Graphen - eine Erntemaschine für saubere Energie unserer Zukunft
In den 1960er Jahren waren Wissenschaftler überzeugt, dass die Gewinnung nutzbarer Energie aus zufälliger Bewegung winziger Teilchen eine Sackgasse sei. Glücklicherweise ist diese Meinung nun widerlegt. Die Teilchen haben offenbar nur auf das richtige Material “gewartet”. Ein Graphen-Energiesammler aus der Universität von Arkansas (USA) setzt diesen Effekt nun ein.
Transformation der Brownschen Bewegung in die Praxis
Bevor wir uns der Universität von Arkansas zuwenden, machen wir einen Zwischenstopp an der Brown University in Rhode Island. Hier erhalten wir eine kurze Einführung in die Brownsche Bewegung, genauer gesagt der Brownschen Molekularbewegung. Denn sie ist der Schlüssel zu Allem.
Im Jahr 2016 gaben Forscher der Brown University und des Lawrence Berkeley National Laboratory einen Überblick über den Stand der Wissenschaft zur Brownschen Bewegung. Sie stellten fest, dass dieses Phänomen bereits 1827 vom Botaniker Robert Brown beschrieben wurde. Nach ihm wurde die Bewegung auch benannt. Er beobachtete unter dem Mikroskop “die unaufhörliche und unregelmäßige Bewegung kleiner, in einer Flüssigkeit schwebender Körner”. “Im klassischen Sinne bezieht sich das Phänomen auf die zufällige Bewegung eines Teilchens in einem Medium, z. B. Staub in einer Flüssigkeit”, erklären die Forscher.
“Heute kann diese Theorie auch angewandt werden, um das schwankende Verhalten eines allgemeinen Systems zu beschreiben, das mit der Umgebung interagiert[…]” Die Forscher nennen zahlreiche Anwendungsbereiche, darunter die Mikrorheologie viskoelastischer Materialien, künstliche Brownsche Motoren und den Selbstantrieb aktiver Materie, Fluktuationstheoreme für gleichgewichtsferne Zustände und Quantenfluktuationen. Mikrorheologie bezieht sich auf die Messung eines Stroms von Materie.
Die Anfänge eines Graphen-Energiesammlers
Es gibt mittlerweile eine Menge wissenschaftlicher Aktivitäten rund um die Brownsche Bewegung. Bedenkt man, dass noch vor wenigen Generationen solche Arbeiten kaum gefördert wurden. ” Nützliche Arbeit aus zufälligen Fluktuationen in einem System im thermischen Gleichgewicht zu gewinnen, galt lange Zeit als unmöglich”, erklärte die Universität von Arkansas in einer Pressemitteilung im August 2023. Eine Vortragsreihe eines einflussreichen US-Physikers in den 1960er Jahren führte dazu, dass die Diskussion über “Brownsche Energie-Harvester” eine lange Zeit eingestellt wurden. Diese Zeit ist nun vorbei. Dies vorallem durch die Entdeckung von Graphen im Jahr 2004. Graphen ist ein zweidimensionales Material, das man einfachst auch selbst herstellen kann. Klebt man ein Stück Klebeband auf ein Stück Graphit, wie z.B. in Bleistiftminen enthalten und zieht das Klebeband von dort ab, hat man vereinfacht gesagt bereits Graphen vorliegen. Natürlich ist das noch kein zweidimensionales Graphen. Doch das ist der Beginn manueller und experimenteller Gewinnung und Reproduktion – die Trennung von Graphit in seine einzelnen freischwingenden Schichen – das Graphen.
In weiterer Folge haben sich zahlreiche Forschungsarbeiten damit beschäftigt, wie man Graphen von einem Klebeband auf andere – z.B. leitfähige – Trägermaterialen bringt. Hierzu gibt es jetzt bereits verschiedene hochtechnologische Ansätze auf Nanoebene. Kommen wir zurück zum neuen Graphen-Energiesammler der Universität von Arkansas. Ein Forscherteam der Universität untersucht seit mehr als 10 Jahren nun schon die Wellenbewegung von freischwingenden Graphenblättchen. Im August 2023 erreichte man einen Meilenstein, den man als Studie mit dem Titel “ Charging capacitors from thermal fluctuations using diodes” in der “Zeitschrift Physical Review E” veröffentlichte.
