Forschung -

Nanogenerator liefert Elektrizität bei Schneefall

UCLA-Forscher haben ein neues Gerät entwickelt, das bei Schneefall Strom erzeugt. Es ist das erste seiner Art - es ist preiswert, klein, dünn und flexibel wie ein Kunststoffblatt.

"Das Gerät kann in abgelegenen Gebieten funktionieren, weil es seine eigene Energie liefert und somit keine Batterien benötigt", sagte Senior-Autor Richard Kaner, der den Chair in 'Materials Innovation' der UCLA innehat.

"Es ist ein sehr cleveres Gerät - eine Wetterstation, die einem sagen kann, wie viel Schnee fällt, in welche Richtung der Schnee fällt, sowie in welche Richtung und mit welcher Geschwindigkeit der Wind geht."

Die Forscher nennen es einen schneebasierten triboelektrischen Nanogenerator oder Snow TENG. Ein triboelektrischer Nanogenerator, der durch statische Elektrizität Ladung erzeugt, produziert Energie aus dem Elektronenaustausch. Der Forschungsbericht erschien in "Nano Energy".

"Statische Elektrizität entsteht durch das Zusammenspiel von einem Material, das Elektronen auffängt, und einem anderen, das Elektronen hergibt", sagte Kaner, der auch ein angesehener Professor für Chemie und Biochemie sowie für Materialwissenschaften und Technik und Mitglied des 'California NanoSystems Institute' an der UCLA ist. "Man trennt die Ladungen und erzeugt Elektrizität praktisch aus dem Nichts."

Schnee ist positiv geladen und gibt Elektronen ab. Silikon - ein synthetischer kautschukähnlicher Werkstoff, der sich aus Silizium- und Sauerstoffatomen zusammensetzt, kombiniert mit Kohlenstoff, Wasserstoff und anderen Elementen - ist negativ geladen. Bei Schneefall auf der Oberfläche von Silikon wird eine Ladung erzeugt, die das Gerät auffängt und damit Elektrizität erzeugt.

"Schnee ist bereits geladen, also dachten wir, warum bringen wir nicht ein anderes Material mit der entgegengesetzten Ladung dazu und extrahieren die Ladung, um Elektrizität zu erzeugen", sagte Co-Autor Maher El-Kady, UCLA-Forscherassistent für Chemie und Biochemie.

"Während Schnee gerne Elektronen aufgibt, hängt die Leistung des Gerätes jedoch von der Effizienz des anderen Materials bei der Gewinnung dieser Elektronen ab", fügte er hinzu.

"Nach dem Testen einer großen Anzahl von Materialien, einschließlich Aluminiumfolien und Teflon, haben wir festgestellt, dass Silikon mehr Ladung produziert als jedes andere Material."

Etwa 30 Prozent der Erdoberfläche sind jeden Winter von Schnee bedeckt. Während dieser Zeit funktionieren Solarmodule oft nicht, so El-Kady. Die Schneeansammlung reduziert die Menge an Sonnenlicht, die auf die Solaranlage trifft, wodurch die Leistung der Module begrenzt und ihre Effektivität verringert wird. Das neue Gerät könnte in Solarmodule integriert werden, um eine kontinuierliche Stromversorgung bei Schneefall zu gewährleisten, sagte er.

Das Gerät kann zur Überwachung von Wintersportarten wie Skifahren eingesetzt werden, um die Leistung eines Athleten beim Laufen, Gehen oder Springen genauer zu beurteilen und zu verbessern, sagte Kaner.

Es hat auch das Potenzial, die wichtigsten Bewegungsmuster im Skilanglauf zu identifizieren, die mit einer intelligenten Uhr nicht erkannt werden können.

Es könnte somit eine neue Generation von autarken tragbaren Geräten zur Überwachung von Athleten und deren Leistungen einführen. Es kann auch Signale senden, die anzeigen, ob sich eine Person bewegt. Es kann auch 'erkennen', wann eine Person geht, läuft, läuft, springt oder marschiert.

Das Forschungsteam entwarf das Gerät mit 3-D Druck, das eine Silikonschicht und eine Elektrode zum Einfangen der Ladung aufweist. Das Team ist der Ansicht, dass das Gerät angesichts der "einfachen Herstellung und der Verfügbarkeit von Silikon" zu niedrigen Kosten hergestellt werden könnte", sagte Kaner.

Silikon wird in der Industrie, in Produkten wie Schmierstoffen, elektrischen Drahtisolierungen und biomedizinischen Implantaten weit verbreitet eingesetzt und hat nunmehr das Potenzial zur Energiegewinnung.

Zu den Co-Autoren gehören Abdelsalam Ahmed, der die Forschung während seines Doktoratsstudiums an der University of Toronto durchführte, Islam Hassan und Ravi Selvaganapathy von der kanadischen McMaster University sowie James Rusling von der University of Connecticut und sein Forschungsteam.

Kaners Forschung wurde von 'Nanotech Energy' finanziert, einem Unternehmen, das aus seiner Forschung hervorgegangen ist (Kaner ist Vorsitzender des wissenschaftlichen Beirats und El-Kady Chief Technology Officer.

Kaners Labor hat zahlreiche Geräte hergestellt, darunter eine Membran, die Öl und Wasser trennt und die beim Ölfracking zurückbleibende Ablagerungen beseitigt. Das Fracking dient der Gewinnung von Gas und Öl aus Schiefergestein.

Kaner, El-Kady und Kollegen haben in 2017 ein Gerät entwickelt, das Solarenergie zur kostengünstigen und effizienten Erzeugung und Speicherung von Energie nutzt, mit der elektronische Geräte betrieben und Wasserstoff für umweltfreundliche Autos erzeugt werden können.

In diesem Jahr veröffentlichten sie Forschungsarbeiten über die Entwicklung des ersten feuerhemmenden, selbstlöschenden Bewegungsmelders und Stromerzeugers, der sich in Schuhe oder Kleidung von Feuerwehrleuten und anderen, die in rauen Umgebungen arbeiten, integrieren lässt.

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