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Windkraft

Energie aus sanfter Brise

 

Forscher haben ein Gerät entwickelt, das noch elektrische Energie aus dem schwachen Luftzug schöpfen kann, der bei einem flotten Spaziergang entsteht. Statt Rotoren versetzt der Wind bei dem System zwei Kunststoffstreifen in Bewegung, die sich beim Flattern gegenseitig immer wieder berühren. Dabei bauen sie durch den sogenannten triboelektrischen Effekt Spannung auf, die genutzt werden kann. In dem Konzept steckt somit Potenzial für die Entwicklung von alternativen Konzepten zur Gewinnung von Windenergie, sagen die Forscher.

Fossile Brennstoffe und Atomkraft sind out – nachhaltige Energieerzeugung ist angesagt! Als eine der effektivsten und kostengünstigsten Möglichkeiten gilt dabei die Gewinnung von Strom aus Windenergie. Vielerorts drehen sich deshalb schon die Rotoren – allerdings nur, wenn der Wind dazu kräftig genug ist. Vor diesem Hintergrund wird deutlich: Ein Großteil des an Land verfügbaren Windes ist zu schwach, um kommerzielle Windturbinenblätter in Gang zu setzten. Weitere Nachteile sind Geräuschbelastungen und ästhetische Negativeffekte der oft großen Anlagen. Es gibt somit Potenzial für die Entwicklung von alternativen Verfahren zur Energiegewinnung aus Wind.

Bei dem Konzept, das nun die Forscher um Ya Yang von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking präsentieren, muss nichts in eine Drehbewegung versetzt werden. Es handelt sich um einen Generator, dessen Leistung auf dem Flattern von zwei eng nebeneinander angeordneten Kunststoffstreifen in einer Röhre basiert. Schon schwacher Wind kann sie zu wellenartigen Bewegungen anregen, bei denen sie fortlaufend miteinander in Kontakt kommen und dann wieder getrennt werden.

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Ein bekannter Effekt – clever genutzt

Wie die Forscher erklären, kommt es dabei zu einem sogenannten triboelektrischen Effekt, dessen Wirkung jeder kennt: Er führt etwa dazu, dass man bei der Berührung von Oberflächen einen elektrischen Schlag bekommen kann, wenn man sich zuvor durch das Gehen über einen Teppich aufgeladen hat. Ein weiteres bekanntes Beispiel ist der Luftballon-Trick: Wenn man das Kunststoffgebilde an Oberflächen reibt, kann man damit anschließend Haare zu Berge stehen lassen. Der für die elektrische Ladung verantwortliche triboelektrische Effekt kann allerdings auch durch den bloßen Kontakt und die anschließende Trennung bestimmter Materialien entstehen.

Für ihr System haben die Forscher Streifen aus einem Schichtmaterial hergestellt, das sich leicht auflädt und eine durch Silbermoleküle vermittelte Leitfähigkeit besitzt. Zudem ist es sehr flexibel, damit sich die Streifen leicht durch eine Luftbewegung zum Flattern bringen lassen. Durch die fortlaufenden Kontakt- und Trennungsbewegungen zweier Streifen lässt sich Spannung durch den triboelektrischen Effekt erzeugen, die der Stromgewinnung dienen kann, erklären die Wissenschaftler. Das Besondere dabei ist, dass schon recht schwache Luftbewegungen ausreichen, um das System in Gang zu bringen. Bei ihrem Prototyp setzten die Forscher zwei acht Zentimeter lange und drei Zentimeter breite Streifen ein, die eine Entfernung von zwei Zentimeter zueinander besitzen.

Flatternde Alternative?

Wie die Versuche zeigten, reichte schon eine Brise mit der Geschwindigkeit von 1,6 Metern pro Sekunde aus, um den triboelektrischen Generator anzutreiben. Diese Luftbewegung würde etwa bei einem Spaziergang mit einer Geschwindigkeit von 5,7 Kilometern pro Stunde entstehen. „Mit dem System lassen sich Luftbewegungen einfangen, wie sie im Alltag entstehen“, sagt Yang. „Wir haben unseren Generator einmal auf den Arm einer Person gelegt, und schon der Luftstrom beim Schwingen des Arms reichte aus, um Strom zu erzeugen“, so der Wissenschaftler.

Besonders effizient beginnen die Streifen ab einer Luftgeschwindigkeit von vier Metern pro Sekunde zu flattern, berichten die Forscher. Bei acht Metern pro Sekunde erreicht der Prototyp schließlich seine maximale Leistung: Er kann 43 Mikroampere liefern und 2,5 Milliwatt leisten. Dadurch konnte das System unter anderem 100 LED-Lampen zum Leuchten bringen. „Wir beabsichtigen nicht, die bestehende Technologie zur Erzeugung von Windenergie zu ersetzen. Unser Ziel ist es, Probleme anzugehen, die die traditionellen Windturbinen nicht lösen können“, betont Yang.

Er und seine Kollegen wollen nun das Potenzial des Systems für kleine Anwendungen und auch für große weiter ausloten. Denn möglicherweise lässt es sich auch skalieren, um höhere Leistungen zu erreichen. „Wir könnten solche Geräte dann dort platzieren, wo der Einsatz traditioneller Windturbinen problematisch ist“, sagt Yang. Triboelektrische Generatoren könnte beispielsweise auch in Naturschutzgebieten oder Städten eingesetzt werden, da es keine rotierenden Strukturen gibt“, so der Wissenschaftler. Man kann also gespannt sein, was sich aus dem „flatternden“ Energieerzeugungskonzept entwickeln wird.

Quelle: Cell Press, Fachartikel: Cell Reports Physical Science, doi: 10.1016/j.xcrp.2020.100207

Video: Chen, Ma, and Ren et al./Cell Reports Physical Science

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