Forscher der University of Alabama in Huntsville (UAH) haben einen neuartigen triboelektrischen Nanogenerator (TENG) entwickelt, der mithilfe von Kalksteinkitt Strom erzeugt und erhebliche Kosteneinsparungen gegenüber herkömmlichen Herstellungsmethoden verspricht.
TENGs wurden 2012 erfunden und sind kleine Geräte, die mechanische oder thermische Energie in Elektrizität umwandeln, um sie in kleinen, drahtlosen autonomen Geräten wie tragbaren Elektronikgeräten, Zustandsüberwachung und drahtlosen Sensornetzwerken zu verwenden. Beispiele hierfür sind Herzmonitorimplantate, Biochip-Transponder für Nutztiere oder Sensoren, die einen Fahrer auf niedrigen Reifendruck aufmerksam machen.
TENGs gewinnen Energie für diese Geräte, indem sie eine elektrische Ladung zwischen zwei Objekten übertragen, wenn diese einander berühren oder gegeneinander gleiten, und zwar durch Bewegungen wie Gehen, Vibration, rotierende Reifen, sich bewegenden Wind oder fließendes Wasser, und das alles mit sehr geringen Auswirkungen auf die Umwelt.
Im Vergleich zu bestehenden TENGs, die teure, auf Nanotechnologie basierende Herstellungsmethoden verwenden, ist der UAH-Durchbruch ein neuer TENG-Typ, der „klebrige“ Materialien wie doppelseitiges Klebeband oder Kalksteinkitt verwendet, um eine Ladung zu erzeugen, was ihn weitaus kostengünstiger macht und einfacher zu bauen.
„Traditionelle TENGs erfordern eine auf Nanotechnologie basierende Fertigung und andere spezielle Ausrüstung“, betont Dr. Gang Wang, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der UAH, einem Teil des University of Alabama Systems. „Für den Bau unseres triboelektrischen Energie-Harvesters sind nur handwerkliche Fähigkeiten erforderlich.“
Der Durchbruch wird in einem Papier detailliert beschrieben veröffentlicht im Tagebuch ACS Omega. Zu Wangs Co-Autoren an der UAH gehören Dr. Moonhyung Jang, ein Postdoktorand, Sean P. Rabbitte, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter im Grundstudium, und Dr. Yu Lei, Lehrstuhlinhaber und außerordentlicher Professor für Chemie- und Werkstofftechnik.
Die Forschung ist Teil des Small Business Innovation Research (SBIR)-Programms des US-Verteidigungsministeriums (DOD), einer Initiative, die staatlich finanzierte Verträge oder Zuschüsse unterstützt, die inländische Kleinunternehmen dazu ermutigen, sich an bundesstaatlichen Forschungs- und Entwicklungsprojekten mit Kommerzialisierungspotenzial zu beteiligen.
„Unser Industriepartner ist Materials Sciences, LLC, und Dr. Simon Chung ist der Projektleiter“, sagt Wang. „Wir haben das triboelektrische Energiegewinnungskonzept mit Klebeschichten bereits zum Patent angemeldet.“
UAHs neuartige Anwendung eines Montagekitts auf Kalksteinbasis zusammen mit einer metallisierten Polyesterfolie erweitert auch die Betriebsfrequenzbandbreite im Vergleich zu bestehenden TENGs. Dies ist von Bedeutung, da einige kleine Energiegewinnungsanwendungen, wie z. B. Gesundheitsüberwachung und tragbare Exoskelettsysteme, eine größere Frequenzbandbreite benötigen, um die Energie aus menschlichen Bewegungen zu sammeln.
„Typische TENGs mit Kontakttrennung arbeiten bei einer Frequenz unter 10 Hz“, bemerkt Wang. „Wir sind jedoch in der Lage, die Bandbreite auf bis zu 80 Hz zu erweitern, indem wir diese triboelektrischen Schichten in einem vibrationsbasierten Energiegewinnungsdesign einführen. Nach der erfolgreichen Demonstration des TENG-Designs mit doppelseitigem Klebeband begannen wir, weniger klebrige Materialien dafür zu erforschen.“ leichtere Trennung der Materialien. So kamen wir auf die Idee, Kitt auf Kalksteinbasis zu verwenden.“
Die UAH-Forscher planen eine zukünftige Untersuchung von Generatoren auf Kittbasis, um die Wirksamkeit verschiedener Mineralien wie Marmor, Sandstein und Mondboden zu untersuchen.
Mehr Informationen:
Moon-Hyung Jang et al., Stromerzeugung durch einen in Kalkstein enthaltenen Kitt, ACS Omega (2023). DOI: 10.1021/acsomega.2c07688