische Energie zu erzeugen.

Auf diese Weise können Pflanzen in schlechten ebenso wie in guten Lichtverhältnissen Lebensmittel erzeugen – und sich zudem vor der Photonen-Vernichtung schützen, indem sie die Energie in ihren Pigmenten lagern. Bei Versuchen, dieses natürliche Antennensystem in photovoltaischen Zellen unter Verwendung lichtempfindlicher Farbstoffe zu imitieren, erwies es sich als schwierig, die notwendigen Moleküle aufgrund ihrer Komplexität zu erzeugen und zu stabilisieren.

In ihrer neuen Arbeit beschreiben Anthony Harriman von der Newcastle University in Großbritannien, Raymond Ziessel von der Université de Strasbourg in Frankreich sowie ihre Kollegen, wie sie ein synthetisches lichtsammelnden Gitter entwickelt haben, wobei sie Bordipyrromethen-Farbstoff  (BODIPY) und Pyren verwenden, das den Photonenverlust zu verhindern scheint und die Bildung der hochenergetischen Zustände vermeidet, die typischerweise zu einem Abbau führen.

Das Gitter soll alle Wellenlängen sammeln und UV-Licht schnell in dunkelrotes Licht umwandeln, um reaktive Zwischenstufen zu vermeiden und die Photonen zur Solarzelle zu leiten. Hierfür entwickelt das Team ein trichterförmiges Molekül aus 21 Chromophoren (der Anteil eines Farbstoffs oder eines Pigments, der dessen Farbigkeit erst möglich macht).

Wenn Photonen an der Peripherie des Gitters aufgenommen werden, kaskadieren sie in Richtung eines sogenannten Akzeptors, wo sie allerdings gestaffelt bzw. schwankend ankommen, da sie sich zwischen den Chromophoren bewegen – und damit das Problem der Photonen-Vernichtung umgehen. Damit besteht die Chance, anspruchsvolle Netzwerke aufzubauen, welche die Photonen auf genau die Positionen lenken, wo sie benötigt werden. Harriman vergleicht dieses überlegene Photonenmanagement mit der Flugkontrolle in Flughäfen wie Heathrow.


Die zweite Meldung stammt von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, wo Guozhen Shen gemeinsam mit Mitarbeitern des Wuhan National Laboratory for Optoelectronics kompakte, biegbare und selbstspeisende Photodetektoren aus Zinndioxid-Stoff entwickelt.

Hergestellt wird der Stoff, indem die Wissenschaftler Zinndioxid-Nanopartikel auf einer Kohlenstofftuch-Vorlage wachsen lassen, was in einem Webmuster angeordnete hohle Mikrotubuli aus Zinndioxid ergibt, das eine hohe Quantenausbeute im UV-Bereich besitzt.

Shens Team integriert einen Zinndioxid-Stoff-basierten UV-Photodetektor und eine Zinndioxid-Stoff-basierte Lithium-Ionen-Batterie in einem Gerät, um einen flexiblen Photodetektor mit Eigenversorgung zu bilden, der die jede passende Form gebracht werden kann. Die Leistung des Detektors sei vergleichbar mit herkömmlichen Vorrichtungen. Besonders wichtig ist jedoch, daß keine Änderung in der Leistung auftritt, wenn das Tuch gefaltet wird.

Pigment-Antenne Grafik

Pigment-Antenne
(Grafik)


Ebenfalls im August 2013 berichten die Fachblogs über ein Projekt, das von dem Photosynthetic Antenna Research Center (PARC) an der Washington University in St. Louis organisiert wird und die Erfahrung von Wissenschaftlern der Northwestern University, der North Carolina State University, der Universität of California, Riverside und der University of Sheffield in Großbritannien vereinen soll.

Was in ihren Diagrammen wie ein Zuckerwerk aus selbst kräuselnden Bändern mit einigen Klunkern aussieht, die da und dort daran hängen, ist tatsächlich ein sorgfältig gestalteter Ring von Proteinen mit angebrachtem Pigmenten, der sich selbst zu einer Struktur montiert, die Sonnenlicht aufsaugt. Das Team bezeichnet ihn als Teststand oder Plattform für das Rapid Prototyping von lichtsammelnden Antennen-Strukturen, wie sie in Pflanzen und in Photosynthese betreibenden Bakterien gefunden werden, und welche den ersten Schritt bei der Umwandlung von Sonnenlicht in nutzbare Energie machen.

Die Antennen bestehen aus einem Protein-Gerüst, das Pigmentmoleküle in idealen Positionen hält, um die Energie der Sonne einzufangen und zu übertragen. Die Anzahl und Vielfalt der Pigmentmoleküle bestimmt, wie viel von der Sonnenenergie die Antennen greifen und in eine Energiefalle werfen können.

Die Wissenschaftler beschreiben zwei Prototyp-Antennen, die sie auf ihren Teststand aufgebaut haben. Die eine basiert auf den synthetischen Farbstoffen Oregon Green und Rhodamine Red, während die andere das Oregon Green mit einer synthetischen Version des bakteriellen Pigments Bakteriochlorophyll kombiniert, das Licht im nahen Infrarot-Bereich des Spektrums absorbiert.

Es zeigt sich, daß beide Entwürfe mehr aus dem Spektrum der Sonne aufsaugen als die natürlichen Antennen in Purpurbakterien, die die Inspiration und einige Komponenten für den Teststand zur Verfügung gestellt haben. Zudem sind die Prototypen auch viel leichter zu montieren, als synthetische Antennen komplett neu zu machen.


An einem neuen Energiesystem, das die Infrarot-Energie der Erde in sauberen Strom konvertiert, arbeiten Physiker der Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) um Federico Capasso. Was sinnvoll ist, wenn man bedenkt, daß unser Planet ständig Hunderte Millionen Gigawatt Infrarotstrahlung in den Raum freigibt.

Dem Bericht vom März 2014 zufolge schlägt das Forschungsteam zwei Geräte vor, die zwar ähnlich wie Photovoltaik-Systeme funktionieren – jedoch anstatt einfallendes sichtbares Licht einzufangen um Gleichstrom zu erzeugen, dies durch das Aussenden von Infrarotlicht erreichen. Auch wenn es auf den ersten Blick seltsam erscheinen mag, Energie zu erzeugen, indem Energie freigesetzt wird, ist die Sache realistisch, wenn auch ein wenig bescheiden.

Das erste der beiden Geräte nutzt eine ,heiße Platte’, die durch die Temperatur der Erde erwärmt wird. Darüber gibt es eine ,kalte Platte’ würde aus einem stark emittierenden Material, welche die Wärme effizient nach oben in den Himmel abstrahlt. Basierend auf Messungen der Infrarotemissionen in Lamont, Oklahoma, berechnen die Forscher, daß die Wärmedifferenz zwischen den Platten ein paar Watt pro Quadratmeter erzeugen könnte – und zwar Tag und Nacht. Als schwierig mag sich allerdings erweisen, die ,kalte Platte’ kühler als die Umgebungstemperatur zu halten.

Die zweite vorgeschlagene Vorrichtung soll ebenfalls eine Temperaturdifferenz nutzen, um Strom zu erzeugen, diesmal jedoch im Nano-Maßstab, da die Wissenschaftler vermuten, daß auch Temperaturunterschiede zwischen nanoskaligen elektronischen Komponenten – wie z.B. Dioden und Antennen – einen kontinuierlichen Strom von Elektrizität erzeugen könnten. Mit einer normalen Solarzelle gekoppelt wären damit Systeme denkbar, mit denen sich ohne zusätzliche Installationskosten Leistung auch in der Nacht erzielen ließe.


Im Januar 2015 veröffentlicht ein Forscherteam des Institut Charles Sadron des CNRS, unter der Leitung von Prof. Nicolas Giuseppone von der Universität Straßburg, den Bericht über die Entwicklung ein Polymergels, das dank künstlicher Molekularmotoren kontrahiert.

Sehr komplexe Eiweißverbindungen sind unverzichtbar für alle Bewegungsabläufe des lebenden Organismus, wobei jeder dieser Molekularmotoren jedoch nur über Entfernungen von wenigen Nanometern arbeitet. Im Verband von mehreren Millionen jedoch arbeiten sie nicht nur perfekt koordiniert, sondern auch auf makroskopischer Ebene, was ein Muskel, der aufgrund des koordinierten Zusammenspiels zahlreicher Proteinmotoren kontrahiert, beispielhaft veranschaulicht.

Die nun geschaffenen künstlichen, nanometergroßen Motoren werden durch Licht aktiviert, wobei sich die Polymerketten dieses Gels einrollen und sich so über mehrere Zentimeter zusammenziehen. Um dies zu erreichen, ersetzen die Forscher die Vernetzungspunkte eines Gels (über welche die Polymerketten untereinander verbunden sind) durch rotierende Molekularmotoren, die auf makroskopischer Ebene zeitlich koordiniert und kontinuierlich laufen.

Die Lichtenergie, die für den Antrieb dieser Motoren notwendig ist, wird durch das Einrollen der Polymerketten zum Teil in mechanische Energie umgewandelt und im Gel gespeichert. Auf der schematischen Darstellung ist ein Polymergel zu sehen, dessen Ketten sich durch rotierende Molekularmotoren vernetzen (die blauen und roten Komponenten sind gegeneinander drehbar). Trifft Licht darauf, fangen die Motoren an zu rotieren und rollen die Polymerketten zusammen, woraufhin sich das Gel auf 80 % seines Ausgangsvolumens zusammenzieht (rechts).

Sammelt sich zu viel Energie im Gel an, kann dieses allerdings aufplatzen, weshalb das Team daran arbeitet, diese Form der Lichtenergiespeicherung künftig kontrolliert nutzen zu können. Das Projekt wird finanziell vom Europäischen Forschungsrat (ERC) und der französischen Forschungsförderagentur ANR unterstützt.

Autonome Kamera

Autonome Kamera


Prof. Shree K. Nayar und sein Team an der Columbia University in New York stellen im April 2015 eine Kamera vor, die kein Ladegerät benötigt, da sie sich völlig autonom mit Strom versorgt. Hierzu dient eine neue Photodiode, die nicht nur Licht für die Fotos einsammelt, sondern auch als eine Art Solarladegerät fungiert, indem das auf die Kamera einfallende Licht in Strom umgewandelt und schließlich gespeichert wird.

Die Auflösung des Prototypen, der in einem 3D-Druck-Körper untergebracht ist, beträgt nur 30 × 40 Pixel, weil aus Kostengründen zunächst auf einen wesentlich teureren Bildsensor mit höherer Auflösung verzichtet wurde, der technisch jedoch kein Problem bildet. Langfristiges Ziel ist es jedenfalls, eine sehr kompakte energieautarke Kamera herzustellen, die 30 Bilder pro Sekunde mit einer Auflösung von 640 × 480 Pixel produziert und im Prinzip für immer funktionieren kann.

Bei der neuen Kamera soll zudem auf eine Batterie oder Akkus verzichtet werden, da der überschüssigen Strom vom Bildsensor selbst gespeichert wird. Die Forschung wird von Office of Naval Research finanziert.


Ebenfalls im April 2015 ist aus Frankreich zu erfahren, daß im Rahmen des sogenannten Soltex-Projektes bis 2019 ein Photovoltaik-Textilfaden entwickelt werden soll, der aus natürlichem oder künstlichem Licht Energie erzeugen kann.

Die erwartete Energieausbeute der neuen Photovoltaik-Textil-Technologie liegt bei 10 W/m2, und als vorgesehenen Anwendungen werden neben der Bekleidung noch Outdoor-Sportgeräte, Jalousien und Rolläden, Schutzplanen für Gewächshäusern und intelligente Textilien für die Innenausstattung von Autos, Zügen oder Flugzeugen genannt.

Zur Umsetzung dieser Technologie koordiniert das Unternehmen Sunpartner Technologies, ein Spezialist für Solarlösungen, ein Konsortium aus Forschungseinrichtungen und verschiedenen Unternehmen, zu denen unter anderem die Firmen Quali Therm, Payen, Texinov und Raidlight sowie das französische Forschungsinstitut CEA-Liten gehören. Das Projekt wird von der französischen öffentlichen Investitionsbank Bpifrance unterstützt.


Im Juni 2015 folgt die Veröffentlichung einer Gruppe indischer Forscher um Musthafa Ottakam Thotiyl vom Indian Institute of Science Education and Research, bei der es um die Entwicklung einer neuartigen Batterie geht, die durch Licht geladen wird, im Gegensatz zu herkömmlichen Akkus dabei jedoch kein zusätzliches Solarmodul als Kollektor benötigt.

Der als Photo Battery bezeichnete Stromspender kann binnen 30 Sekunden durch Innenraum-Licht aufgeladen werden, übersteht bis zu 100 Lade- und Entladezyklen und liefert genügend Strom um einen kleinen Ventilator oder eine LED-Lampe zu betreiben. Zum Einsatz kommt dabei eine Photoanode, die aus einem Gemisch aus Titanium-Nitrit bestehtund im Gegensatz zu Anoden herkömmlicher Batterien unempfänglicher für Überhitzungen ist und auch kein Feuer fangen kann.

Im weiteren Verlauf der Entwicklungen wollen die Forscher leistungsstärkere Versionen ihrerwässrigen wiederaufladbaren Batterie (aqueous rechargeable battery, ARB) herstellen, die eines Tages z.B. Smartphones antreiben sollen. Nähere technische Details sind bislang nicht bekannt.

 

 

 

Weiter in Arbeit...


Luftfeuchtigkeit


Im Juli 2014 stellt ein Forscherteam des MIT ein Konzept vor, um mit Kondenswasser Handys zu laden.

Abspringender Wassertropfen

Abspringender Wassertropfen

Die Wissenschaftler hatten sich ursprünglich damit beschäftigt, die Kondensation von Wasserdampf an kühlen Flächen zu verringern, welche die Effizienz von Kühlsystem vermindert und in Ländern mit einem hohen Anteil von Klimaanlagen nicht unerheblich zu höherem Stromverbrauch beiträgt. Es stellt sich heraus, daß sich der Effekt eindämmen läßt, wenn die betreffenden Oberflächen nicht nur wasserabweisende Eigenschaften besitzen, sondern superhydrophob sind.

Bereits in einem Bericht vom Dezember 2013 hatte das Team um Prof. Evelyn Wang die Entdeckung beschrieben, daß Wassertröpfchen eine elektrische Ladung erwerben, wenn sie von bestimmten Kondensorflächen wegspringen. Sie fanden damals zudem einen Weg, um diesen Effekt sinnvoll zu nutzen: Wird ein elektrisches Feld an das System angelegt, springen die Tröpfchen schneller von der Oberfläche weg. Auf diese Weise kann die Effizienz der Wärmeübertragung von der Oberfläche nahezu verdoppelt werden (electric-field-enhanced condensation).