Hauptsächlich ging es um thermische Fluktuationen. Denn das ist der Schlüssel. Das Team beobachtete, dass Graphenblätter bei Umgebungstemperaturen in einer kräuselnden Bewegung auf- und abschwingen und stellte einen Weg vor, wie man diese Schwankungen in der Praxis nutzen kann.
Der Weg von der Welle zur Arbeit
Das Forschungsteam unter der Leitung von Professor Paul Thibado vom Fachbereich Physik der Hochschule hat bereits einen Vorsprung. Im Sommer 2023 wurde die Universität von Arkansas auf die Arbeit des Teams an der GEH-Technologie (Graphene Energy Harvester) aufmerksam. Hier ist die Erklärung der Schule (zur besseren Lesbarkeit wurde ein Bruch eingefügt): “GEH verwendet eine negativ geladene Graphenschicht, die zwischen zwei Metallelektroden liegt. Klappt man das Graphen nach oben, wird die obere Elektrode positiv geladen. Klappt man es nach unten, lädt es die untere Elektrode positiv auf Dadurch entsteht ein Wechselstrom. Mit gegenläufig verdrahteten Dioden, die den Strom abwechslend gerichtet fließen lassen, wird ein pulsierender Gleichstrom erzeugt. Dieser belastet dann einen Lastwiderstand. Das hat sich schnell herumgesprochen, denn Anfang 2024 erhielt das Forschungsteam von der WoodNext-Stiftung einen Fünfjahreszuschuss in Höhe von 904.000 USD, um die Entwicklung ihres Graphen-Energiesammlers aktiv fortsetzen zu können.
Von Nanowatt zu Kilowatt
Die Forschung dort konzentriert sich auf Anwendungen im Sensormaßstab, nicht auf die Entwicklung neuer großer Graphen-Solarzellen oder Windturbinen. Die GEH erzeugt jedoch einen “Welleneffekt” auf die gesamte Branche der erneuerbaren Energien. Denn sie zeigt neue Möglichkeiten für verschiedenste Anwendung auf. Im Gegensatz zu batteriebetriebenen Sensoren würde ein GEH Energie aus der lokalen Umgebung gewinnen und womöglich mehrere Jahrzehnte lang halten, bevor es ersetzt werden müßte.
Die Fernerkundung mit nicht batteriebetriebenen Sensoren kann beispielsweise dazu beitragen, die Effizienz von Windturbinen zu maximieren und potenzielle Wartungsprobleme zu beheben, bevor sie zu tatsächlichen Problemen werden. Die jüngsten Bedenken hinsichtlich der Sicherheit von Offshore-Windparks in Europa unterstreichen den Bedarf an genaueren, langlebigen Sensoren.
Als weitere klimabezogene Anwendungen der Sensorik nannte Thibado unter anderem das Management von Logistikflotten, die Verfolgung von Viehbeständen, Bodensensoren, die Überwachung des Klimas in der Landwirtschaft, die Überwachung von Fertigungsprozessen, intelligente Stromnetze und die Abfallwirtschaft. Das nächste Ziel des Teams ist nun, die Leistung der Sensoren mit Hilfe der WoodNext Foundation zu steigern.
“Wir haben erfolgreich ein Verfahren zur Herstellung von auf Graphen basierenden Strukturen zur Energiegewinnung entwickelt”, sagte Professor Thibado Anfang 2024 in einer Presseerklärung, “Doch unsere derzeitigen Strukturen gewinnen noch nicht genug Energie. Die Kooperation mit WoodNext wird es uns ermöglichen, diese Strukturen so zu optimieren, dass sie ausreichend Energie ernten können, um Sensoren dauerhaft zu betreiben.
In den nächsten fünf Jahren wird das Team noch viel zu tun haben. Die WoodNext-Förderung sieht nämlich vor, Energie aus verschiedenen Quellen der Umgebung zu gewinnen. Darunter versteht man Solar-, Wärme-, Schall-, kinetische, nichtlineare und Umgebungsstrahlung.
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