Nanogenerator lädt Akku mit Umgebungsenergie

Temperaturschwankungen liefern geringe Mengen Strom

26.11.2012 - USA

Ein PENG ist ein Pyroelektrischer Nanogenerator, der Strom aus zeitlichen Temperaturänderungen gewinnen kann. Wissenschaftler vom Georgia Institute of Technology haben mit einem solchen Gerät, das nur halb so groß ist wie eine Briefmarke, erstmals genug Strom erzeugt, um Elektronik-Komponenten mit ausreichend Energie zu versorgen. Schon die Temperaturunterschiede, die durch einen Luftzug, Sonneneinstrahlung oder die Abwärme von Geräten verursacht werden, reichen aus, um Strom zu gewinnen. Allerdings reicht die Energie derzeit noch nicht für einen Praxis-Einsatz aus.

Neues Konzept

"Mehr als die Hälfte der 2010 in den USA erzeugten Energie ging als Wärme ungenutzt verloren", sagt PENG-Forscher Zhong Lin Wang. Dass Wärme eine praktisch unbegrenzte Energiequelle ist, ist bereits länger bekannt. Die Nutzung ist allerdings schwierig. Bestehende Konzepte basieren zumeist auf der Nutzung örtlicher Temperaturunterschiede an den zwei Enden eines entsprechenden Generators. Der pyroelektrische Effekt erlaubt die Erzeugung von Strom aus zeitlichen Temperaturänderungen, ist bisher aber kaum erforscht. Bisherige Generatoren auf dieser Grundlage haben lediglich Spannungen unter 0,1 Volt geliefert.

Der neue PENG besteht aus einer 175 Mikrometer dicken Folie aus Blei-Zirkonat-Titanat. Ein Stück mit den Maßen 21 x 12 Millimeter liefert bei einer Temperaturänderung um 45 Kelvin mit einer Geschwindigkeit von 0,2 Kelvin pro Sekunde bis zu 22 Volt Spannung bei 430 Nanoampere. Die Stromdichte beträgt 171 Nanoampere pro Quadratzentimeter. Das reicht aus, um ein kleines LCD mit Energie zu versorgen, wie die Forscher bewiesen haben. Auch zum Laden eines Lithium-Ionen-Akkus kann der erzeugte Storm genutzt werden, allerdings muss der Output hier für einen sinnvollen Einsatz noch erhöht werden. Das lässt sich aber mit einer größeren oder dickeren Variante des PENG erreichen.

Blei-Zirkonat-Titanate sind eine Klasse kristalliner, piezoelektrischer Materialien. Der pyroelektrische Effekt, bei dem eine Schwankung der Temperatur in einem Material eine Änderung der Polarisation auslöst, tritt nur in wenigen bekannten Werkstoffen auf, die allerdings alle piezoelektrische Eigenschaften aufweisen.

Potenzial für Sensoren

Mit der Technologie kann in der gewohnten Lebensumgebung von Menschen Strom aus der Umgebung erzeugt werden. Durch Licht, wandernde Schatten, Luftzüge oder tages- und jahreszeitbedingte Temperaturschwankungen kann ein PENG sowohl in Gebäuden als auch draußen Strom erzeugen. Ein mögliches Einsatzgebiet ist die Versorgung drahtloser Sensoren mit Energie. Mithilfe eines PENG könnten kleine Messgeräte sich selbständig mit Strom versorgen. Für den Betrieb größerer Geräte reicht die PENG-Energie in absehbarer Zeit nicht aus. Die Erfinder haben ihre Arbeit kürzlich in der Fachzeitschrift "Nano Letters" publiziert.