Den superhydrophoben Zustand erreicht man, indem die Oberfläche mit einem winzigen Muster überzogen wird, das entstehende Wassertropfen sofort abstößt. Dabei besteht der  Trick darin, die Oberfläche so zu verändern, daß sich nebeneinander bildende Tropfen vereinen müssen, denn dabei wird Energie frei, die zur Abstoßung der Tropfen führt. Um zu verhindern, daß die Tropfen auf die Oberfläche zurückfallen, installieren die Forscher in unmittelbarer Nähe negativ geladener Drähte, da die Tropfen im Moment ihres Absprungs eine positive Ladung erwerben.

Das neue Konzept geht nun noch einen Schritt weiter, indem es die Ladungen sammelt, um etwas Nützliches damit anzustellen. Dies geschieht mittels zwei Metallplatten, von denen die eine superhydrophob ist, während die andere Wasser anzieht, d.h. hydrophil ist und die Tröpfchen nebst der von ihnen mitgebrachten elektrischen Ladungen sammelt, nachdem sie von der ersten Platte abgestoßen wurden.

Obwohl das Ergebnis mit nicht mehr als 15 pW/cm2 recht bescheiden ist, könnte sich mit einer Kiste in der Größe einer typischen Camping-Kühltasche und einer Innenfläche von 1.500 cm2 in zwölf Stunden genug Energie erzeugen lassen, um ein Handy zu laden. Dies könnte im Outdoor-Bereich interessant sein, weil es auch nachts funktioniert, keine beweglichen Teile enthält, stabil und wartungsarm ist – und als Nebeneffekt auch noch sauberes Wasser produziert.

Die Forschung wird vom US-Department of Energy, dem Office of Naval Research und der National Science Foundation finanziert.


Im Juli 2014 kursieren in den Blogs Berichte über eine neue Innovation namens Air HES (HydroElectric Station), die auf den Russen Andrey Nikolaevich Kazantsev aus St. Petersburg zurückgeht. Dabei handelt es sich um ein bodengebundenes Luftschiff, das gleichzeitig Trinkwasser und saubere Energie produziert, indem es ein Netz in die Höhe hievt, an dem sich Wasserdampf kondensiert. Das gesammelte Wasser soll dann durch eine leichte Schlauchleitung zum Boden herab geführt werden, wo es über einen Wasserturbine Strom erzeugt.

Ein russisches Patent für das Konzept war bereits im April 2012 angemeldet worden (RU-Nr. 2500854, erteilt 2013; vgl. WO2013157991). Zudem legt das Team eine umfassende Machbarkeitsstudie vor.

Kazantsev baut einen Prototyp des Systems in kleinem Maßstab und testet diesen im Juli 2013 am Seligersee, wobei das nur einige Meter große Luftschiff in etwa 1.200 m Höhe über dem Boden pro Stunde und Quadratmeter des Netzes rund 4 Liter Wasser erzeugt. Eine Stromproduktion wird in diesem Fall nicht getestet.

Der Erfinder geht allerdings davon aus, daß sich an einem System in voller Größe, dessen Luftschiff mit einem Durchmesser von 18 m und einer Tragkraft von 3.175 kg auf einer Höhe von etwa 2.100 m positioniert und mit einem 1.000 m2 großen Netz ausgestattet wird, eine ausreichende Menge an Wasser kondensiert, um 185 kW saubere Energie zu produzieren.

Um nun einen voll funktionsfähigen Prototypen des kompletten Systems zu konstruieren, startet das Team eine Crowdfunding-Kampagne auf Indiegogo mit dem bescheidenen Ziel von 14.000 $. Leider kommen bis Ende September 2014 jedoch nur 2.926 $ von 22 Unterstützern zusammen – womit das Projekt erst einmal gescheitert ist.


Magnetfeld


Berichten vom Mai 2015 zufolge erhält ein Team der Cornell University von der NASA eine Förderung in Höhe von 100.000 $, um im Rahmen einer neunmonatigen Untersuchung einen Amphibien-Roboter zu entwickeln, der durch die Meere ferner Monde und Planeten schwimmen kann.


Schwimmroboter (Grafik)

Die größte Hürde für Rover und Roboter, die zu weit entfernten Planeten geschickt werden, ist, daß sich diese nicht vollständig mit Solarstrom versorgen lassen, weil ihre Einsatzorte weit weg von der Sonne sind. Dies ist ebenso der Fall, wenn es sich um Tauchroboter handelt, die in Bereichen agieren sollen, in denen es überhaupt kein Licht mehr gibt.

Der vor allem für den Jupitermond Europa geplante Schwimmroboter, der einem Tintenfisch oder einem Aal nachempfunden ist, soll stattdessen seine Energie aus den magnetischen Feldern ernten, die durch den Jupiter entstehen. Die Forscher gehen davon aus, daß die Magnetfelder einen Stromfluß durch die gesamten Wassersäule von Europas Meeren erzeugen, sodaß der Roboter-Fisch durch einen ausgestreckten elektrodynamischen Tether genug Energie ernten kann, um alle seine Systeme mit Strom zu versorgen.

Der gewonnene Strom wird zur Elektrolyse von Wasser verwendet, wobei die Spaltprodukte H2 und O2 im Körper des Roboters gespeichert werden. Die Gase können dann nach Bedarf gemischt und entzündet werden, wobei sich zwei Möglichkeiten als Antrieb anbieten: Die Explosionen könnten entweder dazu führen, daß sich der Körper und die Glieder des Bots ausdehnen und zusammenziehen, so daß er dadurch vorwärts ,schwimmt’, oder die Explosionen werden viel direkter verwendet, um den Roboter mittels Abgasstrahl aus der Rückseite wie eine Krake vorwärts zu treiben.

Zudem soll der gewonnene Strom Onboard-Sensoren für die Untersuchung der Umgebung betreiben sowie eine Leuchthaut aktivieren, die das umgebende Wasser erhellt, um Unterwasser-Fotos zu machen.

Der Zuschuß an das Cornell-Team ist einer von 15 aus dem NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) Programm, bei dem Science-Fiction-Ideen durch die Entwicklung zukunftsweisender Technologien in wissenschaftliche Fakten verwandelt werden sollen.


Über den Einsatz ähnlicher Technologien im Orbit der Erde, wo Theter das irdische Magnetfeld anzapfen, berichte ich ausführlich im Kapitelteil Alternative Antriebe in der Raumfahrt (s.d.).


Ph-Wert


Die Forstverwaltung der USA nutzt eine große Zahl automatischer Wetterstationen, um damit unter anderem auch Vorhersagen über die Entwicklung und den Weg von Waldbränden machen zu können. Aufgrund des hohen Preises und des Wartungsaufwands dieser Wetterstationen ist ihr Einsatz jedoch beschränkt.

Baum-Energie Grafik

Baum-Energie (Grafik)

Wissenschaftler des Center for Biomedical Engineering (CBE) am Massachusetts Institute of Technology (MIT) untersuchen daher Mitte 2008 die Möglichkeit, ob nicht ein Netzwerk aus Bäumen genügend Elektrizität produzieren könnte um entsprechende Funksensoren mit Strom zu versorgen. Mittels sich langsam aufladender Pufferbatterien gelingt es, genügend Energie zu ernten um die Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren viermal am Tag ihre Daten absenden zu lassen – oder sofort, falls es brennt. Dabei springt das Signal von einem Sensor zum nächsten, bis es eine Funk-Wetterstation erreicht, von wo aus die Daten über Satellit an das Kontrollzentrum in Boise, Idaho, gesendet werden.

Daß Bäume sehr geringe Mengen an Elektrizität produzieren war schon früher bekannt, auch wenn niemand genau wußte wie dies zustande kam oder wie man es nutzen könnte. Zur Beantwortung dieser Frage hat das Forschungsteam eine ganze Reihe an Erklärungsmodellen untersucht, von denen viele recht exotisch gewesen sein sollen.

Es erweist sich schließlich, daß es sich weder um einen elektrochemischen Redox-Prozeß handelt (wie er z.B. bei der ‚Kartoffelbatterie’ stattfindet), noch um eingekoppelte Energie aus unterirdischen Kabeln, Rundfunkwellen oder anderen elektromagnetischen Einflußquellen. Statt dessen stellt sich heraus, daß die Stromproduktion aufgrund eines relativ simplen Phänomens erfolgt – dem Ungleichgewicht des Ph-Wertes zwischen dem Baum und dem Erdreich, in dem dieser steht.

Die ersten Feldtests des drahtlosen Netzwerkes und der Batterie-ladenden ‚Bioenergie-Ernter’, welche von dem 2005 gegründeten Unternehmen Voltree Power aus Canton, Massachusetts, entwickelt werden, beginnen im Frühjahr 2009 und zeigen schon Ende Juni zufriedenstellende Ergebnisse, es werden bis zu 200 Millivolt erreicht.

Vermarktet wird das Gesamtsystem unter dem Namen Early Wildfire Alert Network (EWAN).

Auch Forscher an der University of Washington um Prof. Babak Parviz entwickeln einen elektronischen Schaltkreis, der mit einem Baum als Stromquelle auskommt. Im September 2009 berichten sie, daß eine auf dem Universitäts-Gelände verbreitete Ahorn-Art eine Spanung produziert, die bis zu einige Hundert Millivolt (mV) betragen kann. Um diese geringe Eingangsspannung nutzbar zu machen, konstruieren die Ingenieure einen Boost-Wandler, der Eingangsspannungen ab 20 mV auf eine Ausgangsspannung von 1,1 V konvertieren kann.

Im Gegensatz zu den MIT-Forschern glaubt Parviz jedoch, daß der Strom durch eine Signalübertragung in Bäumen erzeugt wird, ähnlich jener im menschlichen Körper, aber mit geringerer Geschwindigkeit. Möglicherweise sei der Fluß aufgelöster mineralischer Ionen in dem Xylem des Baumes involviert, dem holzigen Leitgewebe, das dem Transport von Wasser und anorganischen Salzen durch den Baum dient.


Piezoelektrizität


Piezoelektrizität (auch Piezoeffekt oder piezoelektrischer Effekt, von griech: piézin – pressen, drücken) bedeutet die Änderung der elektrischen Polarisation und somit das Auftreten einer elektrischen Spannung an Festkörpern, wenn diese elastisch verformt werden (direkter Piezoeffekt). Umgekehrt verformen sich Materialien bei Anlegen einer elektrischen Spannung (inverser Piezoeffekt). Heute werden für Piezoelemente meist PZT-Keramiken (Blei-Zirkonat-Titanat) benutzt.

Piezo-Feuerzeug Grafik

Piezo-Feuerzeug (Grafik)

Entdeckt wird der Piezoeffekt im Jahre 1880 von den Brüdern Jacques und Pierre Curie. Bei Versuchen mit Turmalinkristallen finden sie heraus, daß bei einer mechanischen Verformung der Kristalle auf deren Oberfläche elektrische Ladungen entstehen, deren Menge sich proportional zur Beanspruchung verhält. Auch die 1929 erfolgte Erfindung der Quarzuhr durch den amerikanischen Uhrmacher Warren Alvin Marrison beruht auf der Entdeckung der Curie-Brüder.

Fast jedermann kennt den piezoelektrischen Effekt von elektronischen Feuerzeugen oder Anzündern her: Durch die Ausübung von Druck auf einen Kristall wird eine elektrische Entladung erzeugt.

Die Piezoelektrizität bildet einen der wichtigsten physikalischen Effekte, die im Bereich des Micro Energyy Harvesting genutzt werden. Wir werden dieser Technologie noch bei verschiedenen spezifischen Umsetzungen begegnen (s.u.), ebenso wird sie zunehmend im Bereich der Nutzung menschlicher Muskelkraft eingesetzt (s.d.).

Zu den ersten, die sich mit dem Feld der sogenannten ‚Flexoelectricity’ beschäftigen, gehört das Team um Prof. Umeda vom Niigata Polytechnic College, das seit 1996 daran arbeitet, entsprechende Wandler zu entwickeln.

2001 veröffentlichen Glynne-Jones et al. von der University of Southampton einen Bericht über einen piezoelektrischen Wandler, der bei einer Schwingung von 80 Hz 3 μW erzeugt.

Ende 2005 berichtet das Wissenschaftsmagazin Nature über eine Innovation von Shashank Priya an der University of Texas in Arlington, bei der eine taschengroße Miniatur-Windmühle zur Stromversorgung eines Sensoren-Funknetzwerkes in abgelegenen Gegenden zum Einsatz kommt. Die Energieumsetzung des nur 10 cm durchmessenden Rotors erfolgt durch das Verbiegen piezoelektrischer Kristalle. Schon bei einer geringen Windgeschwindigkeit von 16 km/h werden 7,5 mW erzeugt.

2006 arbeiten auch M. Marzencki et al. bei den Tima Labs (2 mm2, 2 μW bei 1.3 kHz) sowie M. Renaud et al. am IMEC der Universität Leuven an Piezo-Wandlern (0,2 cm2, 40 μW bei 1.8 kHz).

Ebenfalls seit 2006 besteht das Unternehmen Advanced Cerametrics Inc. (ACI) in Lambertville, New Jersey, dessen Produktlinie aus piezoelektrischen Fasern und Verbundwerkstoffen in Textilien eingebettete Mikro-Energiewandler möglich machen. Die patentierten PZT-Fasern sollen aus mechanischer Energie wie Vibration, Druck oder Biegen einen zehn Mal so großen Stromertrag ernten wie andere flexible piezoelektrische Materialien.

Erstes Einsatzgebiet der Technologie sind Tennisschläger und Skier der internationalen Sport-Firma HEAD. Hier werden durch die Umsetzung der geernteten Energie in Form einer aktiven Strukturkontrolle Erschütterungen gedämpft und die Stabilität gegenüber Verwindungen erhöht, wenn beispielsweise ein Ball auftrifft oder der Ski in eine Kurve fährt. Das Resultat sind im Fall der Tennisschläger um bis zu 15 % kräftigere Ballabschläge. Eine Würdigung der Technologie bildet die Auszeichnung ,Tennis Racket of the Year’ sowie mehrere Goldmedaillen bei der Olympiade 2008.

DuraAct-Wandler

DuraAct-Wandler

Im Februar 2007 erhält die Firma Invent GmbH aus Braunschweig den Mittelstands-Award ‚Neue Technologien für den Mittelstand’ für die Entwicklung piezokeramischer Wandler für Industrie und Forschung, die u.a. auch für das Energy Harvesting genutzt werden. Sie werden ab Mitte 2007 unter dem Namen ,DuraAct’ weltweit von der Firma PI Ceramic GmbH vertrieben.

Im Juni 2007 gibt das Belgische Forschungszentrum IMEC in Leuven gemeinsam mit seinem Holländischen Schwesterunternehmen IMEC-NL die Herstellung eines Vibrations-Ernters bekannt, bei dem die sogenannte ‚micromachining technology’ zum Einsatz kommt. Der piezoelektrische Mikrogenerator hat einen Output von 40 µW und soll als Energielieferant für drahtlose Sensoren dienen. Im Innern besteht er aus einer Platin-Elektrode, einer Schicht aus Bleizirkontitanat (PZT) und einer Aluminium-Elektrode. Die Marktreife soll in 5 Jahren erreicht werden.

