Triboelektrizität: „Haarsträubende“ Spannung

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Ob bei der Entwicklung von Implantaten, IoT-Knoten oder elektronischen Pflastern – die Stromversorgung stellt sich häufig „quer“. Deswegen inspiriert seit einigen Jahren ein mysteriöses, uraltes Prinzip Wissenschaftler auf der ganzen Welt.

Reibung ist immer und überall und geht häufig mit Reibungselektrizität einher. Dieses Phänomen war schon dem Naturphilosophen Thales von Milet in der Antike bekannt. Reibt man nämlich Bernstein mit Baumwolle oder einem „griechischen“ Katzenfell, nimmt er Elektronen auf. Die negative Ladung verbleibt dann auf der Oberfläche, wo sie ein elektrisches Gleichspannungsfeld erzeugt, das zum Beispiel Staub und Flusen anzieht. So diente denn auch das gelbe fossile Harz in vornehmen griechischen Haushalten als Kleiderbürste. Lange bevor es zum Namensgeber (altgriechisch elektron = Bernstein) für das Elektron und letztlich für die Elektrizität avancierte.

Anders jedoch, als die Bezeichnungen Reibungselektrizität oder „triboelektrischer Effekt“ (griechisch tribein = reiben) vermuten lassen, ist für die statische Aufladung der Materialien das Trennen von Oberflächen, die vorher miteinander in „intensiven“ (Abstand max. 10 nm) Kontakt standen, verantwortlich. Eines der beteiligten Materialien muss dabei ein schlechter elektrischer Leiter (Dielektrikum) sein. Daneben entscheiden Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Trenngeschwindigkeit über die Höhe der entstehenden Ladungen. Eine schnelle Trennung etwa, resultiert in höheren Ladungen, da weniger Rückströme fließen. Die erzeugten Potentialdifferenzen (Spannungen) können dabei schnell im Kilovolt-Bereich liegen.

Triboelektrizität für Mini-Elektronik

Eine autarke, nachhaltige Energiequelle weckt natürlich Begehrlichkeiten bei Entwicklern in vielen Bereichen moderner Elektronik. Und die Fortschritte in der Nanotechnologie machen sie seit ein paar Jahren auch verfügbar.

So entwickelten etwa die Wissenschaftler der Universität für Wissenschaft und Technik in Peking triboelektrische Nanogeneratoren (TENG). Sie sind günstig herzustellen, effizient, extrem verformbar und außerdem umweltfreundlich.

Im Prinzip besteht der „shape-adaptive TENG“ (saTENG) aus einer Salzlösung als Elektrode und einer Hülle aus elastischem Polymer mit einer nanostrukturierten Oberfläche. Der Kontakt mit einem geerdeten Objekt und die Verformung des Generators führen dazu, dass die Elektrode abwechselnd Elektronen aufnimmt und abgibt.

Unter einer Schuhsohle befestigt, sorgt der „Energie-Ernter“ so bei jedem Schritt für einen „Schub“ Elektronen. Auch Bodenbeläge oder Matratzen mutieren in ähnlicher Weise zu Stromlieferanten. In einem Versuch ließ eine etwa ein Quadratmeter große „saTENG-Matte“ beim wiederholten, „intensiven“ Kontakt mit einer fußgroßen Acrylplatte immerhin 170 LEDs aufleuchten.

Der 3D-gedruckte Nanogenerator des Clemson Nanomaterial Institute (CNI) in South Carolina liefert nicht nur Triboelektrizität, sondern das elektrostatische Feld lässt sich auch in eine Fernbedienung verwandeln.

Goldfinger als Stromlieferant

Die Nanogeneratoren zweier Institute aus Beijing und Buffalo, New York sitzen direkt auf einem Zeigefinger. Wird er gekrümmt, reiben sich ein silikonbasiertes Polymer und zwei dünnen Goldschichten gegeneinander. Der Aufbau liefert maximal 124 Volt und zehn Mikroampere bei einer Leistungsdichte von 0,22 Milliwatt pro Quadratzentimeter. Genug, um 48 LEDs zum Leuchten zu bringen.

Dem Phänomen der Triboelektrizität sind die Wissenschaftler der Universität in Buffalo jetzt in einer kürzlich veröffentlichten Studie noch weiter auf den Grund gegangen. Danach hängt das „haarsträubende“ Phänomen mit winzigen strukturellen Änderungen der Materialoberflächen zusammen, wenn sie miteinander in Kontakt kommen. Computer-Modelle und physikalische Experimente lieferten dabei übereinstimmende Ergebnisse und können nun Tech-Unternehmen dabei unterstützen, mit dieser Technologie nachhaltigere Energieversorgung für kleine, elektronische Geräte zu entwickeln.

 

 

 

 

Ladung (Bild: pixabay/Gerd Altmann)

Statische Elektrizität entsteht immer dann, wenn Objekte in Kontakt kommen und wieder voneinander getrennt werden. (Bild: pixabay/Gerd Altmann).