Wenn die Stromquelle nie versiegt 13.04.2022, 07:00 Uhr

Dieser innovative Graphen-Akku lädt sich von selbst

Forschenden aus den USA ist es gelungen, die natürliche Bewegung von Kohlenstoffatomen in Graphen zu nutzen, um Wärme aus der Umgebung in elektrische Energie umzuwandeln. Naht die selbstladende Batterie?

Graphen-Struktur

Verformt sich Graphen, entsteht elektrische Energie – womöglich für Batterien.

Foto: panthermedia.net/ogwen

Weltweit verbessern Ingenieurinnen und Ingenieure Batterien immer weiter. Doch ohne Strom helfen leistungsstarke Akkus nichts, wenn ihre Energie verbraucht worden ist. Wer Handy, Laptop oder Tablet-Computer dringend benötigt und nicht auf Steckdosen hoffen kann, packt zur Sicherheit mehrere Powerbanks ein. Und bei noch relevanteren Technologien wie Herzschrittmachern wären Energiequellen, die nie versiegen, der Traum aller Patientinnen und Patienten.

Physikerinnen und Physiker der University of Arkansas suchen schon lange nach zeitgemäßen Lösungen. Ihnen ist es nun gelungen, einen Schaltkreis zu entwickeln, welcher die thermische Bewegung von Graphen einfangen und in elektrischen Strom umwandeln kann. „Eine auf Graphen basierende Schaltung zur Energiegewinnung könnte in einen Chip eingebaut werden, um kleine Geräte oder Sensoren mit sauberem, unbegrenztem Strom bei niedriger Spannung zu versorgen“, erklärt Paul Thibado, Professor für Physik und leitender Forscher. Sein Team hat herausgefunden, dass die thermische Bewegung von Graphen bei Raumtemperatur tatsächlich einen Wechselstrom in einem Stromkreis erzeugt: eine Beobachtung, die lange Zeit als unmöglich galt.

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Forschende widerlegen mit Graphen eine alte Theorie

Zum Hintergrund: Graphen, ein Nanomaterial, das aus einer einzigen Schicht Kohlenstoffatome besteht, wurde in den letzten Jahren hinsichtlich einer Vielzahl von Anwendungen erforscht – von der Wasserfiltration bis hin zu Elektronik. Aber Thibado ist der erste Wissenschaftler, der das Potenzial zur Energieerzeugung nutzt. Durch das Projekt sei es gelungen, eine ältere Theorie experimentell zu bestätigen, sagt er. Graphen kann sich so verformen, dass daraus elektrische Energie entsteht.

Die Idee, Energie aus Graphen zu gewinnen, war bei Forschenden lange Zeit umstritten. Denn sie widerlegt die bekannte Behauptung des Physikers Richard Feynman, dass die thermische Bewegung von Atomen, die so genannte Brownsche Molekularbewegung, keine Arbeit verrichten kann. Und in den 1950er-Jahren veröffentlichte der Physiker Léon Brillouin eine bahnbrechende Arbeit, in der er die Idee widerlegte, dass das Hinzufügen einer einzelnen Diode zu einem Schaltkreis die Lösung für die Gewinnung von Energie aus der Brownschen Molekularbewegung sei.

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Mehrere Überraschungen bei den Laborexperimenten mit Graphen

Mit diesem Hintergrundwissen baute Thibados Gruppe ihre Schaltung. Die Forschenden setzten auf zwei Dioden zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom. Da die Dioden einander entgegengesetzt sind und den Strom in beide Richtungen fließen lassen, bieten sie getrennte Wege durch den Stromkreis. Es entsteht ein pulsierender Gleichstrom, der an einem Lastwiderstand elektrische Arbeit verrichtet. Außerdem entdeckten die Forschenden, dass ihre Konstruktion die abgegebene Leistung erhöhte und nicht, wie bisher angenommen, verringert.

Das Team nutzte einen relativ neuen Bereich der Physik, um zu beweisen, dass die Dioden die Leistung der Schaltung erhöhen. „Beim Nachweis dieser Leistungssteigerung haben wir uns aus dem aufstrebenden Gebiet der stochastischen Thermodynamik bedient und die fast hundert Jahre alte, berühmte Theorie von Nyquist erweitert“, berichtet Pradeep Kumar, außerordentlicher Professor für Physik. Laut Kumar gingen Graphen und der Schaltkreis symbiotisch „Beziehungen“ ein. Obwohl die thermische Umgebung auf den Lastwiderstand einwirkt, haben das Graphen und der Schaltkreis dieselbe Temperatur, und es fließt keine Wärme zwischen den beiden Systemen. Temperaturunterschiede zwischen dem Graphen und der Schaltung würden in einem Schaltkreis, der Strom erzeugt, dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik widersprechen. Dieser besagt, dass Wärme nicht von einem Bereich mit niedriger Temperatur in einen Bereich mit höherer Temperatur übertragen werden kann, ohne Arbeit zu leisten.

Graphen: Von der Grundlagenforschung zur Anwendung in Batterien

Das nächste Ziel des Teams ist es, herauszufinden, ob der Gleichstrom in einem Kondensator für eine spätere Verwendung gespeichert werden kann, was eine Verkleinerung des Schaltkreises und seine Strukturierung auf einer Siliziumscheibe oder einem Chip erfordert. Wenn Millionen dieser winzigen Schaltkreise auf Chips mit einem Millimeter Kantenlänge untergebracht werden können, wären sie ein möglicher Batterieersatz für mobile Technologien. Der Strom könnte auch klassische Batterien speisen. Mögliche Einsatzbereiche wären Geräte ohne große Stromaufnahme, etwa Herzschrittmacher oder andere Implantate.

Mittlerweile hält die Universität von Arkansas mehrere Patente für kommerzielle Anwendungen. Ein möglicher Kooperationspartner ist NTS Innovations. Das international tätige Technologieunternehmen mit Hauptsitz in Peoria, Illinois, konzentriert sich auf die Kommerzialisierung von Nanotechnologie, die Produktion grüner Energie und andere umweltverträgliche Services, speziell mit 2D-Materialien.

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Ein Beitrag von:

  • Michael van den Heuvel

    Michael van den Heuvel hat Chemie studiert. Unter anderem arbeitet er für Medscape, DocCheck, für die Universität München und für pharmazeutische Fachmagazine. Seit 2017 ist er selbstständiger Journalist und Gesellschafter von Content Qualitäten. Seine Themen: Chemie/physikalische Chemie, Energie, Umwelt, KI, Medizin/Medizintechnik.

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