Einen Monat später, im Juli 2007, gründet sich in Holland die Firma GreenPeak durch den Zusammenschluß von zwei Funktechnik-Unternehmen. Im Laufe der beiden Folgejahre gelingt es der Firma ausreichende Investitionsmittel einzuwerben, um verschiedene technische Umsetzungen bis zur Marktreife zu entwickelt, darunter drahtlose ‚ultra-low-power’ Kontroll- und Steuernetzwerke, batterielose Funkchips sowie eine Fernbedienung, die sich ihre Energie aus dem Druck auf die Tasten beschafft.

Das ‚Lime-CM-08’ Modul beispielsweise ist ein kleines 5 cm² großes elektronisches Bauelement, das als alleinstehendes Kommunikationssystem arbeitet und einen Transmitter/Receiver, eine Antenne und eine lowpower Mesh-Netzwerk Software auf einem einzigen Gerät integriert. Die Software des Moduls kann konfiguriert werden, um die Energie unterschiedlicher Energieaufnahmegeräte zu verwalten. Das Modul wird zu einem Preis ab 21 $ von der MSC Vertriebs GmbH angeboten (Stand 2009).

Ende 2008 präsentiert ein  Team des Virginia Tech zugehörigen Center for Intelligent Material Systems and Structures ein sogenanntes ‚L-beam design’, das die Voltspannung gegenüber den bisherigen Entwicklungen mehr als verdoppelt. Das Team um den türkischen Entwickler Alper Erturk besteht aus Jamil Renno aus Saida, Libanon, und Dan Inman aus Blacksburg, Virginia.

Die piezoelektrischen Materialien wandeln Vibrationen in Strom um, wobei der L-förmige Harvester nicht nur mehr Spannung erzeugt, sondern den Strom auch aus einer viel breiteren Palette von Schwingungsfrequenzen umwandeln kann. Finanziert wird die Entwicklung durch das Air Force Office of Scientific Research.

Im Jahr 2009 beginnt die Zusammenarbeit der Energy harvesting Unternehmen AdaptivEnergy Inc. (Hampton Roads, Va.) und GainSpan Corp. (San Jose, Calif.), die einen Entwicklungsvertrag mit der in Investitionsfirma In-Q-Tel unterzeichnen, einem strategischen Investmentunternehmen der CIA. Hierbei geht es um die Nutzung von Vibrationsenergie unterhalb von 0,040 grms (root-mean-square acceleration). AdaptivEnergy integriert auch die Thermo-Generator Technologie des deutschen Unternehmens Micropelt GmbH (s.u.) um die WiFi-Sensorpunkte von GainSpan mit Energie zu versorgen.

Die Entdeckung eines neuen, Blei-freien piezoelektrischen Material durch Forscher der University of California in Berkeley und dem Lawrence Berkeley Lab des U.S. Department of Energy (DOE) kommt im November 2009 in die Fachpresse. Die Wissenschaftler finden heraus, daß dünne Schichten von Wismut-Ferrit, einem anorganischen kristallinen Material, das magnetisch-elektrische Phänomene aufweist, auch einen piezoelektrischen Effekt erzeugt, wenn es einem starken und richtig fokussierten Druck ausgesetzt wird. Durch die Beseitigung der Blei-Gefährdung könnte die Berkeley-Entdeckung zu einer vermehrten Anwendung piezoelektrischer Materialien führen, nicht nur in Infrastruktur und Gebäude, sondern auch bei Verbraucherprodukten wie Schuhen oder T-Shirts.

Auch das ,Zeri Phone’, ein Handy-Konzept des Industriedesigners Paul Frigout, das im Dezember 2009 ins Gespräch kommtsoll sich seine Energie selbstständig beschaffen: durch ein thermoelektrisches und ein piezoelektrisches System. Während der thermoelektrische Generator (weiter unten dazu mehr, s. ‚Wärme’) seinen Strom mittels in das Hüllengewebe eingearbeiteten Metalldrähten aus den entstehenden Temperaturunterschieden bezieht, wenn das Handy in der Tasche mitgeführt wird, werden die ‚Härchen’ des piezoelektrischen Generators von winderzeugten Vibrationen dazu angeregt, ihren Strom zu produzieren.

Über radioaktive piezoelektrische Generatoren spreche ich im Kapitel Energiespeicherung im entsprechenden Absatz zu Nuklearbatterien (s.d.).


Pieozoelektrische Zinkoxid-Nanodrähte


Eine besondere Wichtigkeit scheinen derzeit piezoelektrische Zinkoxid-Nanodrähte zu erlangen, daher soll diese Technologie im Folgenden gesondert behandelt werden.

Prof. Zhong Lin Wang, Direktor des Center for Nanostructure Characterization am Georgia Institute of Technology (Georgia Tech) in Atlanta, stellt 2006 erstmals pieozoelektrische Zinkoxid-Nanodrähte (ZnO) vor, die durch zyklisches Dehnen und Entspannen piezoelektrische Potentiale auf- und abbauen. Dadurch entsteht ein wachsender Elektronenfluß mit einer oszillierenden Ausgangsspannung von bis zu 50 Millivolt, von dem bis zu 6,8 % der aufgewendeten mechanischen Energie in Wechselstrom umgewandelt wird. Zur Erprobung des Konzepts nutzen die Forscher einen Generator mit 200 bis 300 Mikrometer langen Drähten.

Zinkoxid-Nanodrähte

Zinkoxid-Nanodrähte

Die Entwicklung dieser ‚flexiblen Ladungspumpe’ kann Nanomaschinen ermöglichen, die ohne externe Stromversorgung auskommen. Den Forschern zufolge ist die Neuentwicklung auch wesentlich zuverlässiger als die bisherigen, auf der Basis von Nanodrähten hergestellten, Generatorsysteme, die aus Strukturen mit relativ frei beweglichen Komponenten bestanden. Dies habe aber nicht nur die Herstellung schwierig gemacht, sondern auch zu mechanischem Verschleiß geführt. Das neue System dagegen setzt auf einen Draht, der an beiden Enden fest mit Elektroden verbunden und in ein schützendes Plastiksubstrat gehüllt ist.

Im April 2007 meldet die Presse, daß es Forschern in Atlanta inzwischen gelungen sei, auf der Nano-Ebene mechanische in elektrische Energie umzuwandeln. Hierfür haben sie einen Gleichstromgenerator aus piezoelektrischen Zinkoxid-Nanodrähten konstruiert, der mit Ultraschall betrieben wird. Die Drähte sind 40 nm dick und 1 µm lang, und die Stromerzeugung erfolgt, indem die Felder aus Nanodrähten mit einer platinbeschichteten Zick-Zack-Elektrode aus Silizium abgelenkt werden. Drückt diese Zick-Zack-Elektrode auf einen Draht, so wird dieser seitlich ausgelenkt. Dadurch entstehen auf den beiden Seiten des Drahtes mechanische Zug- und Druckspannungen, wodurch sich positive beziehungsweise negative elektrische Potentiale aufbauen.

Im November 2007 präsentiert auch ein Forscherteam der University of Illinois at Urbana-Champaign (UIUC) Zinkoxid-Nanodrähte, die in Reaktion auf Ultraschallvibrationen Gleichstrom produzierten.

Die Wissenschaftler der UIUC gehören nun zu den ersten, die Bariumtitanat verwenden. Sie weisen nach, daß es ausreicht, Vibrationen an einen einzelnen Nanodraht anzulegen, um bereits einen kleinen Energieoutput zu erzielen. Während sich bei der Nutzung von Bariumtitanat größere Spannungen als bei Zinkoxid generieren lassen, ist dieses wiederum für biologische Systeme ungiftig und eignet sich daher besser für Implantate. Zum Betrieb der Nanogeneratoren können Ultraschall, mechanische Vibrationen oder die Strömung von Arterienblut genutzt werden. Pro Kubikzentimeter sollen mit den Nanodrähten bis zu 4 W generiert werden können.

Im Februar 2008 berichten die Wissenschaftler des Georgia Tech dann über die Entwicklung eines energieerzeugenden Stoffes, der sich für Kleidungen oder Zeltplanen eignet. Die hybride Struktur, die im vorliegenden Fall aus Kevlar-Fasern besteht, auf denen radial Zinkoxid-Nanodrähte gezüchtet wurden, sei besonders gut geeignet um Vibrationen und Reibungsenergie niedriger Frequenzen (also unter 10 Hz) in elektrische Energie umzuwandeln. Die Forscher kombinierten dazu den piezoelektrischen mit dem Halbleitereffekt. Die Zinkoxid-Beschichtung des Mikrofiber-Nanogenerator-Gewebes verliert allerdings stark an Wirksamkeit, sobald sie naß wird.

Die eingesetzten einkristallinen Nanodrähte haben eine sechseckige Grundfläche mit 50 - 200 nm Durchmesser und sind rund 3,5 µm lang. Mit zwei Schichten aus Tetraethoxysilan werden die Strukturen stabilisiert, wodurch die zugrunde liegende Faser biegbar bleibt, ohne daß die ZnO-Drähtchen dabei verletzt werden. Ein zweiter, in Gold getauchter Kevlar-Faden biegt einerseits die Zinkoxid-Nanodrähte, so daß es zu einer piezoelektrischen Ladungstrennung kommt, und ruft durch den Gold-Zinkoxid-Kontakt andererseits eine auf dem Halbleitereffekt beruhende Ladungstrennung hervor. Über die goldbesetzte Elektrode können die gewonnenen Ladungen dann abfließen und genutzt werden.

Hamster mit Energie-Jacke

Hamster mit Energie-Jacke

Die Forscher schätzen, daß sich aus 1 m2 des derart aufgebauten textilen Materials zwischen 20 mW und 80 mW gewinnen lassen. Während bei den Laborversuchen die Fäden absichtlich gegeneinander gedreht wurden, könnte in der Natur etwa der Wind diese Aufgabe übernehmen.

Für die entsprechend ausgerüstete Kleidung ist auch schnell ein neuer Begriff gefunden: das Power-Shirt. Wenn ein Quadratmeter dieses Stoffes bis zu 80 mW Strom erzeugen kann, dann reicht dies vollkommen aus um elektronische Kleingeräte wie Handys oder Sensoren zu versorgen. Denkbar sind ferner Gardinen, die allein durch ein leichtes Bewegen im Wind zum Stromerzeuger werden – oder Zelte, deren Außenhaut die tragbare Elektronik im Inneren versorgt.

Im November 2008 meldet Wang die Entwicklung einen neuen Generators mit einem oszillierenden Output von 45 Millivolt und einem Wirkungsgrad von knapp 7 %. Und Anfang 2009 demonstrieren die Wissenschaftler des Georgia Tech, daß sich ihr Nanogenerator auch durch irreguläre biologische Bewegungen mit geringem Energiegehalt – etwa von einem Hamster - betreiben läßt. Diesem wird dabei eine kleine ‚Jacke’ angezogen, in welcher der Nanogenerator steckt, der bei 70 Millivolt rund 1 Nanowatt leistet, sobald der Hamster in seinem Laufrad losrennt.

Die Forscher hoffen nun, das Stromerzeugungspotential innerhalb der nächsten drei Jahre soweit zu steigern, daß der Generator in Gewebe eingenäht werden kann, aus dem man Kleidungsstücke fertigt. Dann könnte ein Mensch alleine durch seine Bewegungen tragbare, elektronische Geräte aufladen.

Im April 2009 wird über eine Kooperation mit Xudong Wang berichtet, einem Assistenzprofessor für Materialwissenschaften der University of Wisconsin-Madison. Dabei geht es um die Entwicklung eines hybriden Nanogenerators, der neben der Vibration auch Sonnenenergie nutzen kann. Gearbeitet wird an einer Kombination aus Grätzel-Zelle (s. Abb. oben) und Nanogenerator (Abb. unten), die beide auf Zinkoxid-Nanodrähten beruhen und auf dem gleichen, geschichteten Silizium-Substrat sitzen.

Die oberste Schicht besteht hierbei aus einer Dünnschicht-Solarzelle, in der mit Farbstoff beschichtete Zinkoxid-Nanodrähte eingebettet sind, während die untere Schicht Wang’s Nanogenerator enthält. Die große Oberfläche der Nanodrähte steigert dabei die Licht-Absorption, eine Entwicklung, die auf der Arbeit von Peidong Yang, Professor für Chemie an der University of California, Berkeley, basiert.

Veos Grafik

Veos (Grafik)

An der Unterseite des Siliziums befindet sich ein unregelmäßiges Gitter von Polymer-beschichteten Zinkoxid-Nanodrähten mit verzahnter Struktur. Sobald das Gerät Vibrationen ausgesetzt ist, kratzen diese ‚Zähne’ gegen eine darunterliegende Anordnung von vertikal ausgerichteten Zinkoxid-Nanodrähten, was zur Schaffung eines elektrischen Potentials führt.

Im Oktober 2009 legt Zhong Lin Wang nach: Sein Team zeigt erstmals Nanosensoren, die keine zusätzlichen Energieerzeuger benötigen. Dabei verwenden die Forscher einen vertikalen Zinkoxid-Draht mit einem Durchmesser von 25 Nanometern, um einen Feldeffekt-Transistor zu schaffen.

Das Konzept einer interessanten Umsetzung für Zinkoxid-Nanodrähte bildet die ,Veos’-Kugel des Designers Joe Brussel, die im Mai 2009 vorgestellt wird. Es handelt sich um einen Waschmittel-Dispenser mit Energie-Rückgewinnung, den man einfach mit dem Rest der Wäsche in die Waschmaschine packt. Während der Waschzyklen wandelt ein inneres, frei schwingendes Geflecht aus Nanodrähten die mechanische Energie in Strom um. Die geerntete Elektrizität soll dann wieder in das Netz eingespeist werden. Es ist meines Erachtens allerdings fraglich, ob sich der Aufwand an dieser Stelle wirklich lohnt.


Regentropfen


Regentropfen-Einschlag

Regentropfen-Einschlag

Anfang 2008 stellen Französische Forscher um Jean-Jacques Chaillout vom Minatec-Innovationszentrum der Atomenergiebehörde CEA in Grenoble einen Mikro-Generator vor, der aus der Wucht aufprallender Regentropfen Strom erzeugen kann. Hauptkomponente ist eine nur 25 µm dünne Oberfläche aus dem piezoelektrischen Kunststoff Polyvinylidenfluorid (PVDF), der auf Druck hin eine elektrische Spannung aufbaut.

Die nur wenige Quadratzentimeter großen Versuchsmodule erbringen bereits eine Leistung bis zu einigen Tausendstel Watt, was beispielsweise ausreicht um autonome Sensoren mit Energie zu versorgen. Durch Simulationen wird ermittelt, daß ein einziger großer Regentropfen eine potentielle Ausbeute von bis zu 12 mW besitzt.

Diese Idee wird Ende 2008 von dem Designer Sang-Kyun Park aufgegriffen, der aus der PVDF-Folie (logischerweise) einen Regenschirm herstellt, dessen Stromertrag auch gleich in eingebaute LEDs fließt, um den Schirmträger und seinen Weg nachts zu beleuchten. Interessanter Effekt: Je stärker es regnet desto heller leuchtet der ‚Lightdrops’-Schirm auf.

