Schwingungen nutzbar machen: Neues Material erzeugt Strom aus unerwarteter Quelle

Stellen Sie sich vor, Sie fahren auf der Autobahn, und jedes Mal, wenn Ihr Auto über die Straße rumpelt, wird Strom erzeugt. Oder Sie betreten ein Gebäude, und während es leicht schwankt, wird diese Bewegung zur Energiegewinnung genutzt. Dank eines neuen Materials, das Forscherinnen und Forscher am Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) in New York entwickelt haben, könnten diese Szenarien bald Realität werden. Der piezoelektrische Effekt erzeugt Strom aus mechanischen Schwingungen und Kompression und könnte in Zukunft eine nachhaltige Energiequelle sein. Erstmals ist es dem Forschungsteam gelungen, auf das giftige Blei zu verzichten.

Strom aus Bewegung: Piezoelektrischer Effekt

Wie gerade geschrieben, basiert das Prinzip hinter diesem Material auf dem sogenannten piezoelektrischen Effekt. Dieser Effekt tritt auf, wenn bestimmte Materialien durch Druck oder Vibration elektrische Ladungen erzeugen. Ein Forschungsteam des RPI hat einen speziellen Polymerfilm entwickelt, der mit einer neuartigen Chalkogenid-Perowskit-Verbindung versehen ist. Diese Substanz reagiert besonders stark auf mechanische Belastung, indem sie Elektrizität erzeugt.

„Wir sind begeistert und ermutigt von unseren Erkenntnissen und ihrem Potenzial, den Übergang zu grüner Energie zu unterstützen“, erklärt Dr. Nikhil Koratkar, der korrespondierende Autor der Studie und Inhaber des John A. Clark und Edward T. Crossan Lehrstuhls am Fachbereich Maschinenbau des RPI.

Blei ade: Umweltfreundliche Materialien für die Zukunft

Eine Besonderheit des neuen Materials ist, dass es vollständig bleifrei ist. Zwar gibt es bereits andere piezoelektrische Materialien, doch viele enthalten giftiges Blei, das zunehmend aus technologischen Anwendungen verbannt wird. Dies stellt ein großes Problem für die nachhaltige Entwicklung solcher Materialien dar. „Blei ist giftig und wird zunehmend eingeschränkt und aus Materialien und Geräten verbannt. Unser Ziel war es, ein bleifreies Material zu entwickeln, das sich kostengünstig aus Elementen herstellen lässt, die in der Natur weit verbreitet sind“, sagt Koratkar.

Diese Innovation könnte den Weg für umweltfreundlichere Technologien ebnen, die ohne schädliche Chemikalien auskommen. Das Material, das nur 0,3 Millimeter dick ist, könnte in unterschiedlichste Anwendungen integriert werden – von Maschinen und Infrastrukturen bis hin zu biomedizinischen Geräten.

Anwendungsgebiete: Von Straßen bis zu Wolkenkratzern

Das Potenzial des neuen Materials ist immens. Es könnte beispielsweise unter Straßenbelägen verbaut werden und Strom erzeugen, wenn Fahrzeuge darüber fahren. Ebenso könnte es in Baumaterialien integriert werden, um die Schwingungen von Gebäuden zu nutzen und in Elektrizität umzuwandeln. Diese Form der Energiegewinnung wäre nicht nur umweltfreundlich, sondern würde auch in bereits bestehenden Infrastrukturen funktionieren.

„Im Wesentlichen wandelt das Material mechanische Energie in elektrische Energie um – je größer die Druckbelastung und je größer die Fläche, auf die der Druck ausgeübt wird, desto größer ist der Effekt“, erklärt Koratkar. Straßenlaternen, die durch den Verkehr mit Energie versorgt werden, oder Wolkenkratzer, die durch ihre eigenen Schwingungen Strom erzeugen, sind nur einige Beispiele, die denkbar sind.

Der piezoelektrische Effekt lässt Schuhe und Fahrradhelme leuchten

Der piezoelektrische Effekt tritt in Materialien auf, denen strukturelle Symmetrie fehlt. Wenn diese Materialien unter Druck gesetzt werden, verformen sich ihre Atome so, dass positive und negative Ladungen getrennt werden. Dieses Phänomen, in der Wissenschaft als „Dipolmoment“ bezeichnet, kann genutzt werden, um elektrische Energie zu erzeugen. In dem vom RPI-Team entwickelten Material wird diese Symmetrie leicht gebrochen, was zu einer ausgeprägten elektrischen Reaktion führt.

In Tests setzten die Forschenden das neue Material verschiedenen Bewegungen wie Gehen, Klatschen und Laufen aus. Dabei konnte es genügend Elektrizität erzeugen, um sogar LED-Lampen mit der Aufschrift „RPI“ zum Leuchten zu bringen. „Diese Tests zeigen, dass diese Technologie nützlich sein könnte, zum Beispiel in einem Gerät, das von Läufer*innen oder von Radfahrer*innen getragen wird und ihre Schuhe oder Helme zum Leuchten bringt und sie besser sichtbar macht. Dies ist jedoch nur ein Konzeptnachweis“, betont Koratkar.

Zukünftige Entwicklungen: KI als Werkzeug

Die Forschung an diesem Material steckt noch in den Kinderschuhen, aber die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben bereits große Pläne. Das Team will weitere Chalkogenid-Perowskit-Verbindungen untersuchen, um Materialien mit noch stärkeren piezoelektrischen Eigenschaften zu finden. Künstliche Intelligenz könnte dabei eine entscheidende Rolle spielen. KI-gestützte Analysen könnten helfen, die besten Materialkombinationen zu identifizieren, um die Effizienz weiter zu steigern.

„Eine nachhaltige Energieerzeugung ist für unsere Zukunft von entscheidender Bedeutung“, sagt Shekhar Garde, Dekan der RPI School of Engineering. „Die Arbeit von Professor Koratkar ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie innovative Ansätze bei der Materialforschung dazu beitragen können, ein globales Problem anzugehen.“

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