Forscher vom Clemson Nanomaterial's Institute (CNI) sind der drahtlosen Stromversorgung der Welt mit Triboelektrizität, einer grünen Energiequelle, einen Schritt näher gekommen
Vor rund einem Jahr hat ein Physikerteam am CNI den ultra-einfachen triboelektrischen Nanogenerator (U-TENG) erfunden. U-TENG aus Kunststoff und Klebeband ist ein kleines Gerät, das aus Bewegung und Vibration Strom erzeugt. Durch Klatschen oder Klopfen der Füße wurde eine Spannung erzeugt, die von einem externen Stromkreis weiter empfangen und im Kondensator oder in der Batterie gespeichert wird, bis sie aufgeladen wird.
Ungefähr neun Monate später veröffentlichten die Forscher in der Zeitschrift Advanced Energy Materials einen Artikel, in dem sie angaben, ein drahtloses TENG oder W-TENG herzustellen. Das W-TENG wird auch von denselben U-TENG-Forschern hergestellt. In W-TENG wird der Kunststoff durch Graphen (eine einzelne Schicht Graphitblei) und Polymilchsäure (PLA) ersetzt. PLA ist besser in der Trennung von positiven und negativen Ladungen, aber nicht in der Leitung von Elektrizität, da diese Forscher es mit Graphen gepaart haben. Das Kapton-Band, das das Stromabnahmematerial von U-TENG ist, wird in W-TENG gegen Teflon ausgetauscht.
Nachdem sie Graphen durch den Prozess der „Beschallung“ und der PLA-Faser erhalten und in einen 3D-Drucker gefüllt hatten, stellten sie erfolgreich den W-TENG her.
„Wir verwenden Teflon, weil es viele hoch elektronegative Fluorgruppen aufweist, während das Graphen-PLA hoch elektropositiv ist. Das ist ein guter Weg, um hohe Spannungen nebeneinander zu stellen und zu erzeugen “, sagte Ramakrishna Podila, korrespondierende Autorin der Studie und Assistenzprofessorin für Physik bei Clemson.
W-TENG kann maximal 3.000 Volt erzeugen, was ausreicht, um 25 Standardsteckdosen oder einen LCD-Monitor mit Strom zu versorgen. Aufgrund der hohen Spannung erzeugt W-TENG ein elektrisches Feld um sich herum, das drahtlos erfasst werden kann. So kann der drahtlose Strom in Kondensator und Batterien gespeichert werden.
„Es kann Ihnen nicht nur Energie geben, sondern Sie können das elektrische Feld auch als betätigte Fernbedienung nutzen. Sie können beispielsweise auf den W-TENG tippen und sein elektrisches Feld als „Knopf“ zum Öffnen Ihres Garagentors verwenden oder ein Sicherheitssystem aktivieren - alles ohne Batterie, passiv und drahtlos “, sagte Sai Sunil Mallineni, der Erstautor der Studie und Ph.D. Student in Physik und Astronomie.
W-TENG hat zahlreiche Anwendungen wie im Weltraum, in der Mitte des Ozeans oder sogar auf dem Schlachtfeld. "Mehrere Entwicklungsländer benötigen viel Energie, obwohl wir in solchen Umgebungen möglicherweise keinen Zugang zu Batterien oder Steckdosen haben und die Erfindung des Teams eindeutig philanthropisch genutzt wird", sagte Podila. "Der W-TENG könnte eine der saubereren Möglichkeiten zur Energieerzeugung in diesen Bereichen sein."
Das Forscherteam wird erneut von Mallineni bei der Patentierung des W-TENG durch die Clemson University Research Foundation geleitet. Professor Apparao Rao, Direktor des Clemson Nanomaterials Institute, diskutierte mit Industriepartnern über die Integration des W-TENG in die Energieanwendung.
Darüber hinaus sagte Podila, bevor mit der industriellen Produktion begonnen wird, dass mehr Forschung betrieben werden muss, um Teflon gegen ein umweltfreundlicheres elektronegatives Material auszutauschen. Yongchang Dong, ein weiterer Student des CNI, leitete die Demonstrationsarbeiten zu MXene-TENG, die in einem Artikel in der Zeitschrift Nano Energy im November 2017 veröffentlicht wurden. Herbert Behlow und Sriparna Bhattacharya vom CNI verteilen diese Studien ebenfalls.
Wird sich das W-TENG im Bereich alternativer erneuerbarer Energien auswirken? Rao sagte, es werde auf die Wirtschaft ankommen.
„Wir können es nur so weit bringen wie Wissenschaftler. Die Wirtschaft muss funktionieren, damit der W-TENG erfolgreich ist “, sagte Rao.