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 jetzt zeichnet sich eine neue Erkenntnis ab: 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 gepresst, 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
Was ist ein Superkondensator?
Der Blue Capacitor gehört zur Familie der Superkondensatoren. Der Unterschied zur Batterie liegt im Speicherprinzip:
- Eine Batterie speichert Energie chemisch. Beim Laden zwingt der Strom das Elektrodenmaterial in einen energiereicheren Zustand: Ionen wandern von einer Elektrode zur anderen und lagern sich dort ein, beim Entladen läuft die Reaktion rückwärts. So passt viel Energie auf wenig Gewicht, aber der ständige Umbau kostet Zeit und greift bei jedem Zyklus das Material an.
- Ein Kondensator speichert Energie physikalisch. Hier reagiert nichts; positive und negative Ladungen werden voneinander getrennt und festgehalten. Schließt man den Stromkreis, gleichen sie sich augenblicklich wieder aus. Laden und Entladen gelingen deshalb in Sekundenbruchteilen, praktisch ohne Verschleiß. Allerdings passt in ein elektrisches Feld weniger Energie als in einen Batterieakku.
- Ein Superkondensator holt aus diesem Prinzip noch mehr heraus. Seine Elektroden bestehen aus porösem Material, meist Kohlenstoff. Schon wenige Gramm besitzen die innere Oberfläche eines Fußballfelds. An dieser riesigen Grenzfläche zum Elektrolyten sammeln sich die Ladungen dicht an dicht. Das vervielfacht die Kapazität, ohne das schnelle, verschleißfreie Prinzip aufzugeben. Superkondensatoren ergänzen Batterien damit, wo es auf schnelle, häufige Ladungswechsel ankommt. Sie sind aber kein Ersatz dafür
Warum reines Wasser bisher durchfiel
Damit die Ladungen fließen können, braucht ein 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.
Vasily Artemov und sein Team wollten das Wasser als Elektrolyten nutzen, ohne auf diese Zusätze angewiesen zu sein. „Unser Ziel ist es, sicherere und nachhaltigere Energiespeichertechnologien zu entwickeln, die auf häufig vorkommenden Rohstoffen statt auf komplexen chemischen Verbindungen basieren“, fasst Artemov zusammen.
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: Sie sperrten das Wasser ein und erhöhten damit seine Leitfähigkeit. 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 von Wassermolekülen.
- 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 (DESY), das auch für die Kernfusionsforschung genutzt wird. „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, wird an der entstandenen Spannung sichtbar. 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 auch praktisch nutzen lassen.
Über mehr als 60.000 Lade- und Entladezyklen blieb die Leistung laut den Forschenden stabil. Klar: Eine extrem hohe Stabilität ist ohnehin der typische Vorzug von Superkondensatoren gegenüber Batterien – kommerzielle Modelle schaffen 100.000 Zyklen und mehr.
Bemerkenswert ist daher nicht die Zahl der Ladezyklen selbst, sondern dass sie ein Laboraufbau mit reinem Wasser erreicht hat. Das System spielt also in der Stabilitätsklasse der etablierten Technik, aber mit einer anderen Chemie.
„Völlig neue technologische Anwendungen“
Die Wissenschaftler räumen 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:
- beim Abfedern von Schwankungen aus Wind- und Solarstrom
- in Geräten mit häufigen Ladezyklen
- jenseits der Energiespeicherung könnte das nanoeingesperrte Wasser auch ganz neue Anwendungen inspirieren, von Sensoren bis zum neuromorphen Rechnen.
Entstanden ist die Arbeit im Exzellenzcluster „BlueMat – Water-Driven Materials“ der TU Hamburg, der seit Anfang 2026 mit rund 60 Mio. € gefördert wird. Ziel ist, 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:
