US-Forscher entwickeln Mini-Generator für Nanomaschinen

Forscher des Georgia Institute of Technology (Georgia Tech) haben einen winzigen Generator entwickelt, der Wechselstrom durch das zyklische Dehnen und Entspannen eines pieozoelektrischen Drahts erzeugt. Die Entwicklung ermöglicht den Wissenschaftlern zufolge Nanomaschinen, die ohne externe Stromversorgung auskommen. Zudem soll sie zuverlässiger arbeiten als bisherige Generatorsysteme auf Basis von Nanodrähten.

„Die ‚flexible Ladungspumpe‘ stellt eine weitere Möglichkeit dar, mechanische in elektrische Energie umzuwandeln“, erklärt Zhong Lin Wang, Direktor des Center for Nanostructure Characterization am Georgia Tech. Der neuartige Generator nutzt einen Zinkoxid-Draht, dessen Dehnen und Entspannen piezoelektrische Potenziale auf- und abbaut. Dadurch entsteht ein wachsender Elektronenfluss und somit eine oszillierende Ausgangsspannung von bis zu 50 Millivolt.

Bis zu 6,8 Prozent der aufgewendeten mechanischen Energie wird bei dem Prozess in Strom umgewandelt, berichtet Wangs Team in einem online vorab veröffentlichten Forschungsartikel für das Fachjournal Nature Nanomaterials. Zur Erprobung des Konzepts haben die Forscher einen Generator mit 200 bis 300 Mikrometer langen Drähten genutzt. Das Funktionsprinzip der flexiblen Ladungspumpe sei aber auch im Nanobereich anwendbar, so Wang.

Bei bisherigen Nanodraht-Generatoren habe das Team auf Strukturen mit relativ frei beweglichen Komponenten gesetzt, so die Georgia-Tech-Wissenschaftler. Das habe nicht nur die Herstellung schwierig gemacht, sondern auch zu mechanischem Verschleiß geführt. Das neue System setze dagegen auf einen Draht, der an beiden Enden fest mit Elektroden verbunden und in ein schützendes Plastiksubstrat gehüllt sei. „Dieses Design ist widerstandsfähiger. Es eliminiert den Verschleiß der Strukturen und das Problem eindringender Feuchtigkeit“, erklärt Wang. Letzteres sei wichtig, da Zinkoxid in Wasser löslich sei. Insgesamt versprechen sich die Forscher von ihrer Neuentwicklung eine höhere Zuverlässigkeit und damit Praxistauglichkeit.

Die Mini-Generatoren sind unter anderem dazu gedacht, Geräte in der medizinischen Sensorik und der Umweltanalyse mit Strom zu versorgen. In Zukunft könnten die winzigen Stromerzeuger die Entwicklung einer neuen Generation drahtloser Sensorsysteme ermöglichen, sagt Wang. Die Geräte seien in der Lage, ohne jegliche externe Stromversorgung Informationen zu sammeln, zu speichern und zu übertragen.

Zhong Lin Wang zeigt flexible Ladungspumpen zur Wechselstromgewinnung (Bild: Georgia Tech/Gary Meek).