Der 18-jährige türkische Schüler Ceren Burçak Dag aus Nisantasi, Türkei, gewinnt den von ITT gesponserten Stockholm Junior Water Prize 2009 für ein Projekt in dem er ebenfalls zeigt, wie Regentropfen verwendet werden können um Strom zu erzeugen. Auch er nutzt hierzu das ‚smarte’ PVDF-Material.

Dag erhält immerhin einen Preis von 5.000 $ - sowie eine bezahlte Reise nach Orlando, Florida, um seine Erkenntnisse im Oktober 2009 auf der jährlichen World Environment Federation Konferenz zu präsentieren, dem größten Wasser-Qualitäts- und Technologie-Event in Nordamerika.

Eco Sign Montage aus Foto und Grafik

Eco Sign (Montage)

Die Energie des Regens nutzt auch ein Design-Konzept von Cheolyeon Jo und Youngsun Lee, das im November 2009 auf der Messe 100% Design Tokyo vorgestellt wird.

Die in den Boden eingelassenen ‚Eco Sign’-Scheiben, die wie digitale Gully-Deckel aussehen, haben es in sich: Je nachdem, auf welchen der vier Fußtaster man 2 Sekunden lang drückt, erscheinen Richtungspfeile zur nächsten Bus- oder U-Bahn-Station – samt Angaben über die nächsten Abfahrtzeiten.

Unter dem Display ist ein Rotor versteckt, der von dem hinein- und hindurchfließenden Regenwasser betrieben wird um die Stromversorgung des Systems zu gewährleisten.


Schall


Im April 2006 berichtet der ZDF Infokanal über eine Entwicklung von Prof. Elmar Breitenbach, Leiter des Instituts für Faserverbundleichtbau und Adaptronik im DLR, bei der ein Piezokristall Lärm absorbiert – der ja nichts anderes als eine Vibration in Form von Schallwellen darstellt.

Farshi Energiefliese Grafik

Farshi (Grafik)

Unter der Nummer US 6.206.460 gibt es ein 1999 beantragtes und 2001 erteiltes Patent, an dem Breitenbach ebenfalls beteiligt ist, und zwar als Mitarbeiter eines Teams der Wilhelm Karmann GmbH in Osnabrück (sofern es sich hier nicht um eine Namensgleichheit handelt). Bei diesem Patent geht es um die Dämpfung der Vibrationsenergie bei Fahrzeugen. Möglicherweise bildete die Beschäftigung mit der Lärmabsorption die Anregung dafür, diese Vibrationen sinnvoll zu nutzen anstatt sie nur zu dämpfen.

An dem ‚Create the future contest’ der NASA beteiligt sich 2008 auch der Inder Devavrat Madhavi aus Bangalore mit dem Konzept einer verglasten, Schall-absorbierenden Fliese namens ,Farshi’ welche die eingefangene Energie mittels einer piezoelektrischen Folie in Strom umwandelt. Insbesondere auf Flughäfen, wo in 100 m Entfernung von startenden Maschinen noch ein Schalldruck von bis zu 120 db (entsprechend ca. 25 Pascal) gemessen werden kann, ließe sich das System gut nutzen.

Die Designer Jihoon Kim, Boyeon Kim, Myung-Suk Kim und Da-Woon Chung aus Korea beteiligen sich mit ihrem ,Sonic Energy Absorber’ (SONEA) an der International Design Competition 2008 in Japan. Das bereits ausgereift wirkende System besteht aus einzelnen Elementen in den Maßen 45 x 45 x 8 cm, die jeweils 7 kg wiegen.

Ich weiß nicht, ob die Rechnung schon experimentell überprüft worden ist – sie liest sich jedenfalls recht eindrucksvoll: Pro startendem Flugzeug mit rund 140 db soll ein SONEA-Element 240 kW produzieren. Bei einer Kalkulation mit 500 Flugzeugen pro Tag ergibt das immerhin einen Tagesertrag von rund 120 MW pro Element!

Im Dezember 2008 macht ein weiteres interessantes Konzept von sich reden. Der auf Nanotechnologie spezialisierte Chemieprofessor Tahir Cagin von der Texas A&M University entdeckt gemeinsam mit seinen Kollegen an der University of Houston ein piezoelektrisches Material, das die Energie der beim Sprechen ausgesendeten Schallwellen so effektiv in Strom umwandeln kann, daß damit elektrische Geräte wie beispielsweise Mobiltelefone betrieben werden können. Der Schall des ins Mikro Sprechenden wird als mechanischer Impuls genutzt, der die Spannung erzeugt.

Auch das oben bereits erwähnte Unternehmen Soundpower beschäftigt sich mit der Nutzung von Schallwellen beim Sprechen zur Stromerzeugung.

Zu diesem Zeitpunkt konzentrieren sich die Forscher auf die Stromversorgung von Nano-Maschinen, da die Energieerzeugung bislang nur dann besonders effektiv ist, wenn die piezoelektrischen Elemente exakt zwischen 20 und 23 Nanometern dünn sind. Hier steigt die Kapazität zur Energiegewinnung um 100 % im Vergleich zu anderen Maßen (Zur Anschaulichkeit: Ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von 100.000 Nanometern).

Zum Thema Ultraschall siehe auch oben unter piezoelektrische Zinkoxid-Nanodrähte.
Siehe auch unter akustische Wärmemotoren weiter unten im Absatz Wärme.


Stoßdämpfer


Im Januar 2009 meldet die Fachpresse, daß stromerzeugende Stoßdämpfer nach ausreichenden Feldtests nun bald zur Serienreife gelangen werden.

Die Electric Truck LLC übernimmt exklusiv die kommerziellen Rechte an einer Technologie der Tufts University, bei der regenerative Stoßdämpfer verwendet werden, um die Batterien von Hybrid- und Elektroautos während der Fahrt aufzuladen. Entwickelt und patentiert wurde die regenerative elektromagnetische Stoßdämpfer-Technologie von dem emeritierten Prof. Ronald Goldner und seinem Kollegen Peter Zerigian von der Tufts University, die dabei vom Argonne National Laboratory zusätzliche Unterstützung erhalten hatten.

Oxenreider-Entwicklung Grafik

Oxenreider-Entwicklung (Grafik)

Das System funktioniert mit einem elektromagnetischen Lineargenerator, der die intermittierende Verschiebung in nutzbare elektrische Energie umwandelt. Eingesetzt wird dabei in der Regel ein zylindrischer, bürstenloser 3-Phasen Permanentmagnet-Elektromotor, der manchmal auch als ,ServoRam’ bezeichnet wird. ServoRams wurden in den 1990er Jahren entwickelt, um die hydraulische Stoßdämpfer von Bewegungssimulatoren in der Unterhaltungsindustrie zu ersetzen.

Ein nahezu identisches Konzept, das von David Oxenreider aus Boiling Springs, Pennsylvania, entwickelt wurde, hatte den zweiten Preis des ‚Emhart Create the Future’ Design-Wettbewerbs 2005 gewonnen.

Doch auch für diese innovative Technologie finde ich Vorläufer – und zwar in Gestalt der gut bekannten Audio-Fima Bose. Das Unternehmen behauptet nämlich, seit 1980 an einem ‚Active Suspension System’ zu arbeiten, das ebenfalls lineare Schrittmotoren verwendet um konventionelle Stoßdämpfer samt ihrer Federung zu ersetzen. Man hätte bereits mehr als 100 Mio. $ in diese Technologie investiert und erwarte, daß sie bis 2009 bei High-End-Luxus-Fahrzeugen zum Einsatz kommt.

Ob das Bose-System eine Energierückgewinnung besitzt, konnte ich bislang noch nicht eruieren, eine vertiefende Recherche wäre hier vielleicht angebracht.

Das Rennen scheint jedoch ein anderes System zu machen, obwohl es auf den ersten Blick komplizierter wirkt.

Gen Shock Stoßdämpfer

Gen Shock Stoßdämpfer

Eine Gruppe von Sudenten des Massachusetts Institute of Technology (MIT) präsentiert nach zweijähriger Arbeit im Februar 2009 einen Stoßdämpfer, dessen Öl durch kleine Turbinen geleitet wird, welche wiederum Stromgeneratoren antreiben. Bislang wird die ungewünschte Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt und nutzlos an die Umwelt abgegeben.

In ersten Tests erzielen die ,GenShock’ Prototypen bei einem dreiachsigen LKW auf einer normalen Straße eine Leistungsgabe von bis zu 1 kW pro Rad. Mit dieser Energie könne beispielsweise das Kühlaggregat eines Anhängers betrieben werden, in Hybridfahrzeugen könnten die Stoßdämpfer wiederum die Akkus laden. Die Studenten glauben, daß ihre Stoßdämpfer die Effizienz eines Autos um 2 % - 10 % steigern können.

Unterstützt wird das Team von Venture Mentoring Service des MIT, und beraten wird es von Yet-Ming Chiang, Professor für Keramik bei Kyocera und Gründer von A123 Systems, einem Anbieter von Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterien (s.d.). Interesse an der Erfindung bekunden bereits mehrere amerikanische Lkw-Hersteller sowie der US-Autohersteller AM General, der unter anderem das High Mobility Multipurpose Wheeled Vehicle baut (kurz: HMMWV, besser bekannt als Humvee).

Inzwischen ist bereits die Levant Power Corp. in Cambridge, Massachusetts, gegründet worden, um die GenShock-Stoßdämpfer schnell auf den Markt zu bringen. Im Mai 2009 gewinnt das Startup den mit 10.000 $ dotierten MIT Clean Energy Award.


Straßengeneratoren


Der Erfinder Peter Hughes aus Dorset stellt nach zwölfjähriger Entwicklungszeit Ende 2005 eine Art Straßerampe vor, die darüberfahrende Autos benutzt um Strom zu erzeugen. Jedes Mal, wenn ein Auto über die Metallplatten fährt, soll die ,Electro-Kinetic Road Ramp’ durchschnittlich 10 kW produzieren. Die Bewegung der Platten wird auf ein speziell entwickeltes Schwungrad übertragen, das einen Generator zur Stromerzeugung antreibt. Dem Konstrukteur zufolge hätten bereits mehr als 200 lokale Behörden ihr Interesse an den 25.000 £ teuren Rampen bekundet, um mit der dort gewonnenen Energie Ampeln und Verkehrsschilder zu versorgen.

Hughes, dessen Entwicklung mit technischer Unterstützung der Firma Renold Clutches & Couplings aus Cardiff erfolgte, will in seiner Firma Highway Energy Systems Ltd. im nächsten Jahr mit der Produktion von 2.000 seiner Rampen beginnen, die lautlos funktionieren und auch Unfall- bzw. Verkehrssicher sein sollen. Je nach Gewicht des Fahrzeugs können zwischen 5 kW und 50 kW erzeugt werden. Der Prototyp wird bei der Hughes Research Unit an der Westland Helikopter Basis in Somerset getestet, mit einem Kostenaufwand von 1 Mio. £.

Tatsächlich passiert jedoch lange Zeit nichts, bis das Unternehmen im März 2008 ein Memorandum of Understanding mit der Firma Eco-RAEC SA (?) unterzeichnet, in welchem ihr die ausschließlichen Rechte an der Power Ramp Technologie in Spanien und Portugal übertragen werden.

In England ist es die Großhandelskette Sainsbury’s, die Mitte 2009 als erste auf einem ihrer Parkplätze in Gloucester kinetische Platten von Highway Energy Systems installieren läßt, welche sich innerhalb von zwei Jahren amortisieren sollen. Die darüber hinweg fahrenden Pkw erzeugen pro Stunde etwa 30 kW. Wenn der Testlauf erfolgreich ist, will das Unternehmen die Platten in allen seinen Filialen einführen.

Kinetic Plates vor Sainsbury’s

Kinetic Plates vor Sainsbury’s

Eine ähnliche Erfindung stammt von Danny McCadci aus Sunnyvale, Kalifornien, der seit den 1990er Jahren darüber nachdenkt. Im August 2007 beantragt er das Patent für eine Art Polder, der beim darüber Fahren heruntergedrückt wird und ein stromerzeugendes Schwungrad in Bewegung setzt. Den Einzelpreis bei einer Massenherstellung beziffert McCadci mit 5.000 $.

Im April 2008 erscheint ein Bericht über eine weitere Umsetzung durch Terry Kenney, der acht Jahre dafür brauchte, um einen funktionierenden Prototyp auf, bzw. in die Straße zu bekommen. Bei seiner im Hafen von Oakland liegende ‚Dragon Power Station’ komprimieren breite und robuste Stahlplatten eine Hydraulikflüssigkeit, sobald ein großer Lkw darüber fährt (pro Tag fahren rund 2.500 von ihnen in den Hafen), was wiederum eine Reihe von Pumpen in Aktion setzt, die einen Generator zur Stromerzeugung antreiben.

Der Erfinder schätzt, daß er im Juni 5.000 – 7.000 kWh Strom pro Tag erwirtschaften wird, was ausreichen sollte um etwa 1.750 Wohnungen zu versorgen – für einen Prototyp eine beachtliche Leistung.

Mit einer anderen technologischen Lösung, um die mechanische Energie von Fahrzeugen anzuzapfen, tritt Ende 2008 die israelische Firma Innowattech auf den Plan. Hier werden die Schwingungen, die durch die Fahrzeuge auf Straßen, Schienen oder Landebahnen verursacht werden, von piezoelektrischen Generatoren aufgenommen. Das Unternehmen behauptet, daß 1 km Straße oder Landebahn in der Lage sei, 400 kW – 500 kW pro Stunde zu produzieren.

Anfang 2009 arbeitet das Unternehmen an einer Pilotanlage, die in einigen Monaten fertiggestellt und in Israel erprobt werden soll. Dabei sollen die ,Piezo Electric Generators’ (IPEG) auf einer Strecke von 100 m in die Straßenoberfläche eingebracht und getestet werden.

Außerdem würde man ein System entwickeln, das die mechanische Energie der herumlaufenden Passanten in der New Yorker U-Bahn und in gutbesuchten shopping malls in Strom umsetzt. Über solche Technologien habe ich bereits ausführlich im Kapitel Muskelkraft berichtet.

Zu den weiteren Unternehmen, die sich mit Stromgewinnungssystemen aus dem Straßenverkehr beschäftigen, gehört die New Energy Technologies Inc. in Burtonsville, Maryland, die 2009 an einem Prototyp arbeitet.

Carbon Zero Grafik

Carbon Zero (Grafik)

Im Oktober soll ihr ‚MotionPower system’ am Holiday Inn Express in Baltimore getestet werden, nachdem bereits ein Burger King drive-thru in Hillside, New Jersey, versuchsweise damit ausgestattet wurde. Dort fahren jährlich 150.000 Autos hindurch. Außerdem verkündet das Unternehmen Pläne zur Erweiterung seiner Produktpalette durch die Entwicklung eines neuen, hydraulisch angetriebenen Systems speziell für Lkw und Schwerfahrzeuge.

