Egal, ob es um die grüne Revolution auf Samoa, eine Papier-Batterie oder um nachhaltige Daten geht. Das Thema „Umweltschutz“ ist für uns alle relevant. Forscher der Universität Arkansas in den Vereinigten Staaten haben nun herausgefunden, wie sich Graphen zur Erzeugung von unlimitierter Energie nutzen lassen kann. Die neuen Erkenntnisse könnten dabei ein riesengroßer Schritt in Richtung nachhaltige Energieerzeugung sein.
Aber zunächst die Theorie: Graphen ist eine chemische Verbindung und gleichzeitig ein kleines Wunderwerk. Aufgebaut ist sie aus einer zweidimensionalen Schicht aus Kohlenstoff. Nachdem die Universität von Manchester die Verbindung im Jahr 2004 isoliert hatte, stellte die Forschung dort heraus, dass diese 200 Mal so stabil wie Stahl und leitfähiger als jede andere Verbindung ist.
Was kann Graphen? 18 Bereiche, in denen Graphen unser Leben verändern wird
Die Forscher der Universität von Arkansas haben diese Erkenntnisse nun benutzt, um die Alltagstauglichkeit von Graphen als Energiequelle zu prüfen. Laut dem Team basiert die Forschung auf der Fähigkeit von Graphen, sich in der dritten Dimension zu bewegen, ähnlich wie Wellen auf der Wasseroberfläche. Diese Bewegung kann dabei in Energie umgewandelt werden.
Für das Erforschen dieser Bewegungen haben Forschungsleiter Paul Thibado und sein Team Graphen-Blätter über ein Kupferraster gelegt. Das Kupfer diente dabei als Gerüst, damit sich die Graphen-Atome frei bewegen konnten. Durch die Unterstützung eines Rastertunnelmikroskops (RTM) konnte dann die Bewegung beobachtet werden. Die Forscher konzentrierten sich hierbei recht schnell auf die Bewegung von individuellen Wellen, da diese zu klareren Ergebnissen führten.
Bei der Datenanalyse konnte Thibado sowohl kleine, zufällige Bewegungen (bekannt als Brownsche Bewegung), als auch größere, koordinierte Bewegungen beobachten. Dabei stellte die Gruppe fest, dass auch die Umgebungstemperatur eine Rolle spielt, da die Atome auf einem Blatt Graphen abhängig von dieser vibrieren. Die Vibration resultiert letztendlich in der Produktion von Energie.
This is the key to using the motion of 2D materials as a source of harvestable energy. Unlike atoms in a liquid, which move in random directions, atoms connected in a sheet of graphene move together. This means their energy can be collected using existing nanotechnology. Paul Thibado (Forschungsleiter)
Die Experimente finden wortwörtlich auf kleinsten Raum statt. Die Graphen-Blätter, die Thibado im Labor verwendet, haben einen Durchmesser von gerade einmal 10 Mikrometern (auf den Kopf einer Stecknadel würden also ca. 20.000 Blätter passen). Jede gemessene Fluktuation wird von einer individuellen Welle mit einer Größe von 10 nm x 10 nm (nm = Nanometer) ausgelöst und produziert ca. 10 Picowatt an Strom. Das sind 10 hoch -12 Watt pro Welle. Eine kleine Membran hätte also die Möglichkeit eine Armbanduhr unbegrenzt zu betreiben. Und das ohne Verschleiß.
Zusätzlich hat Thibado ein Gerät mit dem Namen „Vibration Energie Harvester“ (sinngemäß „Vibrationsenergiesammler“) erfunden, dass nach der Auffassung des Forschers die so produzierte Energie in Elektrizität umwandeln kann. Das Prinzip wird in folgendem Video erklärt:
Sollte sich die Idee als alltagstauglich erweisen, könnten Graphen-Batterien fast jedes Gerät mit Energie versorgen und somit auch Strom für Smart Devices liefern. Weitere Einsatzgebiete wären das Ersetzen der heutigen Lithium-Ionen-Akkus in Smartphones oder der Einsatz in biomedizinischen Geräten wie Herzschrittmachern oder Hörgeräten.
Self-powering enables smart bio-implants, which would profoundly impact society. Paul Thibado (Forschungsleiter)
Sich nie mehr um einen sinkenden Akkustand (wie bspw. beim Smartphone) sorgen machen zu müssen wäre traumhaft. Auch der Einsatz in Elektroautos könnte die nachhaltige Mobilität von Morgen endlich in Schwung bringen. Ich denke, dass aber leider auch kommerzielle Interessen die Einführung in den Alltag erschweren werden. Denn woran verdienen Elektrizitätswerke, wenn immer weniger Geräte aufgeladen werden müssen (das muss beim Haus ja nicht enden)?
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Nachtrag:
In der ersten Version des Artikels hatte ich versehentlich Graphen als Element bezeichnet. Dieser Fehler wurde nun ausgebessert.
