Papier-Wearable erzeugt Strom aus Luftfeuchte dank Bakterien
Bakterien machen es möglich: Forschende haben ein tragbares Gerät auf Papierbasis entwickelt, das Strom aus der Luftfeuchtigkeit erzeugt.
Bakterien machen es möglich: Dieses tragbare Gerät auf Papierbasis erzeugt Strom aus Luftfeuchtigkeit:
Foto: Binghamton University
Die stetige Nachfrage nach tragbaren Energiequellen stellt die Technologie vor Herausforderungen. Herkömmliche Batterien bieten zwar viel Kapazität, sind jedoch oft schwer und unflexibel. Zudem zeigen sie unter Dauerbetrieb häufig eine kürzere Lebensdauer. Alternativen wie drahtlose Energieübertragung stoßen schnell an ihre Grenzen, da die Reichweite begrenzt und eine permanente Stromversorgung selten möglich ist.
Forschende der Binghamton University in New York haben eine Lösung entwickelt: ein tragbares Gerät auf Papierbasis, das durch Luftfeuchtigkeit Strom erzeugt. Professor Seokheun „Sean“ Choi, Assistenzprofessor Anwar Elhadad und Doktorandin Yang „Lexi“ Gao stellten diese Innovation kürzlich in der Fachzeitschrift Small vor.
Inhaltsverzeichnis
Bakteriensporen sammeln die Feuchtigkeit ein
„Tragbare Elektronik wird in Zukunft Energiegewinnungstechniken nutzen, aber im Moment sind die Techniken zeitlich sehr unregelmäßig, räumlich zufällig und ineffizient umgewandelt“, erklärt Choi. Der Forscher fand heraus, dass Feuchtigkeit in der Luft nahezu überall vorhanden ist und dass sie sich mit einfachen Methoden nutzen lässt, um elektrische Energie zu erzeugen. Diese Erkenntnis veranlasste das Team, ein Gerät zu entwickeln, das durch Luftfeuchtigkeit gespeist wird.
Das papierbasierte Gerät verwendet Bakteriensporen als „funktionale Gruppe“, die die Feuchtigkeitsmoleküle aus der Luft in positive und negative Ionen aufspalten. Diese Ionenbildung erzeugt ein elektrisches Ungleichgewicht und damit eine Ladung, die zur Stromerzeugung genutzt wird.
Janus-Papier verbessert die Leistung
Die Struktur des Geräts spielt eine wesentliche Rolle in seiner Funktionsweise. Durch die Anwendung von Janus-Papier wird der Feuchtigkeitsfluss im Gerät kontrolliert und optimiert. Janus-Papier ist auf einer Seite hydrophil, das heißt, es zieht Wasser an, während die andere Seite hydrophob ist, wodurch das Wasser festgehalten wird, bis es verarbeitet werden kann. Dieser Aufbau führt zu einer erhöhten Effizienz in der Stromerzeugung und sorgt für eine konstante Versorgung des Geräts.
Choi und sein Team nutzten für die Entwicklung dieses Wearables die Erfahrungen aus ihrem Bioelectronics and Microsystems Lab, das in den letzten Jahren umfangreiche Forschungen zu Biobatterien betrieben hat. „Der Grund, warum ich mich für dieses Thema interessierte, ist, dass die Feuchtigkeit in unserer Luft allgegenwärtig ist und mir klar wurde, dass die Energiegewinnung aus Feuchtigkeit sehr einfach ist“, so Choi.
Anwendungsmöglichkeiten des papierbasierten Wearables
Papier bringt eine Reihe von Vorteilen für den Einsatz in Wearables mit sich. Es ist nicht nur leicht und flexibel, sondern auch einfach zu entsorgen und somit umweltfreundlich. Choi bezeichnet diesen Ansatz als „Papertronics“. Seine Vision: Elektronische Geräte, die vollständig aus Papier bestehen und gleichzeitig flexibel, tragbar, kostengünstig und umweltgerecht entsorgbar sind.
Die Anwendungsmöglichkeiten für das papierbasierte Wearable sind vielfältig. Besonders für Geräte, die nur geringe Energiemengen benötigen, könnte es von Bedeutung sein, etwa in der Sensorik. Auch bei der Medikamentenabgabe oder in der elektrischen Stimulation könnte diese Technologie künftig Anwendung finden.
Optimierungen und die Zukunft von Papertronics
Obwohl das Gerät in der jetzigen Form bereits effizient Strom aus Feuchtigkeit gewinnen kann, gibt es noch Spielraum für Verbesserungen. Choi und sein Team arbeiten daran, die Leistungsabgabe zu steigern und mögliche Methoden zur Energiespeicherung zu entwickeln. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist die Miniaturisierung der Technologie.
„Die Größe eines Geräts ist mir zu groß. Ich bin ein MEMS-Typ!“, scherzt Choi. Er sieht großes Potenzial darin, mehrere kleine Zellen auf einer minimalen Fläche zu kombinieren, um die Leistungsdichte zu erhöhen. Durch die Verwendung von Papier könnte sogar Origami als Technik für die Gerätedichte eine Rolle spielen.
Choi betont, dass er Einweggeräte entwickeln möchte, um die Menge an Elektroschrott zu minimieren, die durch langlebige tragbare Geräte erzeugt wird. „Ich möchte nicht vier Monate lang etwas den ganzen Tag lang tragen. Ich möchte es nur für kurze Zeit verwenden und dann wegwerfen – auf diese Weise ist Papier am besten geeignet.“
Diese Herausforderungen warten noch
Trotz der vielen Vorteile und der bereits erzielten Fortschritte sind noch einige Herausforderungen zu bewältigen. Die Effizienz des papierbasierten Feuchtigkeitsgenerators könnte durch Weiterentwicklungen erhöht werden, besonders im Hinblick auf eine kontinuierliche Stromversorgung.
Eine der Hauptfragen bleibt, wie sich die Energie am besten speichern lässt, um die Nutzungsdauer des Geräts zu verlängern. Auch die Integration mit anderen Technologien wie Solarenergie oder Bewegungssensoren wäre denkbar und könnte den Anwendungsbereich des Geräts erweitern.
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