Forscher gewinnen rund um die Uhr reichlich saubere Energie aus der Luft
"Die Luft enthält eine enorme Menge an Elektrizität"
Ein Team von Ingenieuren an der University of Massachusetts Amherst hat vor kurzem gezeigt, dass sich nahezu jedes Material in ein Gerät verwandeln lässt, das kontinuierlich Strom aus der Luftfeuchtigkeit gewinnt. Das Geheimnis liegt darin, dass man das Material mit Nanoporen von weniger als 100 Nanometern Durchmesser versehen kann.
Nanoporen sind das Geheimnis der Stromerzeugung aus dünner Luft.
Derek Lovley/Ella Maru Studio
"Das ist sehr aufregend", sagt Xiaomeng Liu, Doktorand in Elektrotechnik und Computertechnik am College of Engineering der UMass Amherst und Hauptautor der Studie. "Wir öffnen eine breite Tür für die Gewinnung von sauberem Strom aus dünner Luft".
"Die Luft enthält eine enorme Menge an Elektrizität", sagt Jun Yao, Assistenzprofessor für Elektro- und Computertechnik am College of Engineering der UMass Amherst und Hauptautor der Studie. "Stellen Sie sich eine Wolke vor, die nichts anderes als eine Masse von Wassertröpfchen ist. Jedes dieser Tröpfchen enthält eine Ladung, und wenn die Bedingungen stimmen, kann die Wolke einen Blitz erzeugen - aber wir wissen nicht, wie wir die Elektrizität von Blitzen zuverlässig einfangen können. Wir haben eine von Menschenhand geschaffene, kleine Wolke gebaut, die für uns vorhersehbar und kontinuierlich Strom produziert, so dass wir ihn ernten können.
Das Herzstück der von Menschenhand geschaffenen Wolke beruht auf dem "generischen Air-gen-Effekt", wie Yao und seine Kollegen ihn nennen, und baut auf Arbeiten auf, die Yao und Co-Autor Derek Lovley, Distinguished Professor of Microbiology an der UMass Amherst, bereits im Jahr 2020 abgeschlossen hatten und die zeigten, dass mit einem speziellen Material aus Protein-Nanodrähten, die aus dem Bakterium Geobacter sulfurreducens gezüchtet wurden, kontinuierlich Strom aus der Luft gewonnen werden kann.
"Nach der Entdeckung von Geobacter wurde uns klar", sagt Yao, "dass die Fähigkeit, Strom aus der Luft zu erzeugen - wir nannten das damals den 'Air-gen-Effekt' -, sehr allgemein ist: Jedes Material kann Strom aus der Luft gewinnen, solange es eine bestimmte Eigenschaft hat."
Diese Eigenschaft? "Es muss Löcher haben, die kleiner als 100 Nanometer (nm) sind, also weniger als ein Tausendstel der Breite eines menschlichen Haares."
Der Grund dafür ist ein Parameter, der als "mittlere freie Weglänge" bezeichnet wird, d. h. die Strecke, die ein einzelnes Molekül eines Stoffes, in diesem Fall Wasser in der Luft, zurücklegt, bevor es auf ein anderes einzelnes Molekül desselben Stoffes stößt. Wenn Wassermoleküle in der Luft schweben, beträgt ihre mittlere freie Weglänge etwa 100 nm.
Yao und seine Kollegen erkannten, dass sie auf der Grundlage dieser Zahl einen Elektrizitätssammler entwerfen könnten. Dieser Harvester würde aus einer dünnen Materialschicht bestehen, die mit Nanoporen gefüllt ist, die kleiner als 100 nm sind und Wassermoleküle vom oberen zum unteren Teil des Materials durchlassen. Da aber jede Pore so klein ist, würden die Wassermoleküle beim Passieren der dünnen Schicht leicht an den Rand der Pore stoßen. Das bedeutet, dass der obere Teil der Schicht mit viel mehr ladungstragenden Wassermolekülen bombardiert wird als der untere Teil, wodurch ein Ladungsungleichgewicht wie in einer Wolke entsteht, da der obere Teil seine Ladung im Vergleich zum unteren Teil erhöht. Auf diese Weise würde eine Batterie entstehen, die so lange läuft, wie Feuchtigkeit in der Luft vorhanden ist.
"Die Idee ist einfach", sagt Yao, "aber sie wurde noch nie zuvor entdeckt und eröffnet eine Vielzahl von Möglichkeiten". Der Mähdrescher könnte aus buchstäblich allen möglichen Materialien hergestellt werden, was eine große Auswahl an kostengünstigen und umweltverträglichen Konstruktionen ermöglicht. "Man könnte sich Erntemaschinen aus einem Material für Regenwaldumgebungen und einem anderen für trockenere Regionen vorstellen.
Und da Luftfeuchtigkeit immer vorhanden ist, würde die Erntemaschine rund um die Uhr laufen, bei jedem Wetter, nachts und unabhängig davon, ob der Wind weht oder nicht, was eines der Hauptprobleme von Technologien wie Wind- oder Solarenergie löst, die nur unter bestimmten Bedingungen funktionieren.
Da sich die Luftfeuchtigkeit im dreidimensionalen Raum ausbreitet und die Dicke des Air-gen-Geräts nur einen Bruchteil der Breite eines menschlichen Haares beträgt, können viele Tausende von ihnen übereinander gestapelt werden, wodurch sich die Energiemenge effizient erhöht, ohne dass die Grundfläche des Geräts vergrößert wird. Ein solches Air-gen-Gerät wäre in der Lage, eine Leistung im Kilowattbereich für den allgemeinen Stromverbrauch zu liefern.
"Stellen Sie sich eine zukünftige Welt vor, in der sauberer Strom überall verfügbar ist", sagt Yao. "Der generische Air-gen-Effekt bedeutet, dass diese zukünftige Welt Wirklichkeit werden kann".
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