Letztendlich darf man bei all diesen System aber nicht vergessen, daß die derart ,gewonnene’ Energie tatsächlich aus den fossilen Brennstoffen der Fahrzeuge stammt, die ja erst für deren Bewegung sorgen.

Ein weiteres Design für diese Technologie stammt von dem Designer Jaeyong Park und wird im November 2009 in den Blogs unter dem Namen ,Carbon Zero’ vorgestellt. Hierbei handelt es sich um eine Art markierter Straßen-Pflastersteine, unter denen Schichten aus n-Typ Silizium und P-Typ Silizium (diese werden auch bei der Herstellung von Solarzellen verwendet) zusammenwirken, sobald sie dem Druck eines darüberfahrenden Autos ausgesetzt werden. Dabei wird ein Gleichstrom erzeugt, der anschließend in Wechselstrom umgewandelt wird, um elektrische Geräte in Häusern und Geschäften in Nähe der Straße zu versorgen.


Strömungen


Die Energie von Strömungen wird uns in aller Ausführlichkeit noch in den Kapiteln zur Wasser- und Windenergie begegnen. Die Umsetzungen erfolgen dort jedoch zumeist im Meterbereich, während es auf dem Sektor des Micro Energy Harvesting um wesentlich kleinere Dimensionen geht.

Schon 1999 zeigen der US-Wissenschaftler Ray Baughman und seine Kollegen, daß sich Nanoröhrchen wie Muskeln verhalten, wenn sie einem besonders ausgerichteten elektrischen Feld ausgesetzt werden. Es dauert jedoch nicht lange, bis auch eine umgekehrte Funktion entdeckt wird.

In Kanada wird im Oktober 2003 das Forschungsergebnis der Wissenschaftler Dr. Larry Kostiuk und Dr. Daniel Kwok von der University of Alberta veröffentlicht, welche eine elektrokinetische Batterie erfunden haben, die ausschließlich mit Wasser funktioniert – wobei die Umsetzung bzw. Energiewandlung nicht auf dem chemischen Wege, sondern nur mittels der Strömung des Wassers durch mikroskopische Kanäle im Nanoformat erfolgt. Das Phänomen hatte ein gewisser J. F. Osterle schon im Juni 1964 im Journal of Applied Mechanics beschrieben, ohne daß es danach jedoch zu einer entsprechenden Umsetzung gekommen wäre.

Versuchsaufbau einer elektrokinetischen Batterie

Elektrokinetische Batterie
(Versuchsaufbau)

Das nun vorgestellte Labormodell, das im Grunde auf einer manuell bedienten Einwegspritze beruht, mittels derer das Wasser durch ein 1 cm durchmessendes und 3 mm langes Glasröhrchen gepreßt wird, kann bereits eine LED zum Aufleuchten bringen. Die rund 10.000 Mikrokanäle des Glasröhrchens produzieren einen Output von 10 V und 1 mA. Die Markttauglichkeit soll noch vor Ende der Dekade erreicht werden.

Schon ein Jahr vor dem kanadischen Team beginnen am India Institute of Science (IISc) Prof. Ajay K. Sood und sein Student Shankar Ghosh mit Versuchen, den Durchfluß von Flüssigkeiten durch Kohlenstoff-Nanoröhrchen energetisch zu nutzen. Als sie ihre Ergebnisse dann im August 2004 erstmals veröffentlichen und nachweisen, daß der Durchfluß tatsächlich elektrische Energie produziert, blicken sie bereits auf eine Vielzahl von Experimenten mit flüssigen und gasförmigen Substanzen zurück, wobei der Strom aufgrund unterschiedlicher Effekte erzeugt wird.

Das Ganze bekommt schnell den Namen ‚Sood-Effekt’ vepaßt und bringt eine Reihe neuer Patente hervor. Großes Interesse besteht darin, mit einer entsprechenden technischen Umsetzung Herzschrittmacher betreiben zu können – alleine mittels der Blutströmung des betroffenen Patienten, das durch den Nanogenerator hindurchfließt. Neben Blut läßt sich der Durchflußgenerator auch mit salzigen Lösungen betreiben.

Das IISc-Team vergibt eine Exklusivlizenz an das US Start-Up Trident Metrologies, wo man sich damit beschäftigt, mittels der von Sood vorgeschlagenen Methode Prototypen und sogar marktfähige Gas-Durchflußsensoren zu entwickeln. Außerdem beantragt das Team weitere Patente für den Einsatz von Nanoröhrchen als Vibrationssensoren innerhalb von Flüssigkeiten sowie als Beschleunigungsmesser an festen Oberflächen, die beispielsweise die Erschütterungen bei Erdbeben aufzeichnen können.

Ein anderes Wissenschaftlerteam soll sich mit der Nutzung von Strömungen flüssiger oder gasförmiger Substanzen über ein Feld von sehr dünnen Glasnadeln beschäftigen, um damit Strom zu erzeugen. Leider habe ich bislang noch nicht herausgefunden, wo und wann diese Forschungen erfolgt sind.

Wissenschaftler von der Monash University in Australien arbeiten Anfang 2009 an ‚Mikrobot-Motoren’, die konzipiert sind um durch den Blutkreislauf des Menschen zu schwimmen. Der passende Name war schnell gefunden: ‚Proteus’ – nach dem Mini-U-Boot, das in dem SF-Film Fantastic Voyage 1966 eine Reise durch den menschlichen Körper macht.

Der nun vorgestellte kleine piezoelektrische Ultraschall-Resonanzmotor ist 250 Mikrometer (= ¼ mm) breit, was der zweieinhalbfachen Breite eines Haares entspricht. Die Mikro-Automaten sollen sich ihren Strom selbst aus der Fließenergie des Blutes beschaffen, während sie die Blutbahnen nutzen um Methoden der minimal-invasiven Chirurgie umzusetzen.

Der Mikro-Robot würde winzige Kameras und Sensor-Ausrüstungen mit sich führen und hätte auch Zugang zu sonst kaum erreichbaren Teilen des Körpers, wie beispielsweise zu einer von einem Schlaganfall geschädigten Arterie im Gehirn, die mittels Kathetern nicht behandelt werden kann.

Damit sich der Spermien-artige ‚Proteus’ fortbewegen kann, bringt ein Vibrationsmotor einen spiralförmigen Schwanz auf eine Umdrehungszahl von 1.295 U/min, der ähnlich wie bakterielle Flagellen als eine Art Propeller fungiert.

Wind-Helmet Grafik

Wind-Helmet (Grafik)

Weitaus größer sind demgegenüber Geräte, welche die Strömung des Fahrtwinds umsetzen. Über einige davon spreche ich noch ausführlich im Kapitel Windenergie (s.u. Neue Designs und Rotorformen). Mehr in den hier behandelten Bereich des Micro Energy Harvesting gehört dagegen das Konzept des Designers Wai Hoong Leng aus Malaysia, der unter dem Namen ‚Wind-Helmet’ einen Fahrradhelm mit eingebautem Windrad entwickelt hat, mit dem er sich im Februar 2009 an dem internationalen Corr77-Designwettbewerb beteiligt.

Diese Technologie ist im Grunde nicht neu, aber weitgehend unbekannt: kleine Windräder werden z.B. schon seit vielen Jahren in Flugzeugen eingesetzt, um mit der durch die Luftströmung anfallende Energie vitale Instrumente wie das Radar oder Teile der Hydraulik weiterarbeiten zu lassen, sollten Primärenergiesysteme ausfallen. Diese sogenannten Ram Air Turbines (RAT) fahren sich in solch einem Fall ganz automatisch aus, ‚fallen’ quasi in den Luftstrom. Durch die Geschwindigkeit des Flugzeugs ergeben sich durchaus beachtliche Energiemengen bis zu 70 kW. Beim größten Passagierjet der Welt, dem Airbus A380, besitzt das ausgeklappte RAT-Windrad einen Durchmesser von knapp 1,60 m – was im Grunde schon weit über die Dimensionen des Micro Energy Harvesting hinausgeht.

Anfang 2009 wollen Forscher am City College of New York (CCNY) diese Idee in deutlich kleinerem Maßstab nun auch im Automobilbau anwenden. Die Wissenschaftler um Prof. Yiannis Andreopoulos am Experimental Fluid Mechanics and Aerodynamics Laboratory entwickeln hierfür einen Energy Harvester, der an verschiedenen Stellen des Fahrzeugs eingesetzt werden kann, um Elektrizität aus dem Fahrtwind zu erzeugen. Dabei handelt sich um unter 3 cm große rundzylindrische Aufwölbungen, die sich überall am Fahrzeugrumpf oder an der Karosserie befestigen lassen. Durch die elastische Verformung dieser Aufsätze stellt sich ein piezoelektrischer Effekt ein.

Eine seitlich angebrachte rundzylindrische Form der Aufwölbung erweist sich sowohl während der Computersimulationen als auch im Windkanal als besonders gut geeignet, da der Zylinder hier in positive Schwingungen gerät, die den piezoelektrischen Effekt zusätzlich zur auftretenden Windverwirbelung als Hauptenergieträger noch weiter verstärken.

Gemeinsam mit Eugene Papp wird Ende 2009 auch ein Patent eingereicht, das die Umsetzung dieser Technologie in größerem Maßstab zum Inhalt hat. Dabei scheinen die Innovatoren auch Anleihen bei dem sogenannten Aufwindkraftwerk zu machen. Technische Details gibt es allerdings noch nicht, auch von einer tatsächlichen Umsetzung ist noch nichts bekannt.

Eine aus meiner Sicht geniale Umsetzung von Windströmungen bildet das Prinzip des Windbelt von Shawn Frayne, das ich ebenfalls im Kapitel Windenergie ausführlich darstelle (s.d.). Ich glaube, daß es sich bei dieser, bereits 2007 bekannt gewordenen, Methode um die einfachste, am leichtesten herstellbare und auch langlebigste Form aller bislang bekannten Technologien handelt, Strömungsenergie in Elektrizität umzuwandeln – mit einem Gummiband, einer winzigen Kupferspirale und zwei kleinen Magneten. Und schon die kleinsten Prototypen erreichten bei einer 16 km/h Brise einen Output von 40 mW, was bis zu 30 Mal besser ist als die kleinsten (rotierenden) Mikroturbinen.

Mini-Hydro-Turbine

Mini-Hydro-Turbine

Die Strömungen innerhalb von Leitungen – im vorliegenden Fall von Gasleitungen – zu nutzen, ist Inhalt einer im Januar 2009 erstmals publizierten Methode der britischen Firma 2OC. Das Unternehmen hat den Plan, den Druck aus dem Erdgasnetz, der vor der Verteilung des Gases an die Endabnehmer wieder reduziert werden muß, energetisch zurückzugewinnen. Bis 2010 möchte man im Osten Londons dadurch bis zu 20 MW Leistung generieren. Insgesamt wird im Vereinigten Königreich von einem entsprechenden Potential von bis zu 1 GW Strom ausgegangen. Die energetische Umsetzung des Erdgas-Druckabbaus würde mittels 20 cm große ‚Turbo-Expandern’ auf den Rohrleitungen erfolgen.

Da Flüssigkeiten bekanntermaßen eine weit höhere Dichte als Gase haben, werden inzwischen auch Systeme zur Nutzung der Strömung z.B. in Wasserleitungen entwickelt. Im Januar 2009 präsentiert der Designer Jin Woohan auf der Greener Conference in New York beispielsweise eine Mini-Hydro-Turbine, die durch den Wasserdruck aus der Leitung angetrieben Elektrizität erzeugt und als Lader für kleine Elektrogeräte dienen soll.

Immerhin gehen in Deutschland pro Person beim Duschen täglich 20 - 40 l Wasser durch den Abfluß, für die Toilette werden noch einmal 40 l und für die sonstige Körperpflege 5 - 15 l veranschlagt. Rechnet man weitere Verbraucher wie Wasch- oder Spülmaschinen hinzu, das Wässern von Balkon- oder Gartenpflanzen usw., kommen über den Monat hinweg signifikante Mengen an Wasser – und damit an potentiell nutzbarere Energie zusammen.

ECOLight

Das ‚Shawapawa’ wiederum ist eine Wasser-angetriebenes, batteriefreies Radio für die Dusche, mit dem sich der britische Designer Arthur Schmitt beim Core77 Wettbewerb im Februar 2009 bewirbt.

Hierzu reicht es aus, das Gerät zwischen dem Wasserhahn und dem Brauseschlauch zu installieren. Das Wasser bringt eine kleine Turbine zum drehen, was ausreichend Energie erzeugt um das Radio betreiben.

Um das Sparen von Wasser zu fördern, kann der Benutzer dessen Fluß mit dem leichten Antippen einer Taste stoppen, z.B. während des Einseifens. Sollten beim Duschen über 30 l Wasser verbraucht werde, beginnt ein Warn-LED zu blinken.

Ein Duschkopf mit eigebauten LED-Licht wird im April 2009 in den Blogs vorgestellt. Das ‚ECOLight’ von Osram-Silvanya beleuchtet jeden Duschgang – ohne hierfür Batterien zu benötigen, da es sich dank einer kleinen Wasserturbine selbst mit Strom versorgt. Als zusätzliches Feature färbt sich das ECOLight rot, wenn die Wassertemperatur auf über 41°C steigt. Das Gerät kostet 40 $.


Triboelektrizität


Siehe unter Elektrostatik.

 


Verdunstungsgenerator


Über den 2006 präsentierten Verdunstungsgenerator von Prof. Michel Maharbiz von der University of Michigan berichte ich ausführlich im Kapitel zur Wasserenergie (s.d.). Es geht dabei um die Nutzung der Mikrokanäle, mit denen Pflanzen Wasser transportieren, bzw. der Umsetzung ihres Prinzips in eine technische Anwendung. Auf den Fotos ist die Verdunstungs-induzierte Bewegung des Mikro-Aktors gut zu sehen, die sich als mechanische Bewegung wiederum in elektrische Energie wandeln läßt.

Im August 2009 berichtet die Presse wieder über die Arbeiten von Maharbiz, nachdem es dem Team an der UC Berkeley gelungen ist, eine Art ‚künstliches’ Pflanzenblatt aus Glas herzustellen, das mittels der Verdunstung einen konstanten Energiefluß abgeben kann. Die Blätter sind aus Glas-Wafern hergestellt und besitzen eine Reihe kleiner, mit Wasser gefüllter Kanäle. Die Flüssigkeit fließt durch die Kanäle, bis sie den Rand des Blattes erreicht wo sie verdunstet.

Glas-Blatt Konzept Grafik

Glas-Blatt Konzept (Grafik)

Die eigentliche Stromerzeugung erfolgt in zentral gelegenen Blattstiel, der mit Metallflächen ausgekleidet ist, die an einen Stromkreis angeschlossen sind. Die durch eine Wasserschicht getrennten, geladenen Metallplatten stellen im Grunde einen Kondensator dar.

