Forscher gewinnen Energie aus Atemluft

Sie nutzen dafür einen thermoplasten Kunststoff, der nur 0,001 Millimeter dick ist. Materialien wie PVDF bauen als Reaktion auf mechanischen Druck eine elektrische Ladung auf. Den Wissenschaftlern zufolge erzeugen Atemvibrationen bis zu ein Mikrowatt Strom.

Jian Shi (links) und Xudong Wang, Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen (Bild: University of Wisconsin-Madison)
Jian Shi (links) und Xudong Wang, Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen (Bild: University of Wisconsin-Madison)

Ingenieure der University of Wisconsin-Madison haben eine Methode entwickelt, mit der sie den Luftzug von menschlichem Atem in Energie umwandeln können. Assistenzprofessor Xudong Wang, Post-Doktorand Chengliang Sun und Student Jian Shi haben ihre Forschungsergebnisse im Magazin Energy & Environmental Science veröffentlicht.

Basis ist Polyvinylidenfluorid (PVDF), ein lichtundurchlässiger teilkristalliner Fluorkunststoff, der sich in einem bestimmten Temperaturbereich verformen lässt (Thermoplast). Daraus haben die Wissenschaftler einen 1 Mikrometer (0,001 Millimeter) dünnen Gürtel hergestellt, der vibriert, wenn ein langsamer Lufthauch wie ein Atemzug über ihn hinwegstreicht. Durschnittlich atmen Menschen mit einer Geschwindigkeit von unter 2 m/s aus. Das entspricht rund 7 km/h. Beim Niesen erreichen sie dagegen bis zu 160 km/h.

Bei Materialien wie PVDF baut sich als Antwort auf mechanischen Druck – in diesem Fall das Verformen durch Atemluft – eine elektrische Ladung auf. Dieses Phänomen wird als Piezoeffekt bezeichnet. Der Trick war den Wissenschaftlern zufolge, das Material so dünn zu bekommen, dass der durch Ausatmen erzeugte Luftdruck ausreicht, es zu verformen.

Laut den Berechnungen der Ingenieure erzeugen kleine Vibrationen bis zu ein Mikrowatt an Energie, was sich etwa für Sensoren oder in ein Gesicht implantierte Geräte als nützlich erweisen könnte. Schon heute sei es möglich, mit den Erkenntnissen der Nanotechnologie und Mikroelektronik biomedizinische Geräte zu entwickeln, die beispielsweise den Blutzuckerspiegel von Diabetikern überwachten oder die Batterie eines Herzschrittmachers wieder aufladen könnten, sodass diese nicht ausgetauscht werden muss.

Woran es fehle, sei eine miniaturisierte Energieversorgung. „Ungenutzte Energie wie die des Blutkreislaufs, von Bewegungen, Hitze oder in diesem Fall der Atmung bietet eine konstante Energiequelle“, sagen die Forscher. Wangs Team nutzt Ionendünnung, um das PVDF vorsichtig dünner zu machen, sodass es seine piezoelektrischen Fähigkeiten behält. Künftig könnte man so auch Materialien herstellen, die dünner als ein Mikrometer seien, erklärte Wang.

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