Energie aus Alltagsgegenständen: Strom aus Klebeband dank triboelektrischem Minigenerator

Mobile Stromgewinnung für kleine Verbraucher wie Sensoren, LEDs oder Minicomputer liegt im Trend. Piezo- oder triboelektrische Nanogeneratoren, die Strom aus Druck, Reibung oder Verschiebung von Materialschichten erzeugen, sind hierfür besonders gut geeignet. Forscher:innen gelang es, aus einem doppelseitigem Klebeband und einer Alufolie einen solchen triboelektrischen Nanogenerator herzustellen. In Testläufen konnten mit einem solchen Minigenerator immerhin 400 LEDs oder eine Laserdiode mit Strom versorgt werden.

Strom aus Klebeband

Das Prinzip piezo- und triboelektrischer Generatoren beruht auf Ladungsverschiebungen, die durch entstehen, wenn zwei Materialschichten aneinander reiben, mit Druck aufeinandergepresst oder gegeneinander verschoben werden. Diese Ladeveränderungen können als Elektrizität abgegriffen werden. Entsprechende Generatoren sind klein und dünn und können etwa in Schuhsohlen, dem Fußboden oder auch Kleidung eingebettet werden.

„Seit seiner Erfindung im Jahr 2012 ist der tribolektrische Nanogenerator (TENG) einer der vielversprechendsten Kandidaten für kleine Energiesammler“ so Moon-Hyung Jang von der University of Alabama in Huntsville. Mit Kolleg:innen zusammen hat er nach Möglichkeiten gesucht, solche TENGs weniger kompliziert und aufwändig zu gestalten und vergleichbare Leistung mit einem Nanogenerator aus einfachen, leicht verfügbaren Komponenten zu erreichen.

Hierfür wurde ein neuartiges Konzept entwickelt, das weder auf teure Bauteile noch komplizierte Fertigungsschritte setzt. Der triboelektrischer Generator, den das Team entwickelt hat, benötigt bei der Herstellung lediglich ein doppelseitiges Klebeband sowie eine mit Aluminium beschichtete Plastikfolie aus PET. Beides sind Materialen, an die auch Privatleute leicht herankommen können. „Auch spezielle Fabrikationsmethoden werden für unser Konzept der Stromerzeugung nicht benötigt„, so die Forscher:innen.

Einfache Konstruktion

Um aus den Komponenten einen Nanogenerator zu machen, müssen diese einfach kombiniert werden. Dazu wird das doppelseitige Klebeband auf eine Aluminiumunterlage geklebt. Auf die obere Seite des Klebebandes kommt dann die beschichtete PET-Folie – mit der Plastikschicht nach unten. Werden diese Schichten dann durch Druck gegeneinander gepresst, kommt es zu einer Ladungsverschiebung an der Grenzfläche der beiden Schichten. Daraufhin sammeln sich im Klebeband positive Ladungen, in der PET-Schicht der Folie entsprechend negative.

Wenn der Druck wieder nachlässt, führen die Ladungsdifferenzen zu einer Entladung. „Der Kontakt mit der eindringenden Luft bewirkt eine abrupte Verlagerung der Elektronen im PET-Schicht„, erklären die Forscher:innen. Dies führt dazu, dass sich die Ladung dieser Schicht neutralisiert und die freiwerdenden Elektronen in Richtung der Aluminiumschichten abfließen. Dabei ist eine positive Spannung messbar, wie die Wissenschaftler:innen weiter erläutern.

Genug Strom für 476 LEDs

In Experimenten mit verschiedenen Versionen des Nanogenerators testete das Teams diese Art der Stromerzeugung. Dabei verwendeten sie unter anderem auch Klebeband, dass von beiden Seiten mit der PET/Alufolie beklebt war. Für die Bewegungen war eine einfache Federkonstruktion verantwortlich, bei der Folie und Klebeband auf der einen und die zweite Folie auf der anderen Seite wiederholt zusammengebracht und wieder getrennt werden. Bei einer zweiten Version brachten die Forscher:innen die Folie nur einseitig an, sodass es bereits ausreichte, das Klebeband zu schütteln, um für das Verkleben und wieder Lösen zu sorgen.

Mit ihrem Klebebandgenerator konnten die Wissenschaftler:innen eine Leistung von etwa 21 Milliwatt zu erreichen. Dabei betrug die Leistungsdichte bis zu 169,6 Watt pro Quadratmeter. Nach eigenen Angaben liege der Generator damnit 47 Prozent über der Leistung vergleichbarer triboelektrischer Nanogeneratoren. Im Test reichte eine Klebebandfläche von 38 Mal 25 Millimetern Größe aus, um damit 476 LEDs zeitgleich mit Strom zu versorgen. Der Strom reichte außerdem für eine Laserdiode.

Zudem war die Konstruktion erstaunlich haltbar. Auch nach 40.000 Zyklen von Kontakt und Trennung nahm die Leistung nur etwas ab. „Die Leistung bleibt bis zu 100.000 Zyklen lang im Bereich von 19 bis 24 Milliwatt„, so das Team. Die simplen und günstigen Nanogeneratoren sind damit gut geeignet, um etwa Sensoren oder andere Kleinelektronik zu betreiben.

via American Chemical Society