Strom speichern in reinem Wasser: Hamburger Forscher kippen Lehrbuchregel
Reines Wasser leitet Strom schlecht. Trotzdem haben Forschende der TU Hamburg daraus einen Energiespeicher gebaut. Der Trick: Sie sperren das Wasser ein.
Das neue Speichersystem basiert auf den Elementen Wasser, Ton und Graphen. Grafik: Martin Künsting
Foto: Martin Künsting
Es ist eine Lektion aus dem ersten Semester Elektrochemie: Reines Wasser taugt nicht als Elektrolyt. Es leitet Ladungen zu schlecht. Wer elektrische Energie speichern will, muss daher mit Salzen, Säuren oder organischen Lösungsmitteln nachhelfen. Doch wenn man das Wasser einsperrt, ändert sich alles.
Ein Team um Vasily Artemov von der TU Hamburg hat Wasser in Tonkanäle von einem Nanometer Breite gesperrt, 100.000-mal dünner als ein Haar. Dort verhält sich die vertrauteste Flüssigkeit der Welt laut den Forschern auf einmal wie ein brauchbarer Elektrolyt.
Der daraus gebaute „Blue Capacitor“ lädt und entlädt zuverlässig, hält Spannungen aus, an denen normales Wasser längst zerfallen wäre, und besteht ausschließlich aus Stoffen, die die Erde im Überfluss hergibt. Die Studie ist jetzt in Nature Communications erschienen.
Inhaltsverzeichnis
Warum reines Wasser bisher durchfiel
Der Blue Capacitor gehört zur Familie der Superkondensatoren. In einfachen Worten: Während eine Batterie Energie in chemischen Reaktionen speichert, trennt ein Kondensator lediglich elektrische Ladungen. Positive auf der einen, negative auf der anderen Seite.
Das macht ihn blitzschnell beim Laden und Entladen und nahezu verschleißfrei, lässt ihn aber viel weniger Energie speichern als einen Akku. Superkondensatoren ersetzen Batterien deshalb nicht, sie ergänzen sie. Vor allem dort, wo es auf schnelle, häufige Ladungswechsel ankommt.
Damit die Ladungen fließen können, braucht jeder Superkondensator einen Elektrolyten. Reines Wasser kam für diese Aufgabe bislang nicht in Frage. Erst Zusätze wie Salze oder Säuren machen es leitfähig genug, sofern die Hersteller nicht direkt zu organischen Lösungsmitteln greifen, die oft brennbar und aufwendig zu entsorgen sind.
„Unser Ziel ist es, sicherere und nachhaltigere Energiespeichertechnologien zu entwickeln, die auf häufig vorkommenden Rohstoffen statt auf komplexen chemischen Verbindungen basieren“, begründet Hauptautor Vasily Artemov die Arbeit seines Teams.
Was Millionen Kanäle aus Ton und Graphen bewirken können
Die Lösung des Hamburger Teams, an dem auch Forschende der EPFL in Lausanne, des DESY und des MIT beteiligt waren, klingt paradox: Sie machen das Wasser besser, indem sie es einsperren. Das Prinzip:
- Tonmineralien werden mit Graphen kombiniert, einer hochleitfähigen Form von Kohlenstoff. Die Schichten stapeln sich zu einem Labyrinth aus Millionen parallelen Kanälen.
- Jeder Kanal ist nur etwa einen Nanometer breit – rund 100.000-mal dünner als ein menschliches Haar. In die Kanäle passen nur wenige Lagen Wassermoleküle.
- In dieser Enge verhält sich Wasser ganz anders als im Glas oder im Meer: Es kann Ladungen plötzlich effizient bewegen. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass in Nanostrukturen eingeschlossenes Wasser als aktiver Elektrolyt in einem praktischen Energiespeichergerät dienen kann“, so Artemov.
Sichtbar wurde der Effekt am Deutschen Elektronen-Synchrotron in Hamburg. „DESYs brillante Röntgenquelle PETRA III ermöglichte es uns, die ultradünnen Lagen aus einzelnen Wasserschichten in den Tonstrukturen sichtbar zu machen“, erläutert Co-Autor Patrick Huber, Professor an der TU Hamburg.
Mehr Spannung, als Wasser aushalten dürfte
Wie gut das funktioniert, zeigt die Spannung: Der Blue Capacitor arbeitete in Labortests bei bis zu 1,6 V. Normales Wasser zersetzt sich bereits ab etwa 1,23 V in Wasserstoff und Sauerstoff. Dass das eingesperrte Wasser deutlich mehr verträgt, werten die Forschenden als Beleg dafür, dass sich die ungewöhnlichen Eigenschaften von Wasser auf der Nanoskala praktisch nutzen lassen.
Über mehr als 60.000 Lade- und Entladezyklen blieb die Leistung laut den Forschenden stabil. Extreme Stabilität ist zugegebenermaßen der klassische Vorteil aller Superkondensatoren gegenüber Batterien – kommerzielle Modelle schaffen 100.000 Zyklen und mehr. Bemerkenswert ist also nicht die Zahl der Ladezyklen selbst, sondern dass ihn ein Laboraufbau mit purem Wasser erreicht hat. Das System spielt damit in der Stabilitätsklasse der etablierten Technik, aber mit einer anderen Chemie.
„Völlig neue technologische Anwendungen“
Die Forschenden räumen selbst ein, dass ihre Forschung noch am Anfang steht. Bis zu kommerziellen Anwendungen sei es noch ein weiter Weg. Sollte der Sprung gelingen, könnten Speicher aus Wasser, Ton und Kohlenstoff aber dort zum Einsatz kommen, wo schnelle und häufige Lastwechsel gefragt sind – etwa beim Abfedern von Schwankungen aus Wind- und Solarstrom, zur Stützung von Stromnetzen oder in Geräten mit ständigen Ladezyklen. Auch jenseits der Energiespeicherung könnte das nanoeingesperrte Wasser Anwendungen inspirieren, von Sensoren bis zum neuromorphen Rechnen.
Entstanden ist die Arbeit im Exzellenzcluster „BlueMat – Water-Driven Materials“, einem Exzellenzcluster der TU Hamburg, der seit Anfang 2026 mit rund 60 Mio. € gefördert wird. Das Ziel: Materialien neue Eigenschaften zu entlocken, indem man sie mit Wasser kombiniert.
„Unsere Arbeit zeigt, dass selbst eine vertraute Substanz wie Wasser unerwartete Eigenschaften offenbaren kann, wenn man sie im Nanobereich betrachtet“, resümiert Artemov. „Durch das Verständnis dieser Eigenschaften könnten wir in der Lage sein, völlig neue technologische Anwendungen zu entwickeln.“
Ein Beitrag von:
