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Universität von Arkansas: Energy Harvesting mit Graphen

Schon lange haben Wissenschaftler davon geträumt, die Energie aus der Brownschen Molekularbewegung zu »ernten«. Forschungen an der Universität von Arkansas liefern nun Beweise dafür, dass sich die Bewegung von Graphen tatsächlich als Quelle sauberer, unbegrenzt verfügbarer Energie eignen könnte.

Professor Thibados Vibration-Energy-Harvester, University of Arkansas Bildquelle: © University of Arkansas

Physikprofessor Paul Thibado von der Universität von Arkansas hat winzige Motoren mit Graphenantrieb entwickelt, die bei Raumtemperatur laufen können.

Energie aus der Umgebung zu ernten wird im Zeitalter des Internet der Dinge immer wichtiger. Nun hat Physik-Professor Paul Thibado von der Universität von Arkansas einen Vibration Energy Harvester vorgeschlagen, der die Molekularbewegung von Graphen nutzt und bei Raumtemperatur genug Energie für Wearables liefern kann.

Zu dieser Entdeckung kam es, als Thiabado mit seinen Studenten die Bewegung von Graphen unter einem Rastertunnelmikroskop beobachten wollte. Dabei waren sie überrascht, dass die einzelnen Scans uneinheitliche, nicht reproduzierbare Ergebnisse lieferten. Je mehr die Forscher jedoch ihren Fokus verengten, desto klarer wurden die Muster. Schließlich versuchten sie etwas Neues: Sie unterbrachen den Scan und nahmen einfach Messungen von einem einzigen Punkt aus. »Dies ist so, als ob man sich eine Boje ansieht, die sich nur im Meer auf und ab bewegt«, erklärte Thibado. Dies war eine neuartige Verwendung eines Rastertunnelmikroskops und markierte den Wendepunkt in ihrer Forschung.

Als Thibados Team diese Daten analysierte, konnten sie zwei verschiedene Bewegungen beobachten: eine kleine Brownsche Molekularbewegung und größere koordinierte Bewegungen. Bei diesen größeren Bewegungen verbog sich die gesamte Welle und wiegte auf und ab wie ein dünnes Stück Metall, das immer wieder gebogen wird.

© University of Arkansas
Professor Thibados Vibration-Energy-Harvester

Das Muster der kleinen zufälligen Bewegung in Verbindung mit größeren plötzlichen Bewegungen ist als Lévy-Flights bekannt. Dieses Phänomen kann in einer Vielzahl von Kontexten beobachtet werden, wie biomedizinische Signale, Klimadynamik, das Verhalten von nahrungssuchenden Tieren und sogar die Bewegung von Menschenmassen im Disney World. Thibado ist der erste, der diese spontanen Flights in einem anorganischen atomaren System beobachtet hat. Sein Team veröffentlichte diese Ergebnisse in der Zeitschrift Physical Review Letters.

Jeder Levy-Flight einer einzigen Welle misst nur 10 Nanometer mal 10 Nanometer, könnte aber eine Leistung 10 Picowatt erzeugen. Demnach könnte jede dieser mikroskopisch kleinen Membranen genug Energie erzeugen, um eine Armbanduhr mit Strom zu versorgen, die niemals verschleißen oder aufgeladen werden müsste. Auch »intelligente« Bioimplantate sind denkbar.

Andere Forscher haben bereits theoretisch hergeleitet, dass die temperaturinduzierte Krümmungsumkehrung in Graphen als Energiequelle genutzt werden könnte, und sogar die Menge an Energie, die erzeugt werden könnte, vorhergesagt. Thibado jedoch hat entdeckt, dass Graphen natürlich vorkommende Wellen aufweist, die ihre Krümmung umkehren, wenn die Atome als Reaktion auf die Umgebungstemperatur schwingen.

»Dies ist der Schlüssel dazu, die Bewegung von 2D-Materialien als Quelle für erntebare Energie zu nutzen«, sagte Thibado. Während sich Atome in einer Flüssigkeit in alle Richtungen zufällig bewegen, bewegen sich Atome, die in einer Graphenfolie miteinander verbunden sind, gleichzeitig in eine Richtung. Dies bedeutet, dass ihre Energie mithilfe der vorhandenen Nanotechnologie gesammelt werden kann.

Thibado hat die ersten Schritte unternommen, um ein Gerät zu entwickeln, das diese Energie in Elektrizität umwandelt und für viele Anwendungen geeignet ist.