Da das Wasser, das mit einer Geschwindigkeit von 1,5 cm pro Sekunde durch das Blatt fließt, in regelmäßigen Abständen durch kleine Luftblasen unterbrochen wird, und weil Luft und Wasser unterschiedliche elektrische Eigenschaften haben, wird jedes Mal wenn eine Luftblase zwischen den Platten hindurchstreicht, ein elektrischer Strom erzeugt, der dann geerntet und zur Stromversorgung von Geräten, Wohnungen oder anderen Energieverbrauchern verwendet werden kann.

Jede Blase produziert von 2 bis 5 Mikrovolt, während die Leistungsdichte des gesamten Gerätes 2 Mikrowatt pro Kubikzentimeter beträgt. Maharbiz ist der Auffassung, daß durch eine weitere Optimierung eine Leistungsdichte von mehreren Hundert Mikrowatt pro Kubikzentimeter erreicht werden kann.


Vibration


Zur Umwandlung von Vibrationen und Erschütterungen in elektrischen Strom gib es drei grundlegende Techniken: den Elektromagnetismus, die Piezoelektrizität und die Elektrostatik. Die beiden letzteren Techniken wurden oben bereits beschrieben. Elektromagnetische Systeme, die mit größeren mechanischen Schwingungen betrieben werde, habe ich im Kapitel Muskelkraft vorgestellt.

Als Spin-off der Southampton University wird 2004 das Unternehmen Perpetuum Ltd. gegründet, das sich schon bald als das weltweit führende Unternehmen für das Ernten von Vibrationsenergie bezeichnet. Ab 2006 werden die Mikrogeneratoren in drei Größen und verschiedenen Versionen angeboten. Der speziell für den Einsatz in Hubschraubern entwickelte PMG 27 beispielsweise wiegt 400 g, hat die Maße 53 x 53 mm und liefert 7,5 V/2 mW.

Ähnliche elektromechanische Sensoren, die ihre Energie aus den Vibrationen einer Maschine gewinnen, werden direkt am Gehäuse dieser Maschine befestigt und schlagen über Funk Alarm, wenn diese nicht rund läuft.

Im Mai 2005 stellt das Centre for Energy & Greenhouse Technologies im australischen Churchill, Victoria, unter dem Namen Kinetic Energy Cell (KEC) eine Technologie vor, mit der jegliche Form von Vibration in Elektrizität umgewandelt werden kann. Entwickelt wird diese in Zusammenarbeit mit dem Research Centre for Microtechnology in Melbourne. Zu diesem Zeitpunkt hat die KEC die Größe einer 9 V Batterie – Ziel ist es, auf die Größe einer AA-Batterie zu kommen.

Im Kern besteht das System aus einer Reihe sehr kleiner Spulen und einigen Magneten. Technisch ist eine Anpassung der nur 7 Bauelemente an unterschiedliche Frequenzen möglich, womit sich ein sehr breites Einsatzfeld auftut, angefangen von der Lauffrequenz von Fußgängern bis hin zu Vibrationsfrequenzen des Straßenverkehrs, von Brücken oder sogar von Gebäuden. Als Speichermedium zur Kulminierung der vielen kleinen Energieimpulse bieten sich Superkondensatoren an.

Das Unternehmen arbeitet auch an einem LED-Licht mit eigenem Mikrogenerator. Die Umwandlung der Vibrationen vorbeifahrender Züge, Lastwagen usw. erlaubt eine dauerhaft nutzbare Lichtquelle, ohne daß hierfür Kabel verlegt werden müßten.

Ende 2005 stellt ein gewisser Timothy Mijal das Konzept eines Reifens vor, der mit einer Reihe von Spulen und Neodym-Magneten ausgestattet ist, welche die beim Fahren entstehenden Vibrationen in Strom umwandeln. Sie sollen einen Beitrag zum Nachladen von Elektromobilen während der Fahrt leisten.

Im Mai 2006 erfährt die Öffentlichkeit aus einem Bericht der BBC, daß es seit rund 10 Jahren militärisch motivierte Bemühungen gibt, die Vibrationsenergie marschierender Soldaten in Strom umzuwandeln, um die zunehmende Last an Batterien zu reduzieren, mit der sich die Kämpfer abplagen müssen (sie dürfen nicht einmal die leeren wegwerfen, da diese dem ‚Feind’ ja bei der Spurensuche helfen würden...). Neben Funkgeräten müssen schließlich Nachtsichtgeräte, GPS-Empfänger, diverse drahtlose Sensoren, Zielgeräte, Mobiltelephone, Laptops und anderes mehr mit Strom versorgt werden. Forschungen auf diesem Sektor bilden in den USA daher einen der Schwerpunkte der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).

An der Southampton University wird im Juli 2007 ein weiterer Vibrationsgenerator vorgestellt, der in Zukunft Herzschrittmacher mit Strom versorgen soll. Der ab Januar 2004 und eigentlich für den Einsatz innerhalb von Luftkompressoren entwickelte Generator ist kleiner als ein Kubikzentimeter. Sein Erschaffer Dr. Steve Beeby behauptet, daß er außerdem 10 Mal effizienter sei als alle bislang bekannten Modelle.

Vibrationsgenerator von Beeby

Vibrationsgenerator von Beeby

Der Generator nutzt die in der Umwelt vorhandenen Vibrationen, um Magnete, die auf einem Träger im Zentrum des Gerätes liegen, in Schwingung zu versetzten und Strom im Mikrowattmaßstab zu erzeugen. In einem Herzschrittmacher ist der menschliche Herzschlag stark genug, um die Magneten im Gerät in Schwingung zu halten.

Gefördert wird die Entwicklung durch die EU – im Rahmen des mit 4,13 Mio. € ausgestatteten Projektes ,Vibration Energy Scavenging’ (Vibes), an dem sich folgende Partner beteiligt haben: Tima – Techniques of Informatics and MicroElectronics for Computer Architecture (Frankreich), 01dB-Metravib (Frankreich), Phillips Applied Technologies (Belgien), MEMSCAP (Frankreich), Femto-st, Dept. LPMO – Laboratory of Physics and the measurement of oscillator (Frankreich), Phillips Research, Eindhoven (Niederlande), EPFL – Federal Polytechnical School of Lausanne, Laboratoire de Céramique (Schweiz).

Ein wichtiges Einsatzgebiet von Vibrationsgeneratoren ist die Stromversorgung von Sensoren an Straßen- und Eisenbahnbrücken, um eine kontinuierliche Überwachung des Tragwerks und der Festigkeit dieser Konstruktionen zu gewährleisten, denn die Zusammenbrüche von Brücken erfolgen nicht vorhersehbar und plötzlich, und oftmals resultieren daraus Todesfälle.

Die Federal Highway Administration veröffentlicht 2006 eine Analyse, der zufolge 25,8 % der USA-weit bestehenden 596.842 Brücken Strukturdefizite aufweisen bzw. nicht mehr verkehrssicher sind. Da viele dieser Brücken jedoch noch für Jahre in Gebrauch sein werden ist ihre ständige Überwachung dringend geboten. Diese erfolgt bislang nur turnusmäßig und rein visuell (!). Konventionelle, mit Batterien betriebene Sensoren, von denen pro Brücke stets mehrere, und z.T. an nur schwer zugänglichen Positionen, eingesetzt werden müßten, würden den kontinuierlichen Austausch von Millionen Batterien erforderlich machen. Für die betroffenen Verwaltungen und Ämter ein Ding der Unmöglichkeit.

In Deutschland ist die Situation noch schlimmer. Eine Studie der Bundesanstalt für Straßenwesen von 2009 kommt zu alarmierenden Ergebnissen: Zwischen 2001 und 2007 ist der Anteil der Bücken mit Schäden von 38,7 % auf 46,1 % gestiegen. Auch fast jede zweite deutsche Autobahnbrücke weist ernstzunehmende Mängel auf. Bei einer Vielzahl der Spannbetonbrücken, die vor 1979 gebaut wurden, sei mangelhafter Stahl zum Einsatz gekommen, sodaß diese theoretisch zusammenbrechen können, ohne daß man zuvor etwas sehen kann.

An der Clarkson University in Potsdam, New York, wird daher eine Technologie entwickelt, mit der die Vibration des Straßenverkehrs zur Versorgung von drahtlosen Kontrollsensoren an diesen Brücken genutzt werden kann. Im Oktober 2007 präsentieren Prof. Pragasen Pillay und Prof. Edward S. Sazonov ein vollständig verkapseltes System, das für eine Lebensdauer von mehreren Dekaden ausgelegt ist. Aufgrund ihrer Präsentation im Januar 2007 beim Transportation Research Board in Washington, D.C., hatten die Forscher Fördermittel erhalten, um ihre Entwicklung fortzuführen.

Ein weiteres Einsatzfeld der Vibrations-Energiewandler bilden die diversen Sensoren in Kraftfahrzeugen, die dann autonom agieren und ohne Verdrahtung auskommen können. Wesentliches Element dabei sind die ‚AmbioMote24 Funksensor-Plattformen’ der 2006 gegründeten und ebenfalls in Potsdam, New York, ansässigen Firma AmbioSystem LLC, die für 200 $ angeboten werden. Das Unternehmen verkauft auch piezoelektrische ,energy harvester’ für 99 $.

M2E Prototypen

M2E Prototypen

Über das Biomechanik-Start-Up M2E Power aus Boise, Idaho, habe ich bereits im vorangegangenen Kapitel Muskelkraft berichtet. Die Ende 2007 vorgestellten Schüttel-Mikrogeneratoren sind insbesondere für den Militärmarkt entwickelt worden, wo sie den Einsatz von Batterien reduzieren sollen. Aus diesem Grund werden die Prototypen entsprechend den üblichen Batterieformen und -größen gestaltet.

Olfa Kanoun, Professorin für Meß- und Sensortechnik an der Technischen Universität Chemnitz, arbeitet wiederum an einem Generator, der die beim Sprechen und Kauen erzeugten Vibrationen des Wangenknochens in Strom umwandelt, um damit Knopfzellen in Hörgeräten nachzuladen. Ihren Berechnungen nach läßt sich die Lebensdauer einer Batterie allein durch Kau- und Sprech-Energie um ein Zehntel verlängern. Da ein herkömmliches Hörgerät pro Jahr etwa 60 Batterien verbraucht, brächte der ‚Kaugenerator’ eine Ersparnis von etwa 6 Stück. Das wäre immerhin ein guter Anfang, denn der weltweite Batterieverbrauch steigt ständig, während mehr als die Hälfte der Batterien nicht fachgerecht entsorgt werden. Noch existiert der Energiewandler nur theoretisch, da für eine praktische Umsetzung noch nach Partnern und Herstellern aus dem medizinischen Fachbereich gesucht wird.

Auf einer Fachveranstaltung im November 2008 in Essen präsentiert Frau Kanoun die Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen die unternommen werden, um das beträchtliche Anwendungspotential energieautarker Systeme zu erschließen, die drahtlos kommunizieren und Energie aus ihrer unmittelbaren Umgebung beziehen können.

Der Schweizer Uhrenmacher Ulysee Nardin entwickelt in Zusammenarbeit mit der Europäischen Gesellschaft SCI Innovationen das weltweit erste mechanische Mobiltelefon, dessen Stromversorgung auf einem mechanischen Rotor basiert, mit dem bislang automatische Uhren angetrieben werden. Bei der ersten Vorstellung im März 2009 gibt es noch nicht viele Details zu erfahren, bekannt wird nur, daß der ,Chairman’ einen integrierten Akku enthält, der die kinetische Energie des Rotors speichert. in seiner Gestaltung integriert das Gerät diesen Rotor so, daß er an der Rückseite des Telefons gut sichtbar ist. Über ein Erscheinungsdatum oder einen Preis verlautete bislang noch nichts, vermutlich wird es jedoch nur eine begrenzte Auflage (zu überteuerten Preisen) geben.

Ein ähnliches Konzept bietet auch das ‚Atlas’-Handy aus Aluminium und Glas, dessen Energieversorgung ebenfalls über kinetische Energie erfolgen soll, wie bei Armbanduhren, die man nicht aufziehen muß. Dieses Design erscheint übrigens schon ein Jahr vor der Nardin-Entwicklung in den Blogs.

Im April 2009 präsentiert Kyocera das Konzept eines zukünftigen zusammenklappbaren Handys, das mit kinetischer Energie betrieben wird. Das von der Industriedesignerin Susan McKinney entworfene ,EOS’-Handy besteht aus einer nachgiebigen, halbsteifen Polymer-Hülle, die das flexible OLED-Display umgibt.

Seine Energie erhält das EOS durch menschliche Interaktion, d.h. je mehr es benutzt wird, desto mehr kinetische Energie wird freigesetzt, die in einem piezoelektrischen Generator von Nano-Größe in Strom umgewandelt wird und das Handy lädt. Genauere technische Details sind noch nicht bekannt.

Intrigue

Intrigue

Eine künstlerische Auseinandersetzung mit dem Thema Micro Energy Harvesting bilden die pilzartigen Strukturen, die der Künstler Peter Dalton im September 2009 unter dem etwas langen Titel ,Touch Powered By Intrigue Concept’ in einem stark frequentierten Fußgängerbereich aufstellt. Die durch Berührung entstehende Bewegung wird von einem piezokeramischen Kern in Strom umgesetzt, welcher die Leuchtfasern im Kopf des ‚Pilzes’ zum Strahlen bringt.

Ebenfalls im September 2009 wird in den Blogs die interessante Idee von Continuum vorgestellt, snowboards mit den langsam auf den Markt kommenden ‚E-Ink’-Displays zu laminieren. Diese könnten dann über ebenfalls eingebaute Sensoren die von Fahrer erwünschten Daten zur Geschwindigkeit, Himmelsrichtung, Höhe oder Zeit darstellen. Und wie anders als mit Piezogeneratoren, die auch in das Brett eingebaut sind, sollten die Displays mit Strom versorgt werden? Dabei reicht es, das Brett vor dem Losfahren ein paar Mal leicht zu biegen, der weitere Strom wird dann während der Fahrt erzeugt.

An der University of Houston wiederum wird erforscht, wie sich diese Effekte verstärken oder sogar auf andere Materialien übertragen lassen. 2009 wird z.B. festgestellt, daß sich die Piezoelektrizität von Bariumtitanat um 300 % gesteigert werden kann, wenn das Material in Form von 2 Nanometer dünnen Streifen unter Druck gesetzt wird.

Ein Team der Duke University veröffentlicht im Oktober 2009 die Ergebnisse seiner Versuche, durch den Einsatz von Magneten ein breiteres Spektrum von Vibrationsfrequenzen zu nutzen. Bei dem Gerät handelt es sich um einen kleinen Freischwinger aus piezoelektrischen Material, mehrere Zentimeter lang und einen halben Zentimeter breit, an dessen einem Ende ein Magnet befestigt ist, der mit anderen, fest installierten, Magneten interagiert. Durch die Veränderung der Entfernung des beweglichen Magneten ist es möglich, die Wechselwirkungen des Systems mit seiner Umgebung zu ‚stimmen’ und dadurch Elektrizität über ein breiteres Spektrum von Frequenzen zu erzeugen.


