Neueste Forschungsergebnisse zeigen, dass tragbare Technologien zur Energiegewinnung jetzt 280 Mal effizienter sind

Du bewegst dich, erzeugst Strom und versorgst deine Smartwatch, dein Handy und andere tragbare Geräte mit Energie - und das viel effizienter als Forscher.

Elektrisches Gerät
Die Gewinnung von elektrischer Energie aus der menschlichen Bewegung durch tragbare Geräte ist ein Bereich, in dem die Forschung an der Wende zum 21. Was ist der neueste Stand der Forschung und wie verbessert sie frühere Technologien? Kredit: Pixabay

Forscher des Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST) in der Republik Korea haben einen neuen Energiesammler entwickelt, der Strom erzeugt, wenn er auf dehnbaren Stoffen verwendet wird. Das Gerät kann Strom von Wearables (d. h. Kleidung) ernten, während sich die Menschen bewegen und ihrem Alltag nachgehen.

Triboelektrisches oder piezoelektrisches Energy Harvesting

Die Forscher hatten die Wahl zwischen einem triboelektrischen und einem piezoelektrischen Energiegewinnungsgerät und entschieden sich für letzteres.

Ein triboelektrischer Energiesammler nutzt den triboelektrischen Effekt, bei dem ausgewählte Materialien in Kontakt gebracht und getrennt werden, wodurch elektrische Ladungen entstehen. Ein triboelektrischer Nanogenerator (TENG) funktioniert auf diese Weise. Ein Stromfluss wird erzeugt, wenn sich die Komponenten ständig berühren und dann wieder trennen, beispielsweise durch Bewegung oder Vibration. TENGs sind besonders anpassungsfähig und können Energie aus alltäglichen Bewegungen wie Gehen oder natürlichen Kräften wie Wind gewinnen, was sie ideal für den Betrieb von tragbarer Elektronik, Umweltsensoren und anderen autarken Geräten macht.

Piezoelektrische Energiesammler verwenden Materialien, die Energie erzeugen, wenn sie zusammengedrückt, gedehnt oder anderweitig physikalisch manipuliert werden. Diese Materialien, zu denen Polymere, Keramik und Quarz gehören, wandeln Schwingungen, Druck und Bewegung in elektrische Energie um. Sie sind in der Lage, Energie aus den Vibrationen zu gewinnen, die von Industriemaschinen, alltäglichen menschlichen Bewegungen und anderen physikalischen/mechanischen Leistungen erzeugt werden.

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Im Gegensatz zu herkömmlichen piezoelektrischen Harvestern, die in der Regel aus organischen oder anderen Verbundwerkstoffen bestehen, haben sich die Forscher (unter der Leitung von Professor Jang Kyung-In) dafür entschieden, ihren Harvester aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) herzustellen. Dieses Material hat im Vergleich zu herkömmlichen Harvester-Materialien einen hohen piezoelektrischen Wirkungsgrad, was das empfindliche Sammeln von Energie aus menschlichen Bewegungen beim Tragen von anbringbaren Energiegeräten begünstigt.

Obwohl PZT dafür bekannt ist, spröde und zäh zu sein, haben Professor Kyung-In und seine Kollegen das Material in eine dreidimensionale Form gebracht, die einer Verformung widersteht, so dass es eine dehnbare und biegsame Qualität aufweist und gleichzeitig eine hohe Energieeffizienz beibehält.

„Die Entwicklung dieser hocheffizienten, dehnbaren piezoelektrischen Energiesammlertechnologie ist ein großer Erfolg dieser Forschung“, sagte Professor Kyung-In gegenüber Eurekalert. „Wir gehen davon aus, dass diese Technologie nach der Kommerzialisierung nützlich sein und zur praktischen Nutzung von tragbaren Energiegewinnern führen wird“, fügte Professor Kyung-In hinzu.

Die Forscher entwickelten ein spezielles Elektrodendesign, bei dem die Elektroden in Teile unterteilt wurden, die der Krümmung des Geräts entsprachen. Dieses innovative Designkonzept erhöhte die Energieerzeugung erheblich, indem es die Aufhebung der Ladung während der Verformung verhinderte. Die Erfindung führte zu einer 280-mal höheren Effizienz als bei typischen piezoelektrischen Harvestern. Das Experiment wurde von der Nationalen Forschungsstiftung Koreas und dem NAVER-Programm für digitale Bioforschung finanziert.

Quellenhinweis:

Curvature-Specific Coupling Electrode Design for a Stretchable Three-Dimensional Inorganic Piezoelectric Nanogenerator. Yea, J.; Ha J.; Lim KS.; Lee H.; Oh S,. et al. December 2024. ACS Nano