Bionik Nanogenerator nach dem Vorbild des Zitterrochen

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Inspiriert vom Zitterrochen, der seine Beutefische mit Stromstößen lähmt, haben chinesische Wissenschaftler eine neue Art von Nanogenerator entwickelt: Ein einzelner Stromschlag aus dem winzigen Gerät könne 1.260 Glühbirnen gleichzeitig zum Leuchten bringen.

Bis zu 3.000 V auf einmal kann der neue Nanogenerator nach dem Vorbild des Zitterrochens generieren, schreibt Song Qunliang, Leiter des Forschungsteams, vom „Institute for Clean Energy and Advanced Materials“ an der Southwest University in Chongqing. Das sei mehr als zehn Mal soviel wie bisher mit ähnlichen Technologien möglich war. Auch kommerzielle Anwendungen seien denkbar.

Was ist ein Nanogenerator?

Nanogeneratoren sind kleine elektronische Chips, die mechanische Signale – wie Bewegungen im Wasser oder fallende Regentropfen – in Elektrizität verwandeln. Die Neuerfindung tauften die chinesischen Wissenschaftler auf den Namen „Total Current Triboelectric Nanogenerator”, kurz TC-TENG.

Wasser-Lade-Shuttle imitiert neuronale Kontrolle

Der neue Nanogenerator sei von der Art und Weise inspiriert, in der Zitterrochen Elektrizität als Waffe gegen ihre Beute einsetzen, ohne sich dabei selbst zu verletzen, schreiben Song und sein Team in dem international angesehenen Wissenschaftsmagazin „Energy & Environmental Science“:

• Jeder Mikro-Tropfen im TC-TENG repräsentiere eine Zelle im elektrischen Organ des Zitterrochens.

• Für sich selbst genommen sei ihre elektrische Ladung harmlos. Erst wenn mehr als 1.000 dieser winzigen Generatoren in einer ordentlichen Kolumne angeordnet werden und ihre Energie auf einen Schlag entladen können, wird es interessant.

• Zitterrochen erreichen dies durch ein komplexes System neuronaler Kontrolle.

• Die Wissenschaftler imitierten diese natürlichen Prozesse, indem sie einen „Wasser-Lade-Shuttle“ entwarfen, der die winzigen Droplets zwischen den Elektroden ihres Gerätes hin- und hertransportiert.

• Sobald die Spannung eine bestimmte Schwelle überschreitet, löst eine Kontrolleinheit die gezielte Entladung aus. Danach beginnt sofort ein neuer Zyklus.

Was sich kompliziert anhört, sei in der Praxis „einfach und robust“, schreiben die Wissenschaftler. „Die Montage könnte daheim mit einer Schere gemacht werden,“ so Song. Man benötige nur Polytetrafluoro-Ethylen(PTFE)-Platten, reguläre Kupfer-Elektroden sowie Platinum- und Kupferdrähte. All das sei nicht teuer.

Für Energy Harvesting, Sensorik und IoT geeignet

Aufgrund dieser Eigenschaften habe ihre Erfindung großes Potenzial für verschiedene Anwendungen des Energy Harvesting, schreiben die Forscher. Ihr TC-TENG unterscheide sich von ähnlichen Geräten vor allem dadurch, dass er Verschiebungs- und Leitungsstrom gleichzeitig nutze.

Die auf so einfache Weise generierten, starken Stromschläge bewiesen, dass ihr Nanogenerator eine „nie dagewesene Fähigkeit zum Energy Harvesting im Wasser mit hoher Entropie” besitze, so Song und Co.

So könnten Sensoren, die auf dieser neuen Technologie basieren, Säure- und Alkali-Lecks in Chemiefabriken entdecken, heißt es. Noch wichtiger als solche Möglichkeiten sei aber das nun vorgestellte neue Design-Prinzip, das wegen seiner Einfachheit und seinen geringen Kosten neue Generationen von Nanogeneratoren künftig viel attraktiver für Anwendungen im Bereich des „Internet of Things” (IoT) machen könnte, heißt es in dem Aufsatz der chinesischen Wissenschaftler.

Der neue TC-TENG kann erstmals Strom aus Nanogeneratoren mit relativ hoher Voltzahl ohne den Einsatz eines Gleichrichters freisetzen, was die Kosten und den Fertigungsaufwand für eine ganze Reihe denkbarer Anwendungen erheblich reduziert. In den zwanzig Jahren seit der Erfindung von Nanogeneratoren hat die Volksrepublik China international gesehen die Führung in diesem neuen Zweig der bionischen Wissenschaften übernommen.

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* Henrik Bork, langjähriger China-Korrespondent der Süddeutschen Zeitung und der Frankfurter Rundschau, ist Managing Director bei Asia Waypoint, einer auf China spezialisierten Beratungsagentur mit Sitz in Peking. „China Market Insider“ ist ein Gemeinschaftsprojekt der Vogel Communications Group, Würzburg, und der Jigong Vogel Media Advertising in Beijing.

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