Wärme


Über die verschiedenen Effekte, die zwischen Temperatur, Elektrizität und/oder Elektromagnetismus wechselwirken, spreche ich ausführlich im Kapitel Wärmeenergie.

Im Zusammenhang mit dem Micro Energy Harvesting sollen hier die aktuellen Entwicklungen der vergangenen Jahre präsentiert werden, wobei es primär um die Ausnutzung sehr geringer Temperaturunterschiede geht.

Das bereits 1881 gegründete japanische Unternehmen Seiko stellt im Dezember 1998 eine neuartige Uhr vor, die ausschließlich durch die Körpertemperatur ihres Trägers betrieben wird. Die Energie für die Seiko Thermic entsteht aus der Temperaturdifferenz zur Umgebungsluft. Als Betriebstemperatur werden - 10°C bis + 60°C angegeben.

2006 erscheint in den Blogs das Konzept eines Ringes mit dem (vermutlich Wortspiel-inspirierten) schönen Namen ‚Remember Ring’, der seinen Energiespeicher ebenfalls durch die Körpertemperatur auflädt. Er ist mit einer Kalenderfunktion ausgestattet, die sich bemerkbar macht, indem sich der Ring 24 Stunden vor dem eingestellten Datum (Hochzeitstag!) jede Stunde für rund 10 Sekunden auf 50°C aufheizt. Allerdings hat der Spaß mit dieser ‚Hot Spot’-Technologie auch seinen Preis: 760 $. Und leider scheint sich dieses intelligente Konzept bislang noch nicht zu einem Produkt entwickelt zu haben.

Wesentlich höhere Temperaturen nutzt die Entwicklung einer US-Firma namens Eneco. Der fast mikroskopisch kleine Thermal Chip nutzt das Thermoionische Prinzip um Wärme in Strom umzuwandeln. Dieser entsteht durch Temperaturunterschiede zwischen einem warmen und einem kalten Metall, zwischen denen sich ein Vakuum befindet. Umgekehrt soll der Chip bei Anlegen einer Spannung eine Kühlleistung von bis zu – 200°C erzielen. Anstatt dem produktionstechnisch nur kompliziert erreichbaren Vakuum, nutzt Eneco eine Schicht aus einem speziellen thermoelektrischen Halbleitermaterial zwischen den zwei Wärmepolen, die wiederum von einer isolierenden Keramikschicht abgedeckt sind.

Thermoionic Energy Chip

Thermoionic Energy Chip

Die Betriebstemperatur des Chips, über den Ende 2006 erstmals berichtet wird, liegt zwischen 275°C und 600°C, sein Wirkungsgrad wird mit 20 % – 30 % angegeben (US-Patent 7.109.408). Siehe dazu auch die Beschreibung des Thermoionischen Generators im Kapitel Wärmeenergie. Auch wenn diese Systeme nur im Bereich hoher Temperaturen sinnvoll einzusetzen sind, so gibt es im Verkehrswesen und in der Industrie genügend entsprechende Einsatzfelder, in denen die direkte und verschleißfreie Umwandlung von Abwärme sinnvoll erscheint.

Eneco meldet Anfang 2008 allerdings Konkurs an, obwohl zwei unabhängige Überprüfungen durch das National Institute of Standards and Technology (NIST, zuvor: National Bureau of Standards) die technischen Angaben des Unternehmens bestätigt haben.

Auch am Heinz-Nixdorf-Institut an der Universität Paderborn arbeitet man 2008 an energieautarken Systemen. Neben den bekannten Piezokeramiken und elektromechanischen Generatoren werden hier ebenfalls thermoelektrische Elemente untersucht. In diesen werden in einem Halbleitermaterial durch den Temperaturunterschied zwischen einer kalten und einer warmen Seite Elektronen zum Fließen gebracht – ähnlich wie in einer Photovoltaik-Zelle durch Sonnenenergie. Die ersten thermoelektrischen Elemente wurden übrigens schon vor mehr als zwanzig Jahren in Satelliten eingesetzt, wo sie das extrem starke Temperaturgefälle zwischen deren sonnenbeschienener und deren dunkler Seite nutzten.

An der University of California in Santa Cruz beschäftigen sich Prof. Ali Shakouri und seine Quantum Electronic Group seit 2005 mit der thermoionischen Energiewandlung. Das Team arbeitet daran, auch bei niedrigeren Temperaturen eine hohe Effizienz zu erreichen. Außerdem will man Herstellungstechniken sowohl für skalierbare Lösung im Watt- bis MW-Bereich, als auch für leichte, leise und kostengünstige Dünnschicht-Geräte entwickeln.

Anfang 2005 bestimmt das Department of Energy (DOE) die Amerigon-Tochterfirma BSST in Irwindale, Kalifornien, um die Entwicklung von effizienten und praktikablen thermoelektrischen Systemen weiter voranzutreiben. BSST steht dabei einer Gruppe hochkarätiger Unternehmen und Institute vor, die sich gemeinsam an den Forschungsarbeiten beteiligen: Visteon Corporation, Teledyne Energy Systems, BMW Nordamerika, UC Santa Cruz, Purdue, das National Renewable Energy Laboratory (NREL) der DOE sowie das JPL/CalTech.

Das Ziel ist es, mittels thermoelektrischer Stromgeneratoren die Wirtschaftlichkeit des Brennstoffverbrauchs von Kraftfahrzeugen um 10 % anzuheben. Die zweite der insgesamt vier Entwicklungsphasen, für die ein Gesamtetat von 4,7 Mio. $ bereitstehen, endet im Januar 2007. BSST arbeitet außerdem an Projekten des US-Verteidigungsministeriums und des DOE mit, bei dem thermoelektrische Komponenten mit einer SOFC-Brennstoffzelle kombiniert werden, um bei der Stromproduktion auf einen Wirkungsgrad von 60 % zu kommen.

Die bausteinartig zusammensetzbaren Versuchselemente des Unternehmens bestehen aus Kupferprofilen, zwischen denen sich die thermoelektrischen Elemente befinden. Die Wärmezufuhr erfolgt durch die Bohrungen in den hexagonalen Schienen, während die flachen Seiten an den Kältepolen von Wärmetauschern montiert sind. Der erzeugte Strom wird direkt von den Kupferschienen abgenommen.

Die Mutterfirma Amerigon mit Hauptsitz in Northville, Michigan, verkauft bereits mehr als 1,2 Mio. thermoelektrische Luft-zu-Luft Geräte pro Jahr, mit denen in vielen Fahrzeugen die Sitze gekühlt bzw. erwärmt werden.

Weitere Projekte bestehen an der Clarkson University, wo gemeinsam mit dem Unternehmen Hi-Z aus San Diego ein Prototyp in einen GM Sierra eingebaut wird, was eine Brennstoffersparnis von 2 % erbringt, sowie bei dem US-Unternehmen Caterpillar, wo man von einer erreichbaren Einsparung von bis zu 13 % ausgeht.

Im Februar 2007 meldet der Forscher Arun Majumdar von der University of California in Berkeley einen Erfolg bei der Direktumwandlung von Wärme in Strom, in dem organische Moleküle wie Benzenedithiol,  Dibezenedithiol oder Tribenzenedithiol zwischen metallischen Nanopartikeln aus Gold plaziert und damit ein organisches thermoelektrisches Material hergestellt wird. Diese Technik gilt als erstmalige Umsetzung des Seebeck-Effekts bei organischen Molekülen und eröffnet die Möglichkeit völlig neuartiger Kühlgeräte und Energiewandler.

Im Rahmen einer maximalen Temperaturdifferenz von 30°C erzielen die Wissenschaftler für jedes Grad Temperaturunterschied bei Benzenedithiol 8,7 µV, bei Dibezenedithiol 12,9 µV und bei Tribenzenedithiol 14,2 µV. Auch diese Forschungen werden vom DOE gefördert, von der National Science Foundation und vom Berkeley-ITRI Research Center, einem Kooperationsprojekt im Bereich der Nano-Energie zwischen der Universität Berkeley und dem Industrial Technology Research Institute in Taiwan.

Besonderes Interesse besteht daran, die menschliche Körperwärme als Energiequelle zu nutzen. Entsprechende thermoelektrische Generatoren (TEG) aus Halbleiterelementen werden 2007 auch von Forschern des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen in Erlangen entwickelt – gemeinsam mit Kollegen von den Fraunhofer-Instituten für Physikalische Meßtechnik IPM und für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM.

TEG des Fraunhofer-Instituts

TEG des Fraunhofer-Instituts

Bislang erreichen die Geräte aufgrund der relativ geringen Temperaturdifferenz zwischen der Körperwärme und der Umgebungstemperatur erst etwa 200 mV. Ziel ist es jedoch, mindestens 1 – 2 V zu erzielen, um elektronische Geräte versorgen zu können. Hierfür wird eine sogenannte ‚Ladungspumpe’ entwickelt, welche die geernteten Millivolt so lange speichert, bis ein Output von 1,8 V erreicht wird.

Gleichzeitig werden jedoch auch Schaltungen entwickelt, die mit 50 – 200 mV auskommen. Die Wissenschaftler glauben, daß durch weitere Verbesserungen der Schaltsysteme in Zukunft ein Temperaturunterschied von nur 0,5°C für die Stromerzeugung ausreichend sein wird.

Weitere Unternehmen und Institute beschäftigen sich mit dem Micro Energy Harvesting aus Umgebungswärme. In Princeton, New Jersey, arbeitet z.B. die Firma Syrdec an einem Verbundwerkstoff, der als Kern einer passiven Brennstoffzelle aus normaler Raumtemperatur von 23°C genügend Strom erzeugen kann, um elektronische Geräte zu versorgen. Und die bereits oben erwähnte französische CEA entwickelt den Prototypen eines thermoelektrischen Generators, der pro Quadratzentimeter einen Output von 4 µW pro Grad Temperaturunterschied erwirtschaftet.

An der University of Utah stellen Orest Symko und sein Team Mitte 2007 eine Methode vor, mit der Wärme zuerst in Schallwellen, und diese anschließend in Elektrizität umgewandelt werden. Letzterer Schritt ist eine seit Jahrzehnten bekannte Methode, bei der sogenannte akustische Wärmemotoren (acoustic heat engines o. thermoacoustic prime movers) zum Einsatz kommen.

Diese Thermokaustik geht auf die Mitte des 19. Jh. zurück und ist mit Namen wie Lord Ralyleigh oder dem niederländischen Physiker P. L. Rijke verknüpft, dessen ,Rijke-Rohr’ dazu genutzt werden kann, um Wärme in Töne umzuwandeln.

Kernelement des Generators ist ein Zylinder, der Luft und ein Material mit großer Oberfläche enthält, z.B. Glasfasern oder Stahlwolle, welche zwischen zwei Wärmetauschern plaziert werden. Wird dem System nun von einer Seite Wärme zugeführt bis ein bestimmter Grenzwert erreicht ist, beginnt die Luft im Innern zu vibrieren und erzeugt einen einfrequenten Ton wie eine Flöte. Dabei wirkt der Zylinder ähnlich wie der Resonanzkörper einer Geige und verstärkt eine bestimmte Tonhöhe. Hierdurch gelingt es, Hitze in einen Ton, also die chaotische Bewegung der Luftmoleküle in regelmäßig schwingende Luftteilchen zu verwandeln, die ihrerseits eine piezoelektrische Elektrode in Schwingung versetzen, welche wiederum den elektrischen Strom erzeugt.

Die nach zweijähriger Forschung von Symko vorgestellten optimierten und miniaturisierten Generatoren (11 – 18 cm lang) erreichen bereits einen Wirkungsgrad von 40 % und können hocheffiziente Kraftwerke, Autos oder sogar eine neue Generation von Solarzellen möglich machen. Die Zylinder lassen sich so klein bauen, daß sie für Menschen unhörbaren Ultraschall erzeugen. Ein derartiger Generator könnte dann auch in Laptops eingebaut werden, deren Abwärme dann nicht länger den Schoß des Laptopnutzers erhitzt... sondern den Akku des Computers auflädt.

Außerdem hat die Gruppe den bislang kleinsten akustischen Wärmemotor von nur 1,8 mm Länge hergestellt, der zu Clustern zusammengesetzt pro Kubikzentimeter 1 W erzeugt. Die Serienreife soll Mitte 2009 erreicht werden. Das Forschungsvorhaben wird maßgeblich von der US-Army finanziert.

Das Los Alamos National Laboratory und die Firma Northrop Grumman Space Technology stellen schon im August 2004 einen kompakten, einfachen und langlebigen Wärmewandler mit einem Wirkungsgrad von 14 % vor, der insbesondere für den Einsatz in der Raumfahrt gedacht ist. Wichtigstes Systemelement ist eine kleine Version des thermoakustischen Stirlingmotors, der um 1999 in Los Alamos entwickelt wurde. Dieser besitzt im Gegensatz zu den sonstigen Stirlings keinerlei beweglichen Teile mehr, die Umwandlung von Wärme und Schallwellen erfolgt ausschließlich durch einen Kreislaus aus komprimiertem Helium zwischen Wärmetauschern, wobei die Bewegung des Gases den Ton erzeugt.

Im Generator treibt der Schall anschließend einen Kolben an, der eine Kupferdrahtspule innerhalb eines magnetischen Feldes bewegt und den Strom erzeugt. Die bislang in der Raumfahrt genutzten thermoelektrischen Energiewandler erreichen Wirkungsgrade um 7 % und liefern pro Kg Masse 5,2 W, während der neue thermoakustische Stirlingmotor sogar bis zu 8,1 W/Kg produzieren kann. Ein raumtaugliches Modell soll innerhalb von 2 – 5 Jahren bereitstehen.

Die ebenfalls seit 1999 laufende Entwicklungsarbeit des Los Alamos National Laboratory und der in Connecticut beheimateten Firma Praxair wird 2003 mit dem New Horizons Idea Award des World Oil Magazine ausgezeichnet – da sie neben einem thermoakustischen Kühlschrank auch eine kostengünstige Methode zur Verflüssigung von Erdgas mittels thermoakustischer Systeme zum Inhalt hat. Dies nur als Hinweis darauf, was man mit dieser Technologie noch sonst so alles machen kann...

1999 beginnt auch der ex-Drummer Dr. Steven Garrett an der Pennsylvania State University damit, mit der Thermoakustik zu experimentieren. Ab 2002 entwickelt er – gesponsort von dem umweltbewußten Speiseeis-Hersteller Ben & Jerry und dessen Mutterkonzern Unilever – verschiedene Prototypen von Kühlgeräten, die ausschließlich mittels eines 100 Hz / 190 db Resonators betrieben werden und außer Helium keine anderen Chemikalien oder Gase benötigen. Der nach außen dringende Schall liegt dabei unterhalb von 60 db.

Insbesondere für den Einsatz in ländlichen Gebieten Afrikas und Asiens wird das thermoakustische Prinzip im Rahmen des im Februar 2007 gestarteten multinationalen Projektes SCORE (Stove for cooking, refrigeration und electriciy) umgesetzt, das hierfür mit einer Summe von 2 Mio. britischen Pfund ausgestattet ist. Dabei geht es um die Entwicklung eines holzbefeuerten Generators, der außer zum Kochen auch zum Kühlen von Nahrung geeignet ist. Immerhin nutzen noch heute rund 2 Milliarden Menschen offene Feuer, bei dem etwa 93 % der entstehenden Hitze ungenutzt bleibt!

