Ein europäisches Forschungsteam, an dem Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY) und die Technische Universität Hamburg (TUHH) beteiligt waren, hat eine neuartige Methode entwickelt, um mechanische Energie in elektrische umzuwandeln – mithilfe von Wasser, das in nanometergroßen Poren von Silizium eingeschlossen ist. In der Studie zeigen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, dass das zyklische Eindringen und Austreten von Wasser in wasserabweisende, nanoporöse Siliziummonolithe messbare elektrische Energie erzeugen kann.
Strom durch Reibung in winzigen Poren
Das entwickelte System, ein sogenannter Intrusion-Extrusion-triboelektrischer Nanogenerator (IE-TENG), nutzt Druck, um Wasser zyklisch in winzige Poren zu pressen und wieder herauszulassen. Während dieses Prozesses werden elektrische Ladungen an der Grenzfläche zwischen Siliziumporenwand und Flüssigkeit getrennt. Dies ist eine Form der Reibungselektrizität, wie sie häufig im Alltag entsteht. Ein Beispiel, das bestimmt jeder kennt: Man geht mit Schuhen über einen PVC-Teppich. Dabei gehen Elektronen von einem Körper auf den anderen über, es sammelt sich Ladung an, die sich schlagartig entlädt, wenn ein dritter Körper berührt wird. Ein Beispiel hierfür ist der Kontakt mit der Türklinke: Die Ladung fließt ab und man bekommt einen kleinen elektrischen Schlag.
Das Forschungsteam hat bei seinen Versuchen eine Energieumwandlungseffizienz von bis zu neun Prozent erreicht. Das ist einer der höchsten Werte, die bislang für Fest-Flüssig-Nanogeneratoren berichtet wurden. „Selbst reines Wasser kann, wenn es im Nanomaßstab eingeschlossen ist, durch Reibung elektrischen Strom erzeugen“, sagt Patrick Huber, Sprecher des Exzellenzclusters „BlueMat – Water-Driven Materials“ an der Technischen Universität Hamburg (TUHH) und DESY. Luis Bartolomé vom CIC energiGUNE ergänzt: „Die Kombination von nanoporösem Silizium und Wasser ermöglicht eine effiziente, reproduzierbare Energiequelle - ganz ohne Nutzung von exotischen Materialien, sondern nur unter Nutzung des am häufigsten vorkommenden Halbleiters auf der Erde, Silizium und der am häufigsten vorkommenden Flüssigkeit, Wasser.“
Materialforschung als Schlüssel
„Entscheidend war die Entwicklung von präzise kontrollierten Siliziumstrukturen, die elektrisch leitfähig, nanoporös und hydrophob sind“, erklärt Manuel Brinker von der Technischen Universität Hamburg. „Diese Architektur erlaubt es uns, die Bewegung von Wasser im Inneren der Poren gezielt zu steuern – und damit den Energieumwandlungsprozess stabil und skalierbar zu gestalten.“
Die Technologie eröffnet neue Perspektiven für autonome, wartungsfreie Sensorsysteme, die keine eigene Batterie oder Stromversorgung benötigen. Mögliche Anwendungsbereiche sind die Ortung von Wasser, das Sport- und Gesundheitsmonitoring in intelligenten Textilien sowie die haptische Robotik, bei der Berührung oder Bewegung direkt elektrische Signale erzeugt. „Wassergetriebene Materialien markieren den Beginn einer neuen Generation selbstversorgter Technologien“, betonen die korrespondierenden Autoren Simone Meloni (Universität Ferrara) und Yaroslav Grosu (CIC energiGUNE).
An dem Projekt forschten Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen von CIC energiGUNE (Spanien), der Universität Ferrara (Italien), der TU Hamburg und DESY (Deutschland), der Universität Schlesien in Katowice (Polen) sowie der Technischen Universität Riga (Lettland). Es wurde unterstützt vom TUHH-Exzellenzcluster „BlueMat – Water-Driven Materials“.