Beim SCORE-Ofen wird die Wärme nicht nur zum Kochen verwendet, sondern auch zu einem Rijke-Rohr geleitet, das sie in einen Ton umwandelt. Dessen Transformation in Elektrizität bewerkstelligen jedoch keine piezoelektrischen Elemente, sondern ein linearer Alternator, der ähnlich wie die im Kapitel Muskelkraft beschriebenen M2E-Geräte funktioniert. Durch die Schallwellen wird ein Magnet innerhalb einer Spule hin und her bewegt und so ein Strom induziert.

Demonstrationsmodell von SCORE

SCORE
Demonstrationsmodell

Die Zielvorgaben für den 3.-Welt-Generator lauten: Gewicht 10 – 20 kg, Verbrauch 2 Holzscheite/h, Leistung 1,6 kW thermisch und 100 W elektrisch (über Pufferbatterie), Preis rund 30 €.

SCORE beabsichtigt, lokale Kräfte auszubilden, um die Herstellung der meisten Komponenten in Werkstätten vor Ort durchzuführen. Die Großproduktion soll ab 2012 beginnen – ins Auge gefaßt sind 1 Mio. Stück pro Jahr. Bis dahin wird auch untersucht, ob Versionen für Brennstoffe wie Dung oder Gas sinnvoll sind.

Grundlegend für die SCORE-Entwicklung sind die thermoakustischen Stirlingmotoren und Kühlgeräte, die im Laufe der vergangenen Jahre am Los Alamos Forschungsinstitut, von der NASA und vom US-Militär entwickelt worden sind. Im Juni 2008 erhält das SCORE-Konsortium sein erstes Patent (Nr. 0811686.5) über ein einfaches und preisgünstiges Herstellungsverfahren mit teilweise sehr dünnen und leichten Materialien. Anfang 2010 sollen in Nepal Feldversuche mit dem SCORE-Konzept beginnen.

Im August 2007 gibt die Firma Industrial Nanotech Inc. aus Naples, Florida, bekannt, daß man seit drei Jahren an einer Isolationsschicht arbeitet, die – z.B. in Häuserwänden eingelassen – die Temperaturdifferenz zwischen Innen und Außen nutzt, um Strom zu produzieren. Nun sollen erste Prototypen hergestellt und Patente beantragt werden.

Anfang 2008 stellt der ehemalige NASA-Wissenschaftler Lonnie Johnson in seinem in Atlanta, Georgia, neugegründeten Unternehmen Johnson ElectroMechanical Systems Inc. sein ‚Johnson Thermoelectric Energy Conversion System’ (JTEC) vor, das beispielsweise Solarwärme mit einem Wirkungsgrad von bis zu 60 % umwandeln soll. Bei dem auch ‚Johnson Ambient Heat Engine’ (JAHE) genannten Gerät wird der wärmeinduzierte Luftdruck dazu genutzt, Ionen durch eine Membran zu pressen, anstatt einen Kolben oder ein Rad zu bewegen. Das System soll schon bei den üblichen Temperaturschwankungen der Umwelt zufriedenstellend funktionieren.

Thermoelektrische Module nach dem Seebeck-Effekt bestehen bislang aus dem teuren Halbleiter Wismuttellurid und weisen Wirkungsgrade von 3 % – 8 % auf. Daß auch das viel günstigere Silizium als Stromgenerator geeignet ist, wenn es in die Form von Nanodrähten gebracht wird, berichten Anfang 2008 Wissenschaftler der University of California in Berkeley. Dabei handelt es sich um Strukturen mit Durchmessern zwischen 20 und 300 nm, die den ansonsten recht dürftigen thermoelektrischen Effekt von Silizium etwa um das 100fache steigern können. Ähnliche Ergebnisse werden auch am California Institute of Technology in Pasadena erzielt, wo man besonders dünne und kantige Si-Nanodrähte mit bis zu 20 nm Durchmesser auf einer isolierenden Siliziumdioxid-Unterlage fixiert. Die Nanodrähte werden dabei fast so effizient wie Wismuttellurid. Mitbeteiligt an den Forschungen ist auch hier das DOE.

Power Bolt Thermogenerator

Power-Bolt Thermogenerator

Im März 2008 stellt die Freiburger Micropelt GmbH den Prototypen eines TE-Power-Bolt Thermogenerators in Form einer Schraube vor, der Batterien in Drahtlos-Sensoren ersetzen soll. Mit der M24-Stahlschraube, in die ein Thermogenerator eingebaut ist, kann Energie für Milliwatt-Verbraucher von Oberflächen und Strukturen ab 10°C – 20°C über Umgebungstemperatur abgenommen werden. Ab etwa 10°C Temperaturunterschied zur Umgebungsluft liefert der integrierte Gleichstromwandler zwischen 0,2 und 15 mW. Die Spannung kann dabei konstant zwischen 1,2 und 5 V eingestellt werden.

Das Interuniversitair Micro-elektronica Centrum vzw (IMEC) im belgischen Leuven präsentiert gemeinsam mit dem Holst Centre im April 2008 ein batterieloses, tragbares 2-Kanal EEG, das einem Kopfhörer ähnelt und von einem hybriden Energiesystem versorgt wird, das sowohl über einen thermoelektrischen Generator die Körperwärme als auch mittels Photozellen das Umgebungslicht nutzt, um Gehirnwellen aufzuzeichnen. Die damit in Innenräumen geernteten 1 mW reichen für den Betrieb völlig aus.

Ebenfalls im April 2008 meldet die Presse aus dem UAB Research Park die Herstellung des weltweit ersten Nanomotors, der rein durch Temperaturunterschiede angetrieben wird. Beteiligt daran sind Forscher des CIN2 (Nanoscience and Nanotechnology Research Centre, CSIC-ICN), des CNM (National Microelectronics Centre, CSIC), des ICMAB (Institute of Material Science, CSIC), des UAB Department of Electronic Engineering, der Universität Wien und des EPFL in Lausanne, Schweiz.

Der ‚Nanotransporter’ besteht aus einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Achse und einem weiteren, kürzeren konzentrischen Nanoröhrchen, das sich mit ‚Fracht’ wie Metallen beladen hin und her - oder als Rotor bewegen läßt, indem an die beiden Enden des längeren Röhrchens unterschiedliche Temperaturen angelegt werden. Dabei bewegt sich das kürzere Röhrchen von der wärmeren zur kälteren Seite, ähnlich wie bei der normalen Wärmekonvektion.

Prof. Avigdor Schertz vom Weizmann Institute in Israel und Roie Yerushalmi, der im kalifornischen Berkeley forscht, gründen 2005 die Firma Salio, mit Sitz in New Jersey, um ihre ‚molekulare Feder’ zu vermarkten. Diese Feder, die in der Forschungsabteilung in Ness Ziona entwickelt wurde, ist in der Lage äußere Energie in Form von Wärme, Licht oder sich verändernden Ph-Werten in kinetische Energie zu verwandeln. Obwohl die Technik nach eigener Aussage noch sehr kompliziert sei, geht Salio ab 2008 auf die Suche nach Kapital um das System weiterzuentwickeln, das in Sensoren und Detektoren installiert die ersten Tests bereits erfolgreich absolviert hat.

Das Unternehmen Solar Botanic Ltd. aus London präsentiert 2008 das Konzept eines künstlichen Baumes, der sowie die Lichtstrahlung als auch Wind und Regen zur Stromerzeugung nutzt. Die ‚Nanoleaf’ genannten Blätter des Baumes sind photoaktiv, beinhalten thermoelektrische Elemente und sitzen an piezoelektrischen Stengeln. Über die Effizienz liegen noch keine genauen Angaben vor, das Unternehmen schätzt jedoch, daß ein mittelgroßer Baum ausreichend Strom für einen 1-Personen-Haushalt erzeugen kann.

Wenn solche Technologien im Großen umgesetzt werden, dann handelt es sich zumeist um konventionelle Systeme zur Abwärmenutzung, wie ich sie im Kapitel Wärmeenergie noch ausführlicher vorstelle.

Ein Vorreiter hierbei ist das Bruchsaler Justus-Knecht-Gymnasium, das mit der Abwärme der Schüler beheizt wird. Und auch im Stockholmer Zentralbahnhof soll die Abwärme der täglich 250.000 hindurchströmenden Menschen über Wärmetauscher im Ventilationssystem dazu beitragen, die 40.000 m2 des Kungsbrohuset Büro- und Geschäftshauses zu beheizen, das bis 2010 neben dem Bahnhof errichtet wird. Da es noch keine Vergleichswerte gibt, hoffen die Entwickler einer vorsichtigen Schätzung zufolge, bis zu 15 % des Heizbedarfs des Gebäudes decken zu können.

Spannungswandler des IIS

Spannungswandler des IIS

Am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (IIS) wird Anfang 2009 an einem System gearbeitet, bei dem die Körperwärme Batterien ersetzen soll. Der Spannungswandler arbeitet mit minimalen Eingangsspannungen ab 20 Millivolt und kann mit geringsten aus der Umwelt gewonnene Energiemengen elektrische Kleinstverbraucher betreiben.

Der lediglich 1,5 mm x 1,5 mm große IC versorgt kommerzielle Elektronik wie Sensoren, drahtlose Funk-Sendeempfänger und Displays mit Spannungen von bis zu 3,3 V. Der Wirkungsgrad liegt dabei je nach Last und Eingangsspannung zwischen 30 % und 80 %. Bei einem Temperaturunterschied 2°C zwischen der menschlichen Haut und dem Raumklima liefert ein 2 x 2 cm großer Thermogenerator zusammen mit dem neuen Spannungswandler-IC bis zu 4 mW.

Am Fraunhofer-Institut für Physikalische Meßtechnik (IPM) in Freiburg werden wiederum Sensoren entwickelt, welche die Außenhaut von Flugzeugen kontrollieren sollen. Entdecken sie Beulen oder Risse, funken sie dies an eine Überwachungseinheit. Die hierfür benötige Energie gewinnen sie aus dem Temperaturunterschied zwischen der Umgebung (- 20°C bis - 50°C) und der Passagierkabine mit etwa plus 20°C. Da kein Bedarf daran besteht, irgendwelche Batterien zu wechseln, können die Sensoren auch an unzugänglichen Stellen angebracht werden.

Das Entwicklungskonsortium wird von den EADS Innovation Works geleitet. Verwendet werden thermoelektrische Generatoren, welche die Micropelt GmbH aus Freiburg zusammen mit dem IPM entwickelt und optimiert.

Zu den Finalisten des James Dyson Award 2009 gehört ein Armband des französischen Designerteams Mathieu Servais, Camille Lefer, Clément Faydi und Mickaël Denié, das den Peltier-Element bzw. den Seebeck-Effekt nutzt um aus der Temperaturdifferenz zwischen der Außenluft und der anderen Oberfläche, die in Berührung mit der Haut bleibt, Strom zu erzeugen. Dieser wird in einem integrierten Li-Po Akku gespeichert um später dazu benutzt zu werden ein Mobiltelefon aufzuladen. Ein winziges Display in Form mehrerer Kleinst-LEDs zeigt den jeweiligen Ladezustand des ‚Dyson Energy Bracelet’ genannten Designs.

Viele weiteren Informationen gibt es im Kapitelteil zum Thermoelektrischen/Seebeck-Effekt (TEGs).


Weitere Technologien


Zu diesen gehört z.B. der große Bereich der Energie-Rückgewinnung, den ich jedoch weitgehend unterteilt habe. So wird die Wärmerückgewinnung gesondert behandelt, während die Rückgewinnung von Bewegungsenergie oben bereits ausgeführt wurde. Die bislang am häufigsten umgesetzten Technologien betreffen die Rückgewinnung von Bremsenergie.

Neben einer Vielzahl kommerzieller Systeme gibt es hier auch Sonderanwendungen, wie beispielsweise bei der Formel 1.

Die Firma Freescale Semiconductor gibt im November 2008 bekannt, daß man in Zusammenarbeit mit McLaren Electronic Systems ein regeneratives Bremssystem entwickelt, das dem Wagen beim Beschleunigen zusätzliche Beschleunigungskraft verschafft und bereits in der Rennsaison 2010 zum Einsatz kommen soll.  

Daß man aber auch die langsame Bewegung fester Massen (abwärts) nutzen kann, und dies sogar in industriellem Maßstab, beweist wiederum die 3.200 m hoch in den Anden gelegen Kupfermine Los Pelambres, Chile, die mit Automatisierungs- und Antriebslösungen von Siemens ausgestattet ist. So erzeugt das 13 km lange abwärtsfördernde Bandanlagensystem für Kupfererz elektrische Energie, die in das Netz eingespeist wird. Ab einer bestimmten Beladung arbeiten die Antriebe der Bandanlage im Generatorbetrieb, wodurch potentielle Energie des abgebauten Kupfererzes in elektrische Energie umgewandelt wird. Bei seiner nominalen Beladung erzeugt das Förderband 17 MW. 2007 beträgt die so erzeugte Strommenge 90 Mio. kWh – so daß man hier wahrlich nicht mehr von einem ‚Micro Energy Harvesting’ sprechen kann (ich wüßte allerdings nicht, wo ich diese Energieerzeugungsmethode sonst einordnen sollte...).

Eigenoszillation

Eigenoszillation

Kehren wir daher zurück zu den kleinen Dimensionen: Im August 2007 teilen Wissenschaftler des französischen Centre national de la recherche scientifique (CNRS) mit, daß sie einen ersten NEMS (Nano-Electro-Mechanical System) Stromgenerator in der Größe einiger Nanometer entwickelt haben, der die Energie für künftige Nanomaschinen liefern könnte. Bislang war dies nur in der Größenordnung der MEMS (Micro-Electro-Mechanical System), also von Mikrometern, möglich.

Bei dem aktiven NEMS handelt es sich um eine oszillierende Nanoröhre aus Silizium, die ohne äußere Energiequelle ein periodisches elektrisches Signal erzeugen kann. Angestoßen durch ein elektrisches Feld wird eine Instabilität erzeugt, die Schwingungen zur Folge hat, welche wiederum die Spannung beeinflussen und sich so aufrechterhalten.

Inspiriert werden die Forscher um Prof. Emmanuel de Langre und Dr. Olivier Doare von einem allseits gut bekannten hydrodynamischen Phänomen: Wenn man eine Flüssigkeit durch eine elastische Röhre oder einen Schlauch preßt, dann erzeugt dies eine kräftige Oszillation – wie man sie vom umherhüpfenden Gartenschlauch kennt.

 

Während noch lange nicht absehbar ist, welche Umwälzungen das neue ,Energie-Ernten’ mit sich bringen wird, kann das Potential des riesigen Reservoirs der geothermischen Energie, dem wir uns als nächstes widmen, schon ziemlich gut abgeschätzt werden.

 

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