Faszination Technik Wie Holz elektrische Spannung erzeugt

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: Ein Mini-Generator aus Holz.

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ETH Eidgenössische Technische Hochschule Zürich

EMPA Eidgenössische Material- Prüfungs-und Forschungsanstalt

Komprimiertes Holz erzeugt Spannung, wenn es belastet wird und kann als eine Art Mini-Generator fungieren. Das ist Forschern um Ingo Burgert von der ETH Zürich und der Empa gelungen, die bereits zuvor in bahnbrechenden Entwicklungen vorhandene Eigenschaften von Holz erweitert haben.

Den Forschern gelang das, indem sie je ein chemisches und ein biologisches Verfahren eingesetzt haben, um elektrische Spannung in einer Art Holzschwamm zu erzeugen. Dabei verstärken sie den sogenannten piezoelektrischen Effekt von Holz.

Holz unter Spannung: Wie das gelang

Wird ein piezoelektrisches Material elastisch verformt, erzeugt es eine elektrische Spannung. Dieses Phänomen macht sich vor allem die Messtechnik zunutze, indem sie Sensoren verwendet, die bei mechanischer Belastung ein Ladungssignal erzeugen. Für solche Sensoren werden allerdings oft Stoffe verwendet, die für biomedizinische Anwendungen ungeeignet sind. Etwa Blei-​Zirkonat-Titanat (PZT), das aufgrund des toxischen Bleis für den Einsatz auf der Haut nicht in Frage kommt und speziell entsorgt werden muss.

Auch Holz besitzt einen natürlichen piezoelektrischen Effekt, allerdings entsteht nur eine sehr geringe elektrische Spannung. Will man die erzeugte Spannung erhöhen, muss die chemische Zusammensetzung des Holzes geändert werden, wodurch es auch komprimierbarer wird.

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Wie Holz leicht verformbar wird

Um Holz in ein leicht verformbares Material umzuwandeln, kann man eine Komponente der Zellwände herauslösen. Holzzellwände bestehen aus drei Grundstoffen: Lignin, Hemizellulose und Zellulose. Teamleiter Burgert erklärt: „Das Lignin ist der stabilisierende Stoff, den Bäume benötigen, um weit in die Höhe wachsen zu können. Ohne Lignin, das die Zellen verbindet und verhindert, dass die zugsteifen Zellulosefibrillen ausknicken, wäre das nicht möglich.“

Bereits vor wenigen Monaten konnte Jianguo Sun, Doktorand im Team von Burgert, zusammen mit Kollegen der ETH und Empa zeigen, wie sich Holz verformbar machen lässt, wenn man das Lignin auf chemischem Weg entfernt – mit dem Resultat, dass sich der piezoelektrische Effekt verstärkt.

Mittels chemischer Vorgänge wird so aus einem Stück Balsaholz ein weißer Holzschwamm, der aus übereinanderliegenden, dünnen Zelluloseschichten besteht. Diese lassen sich einfach zusammenpressen und nehmen danach wieder in ihre ursprüngliche Form an. „Der Holzschwamm erzeugt eine um das 85-​fach gesteigerte elektrische Spannung im Vergleich zu nativem Holz“, sagt Sun. 

Ein Mini-Generator aus Holz

Das Team unterzog einen Testwürfel mit einer Seitenlänge von etwa 1.5 cm rund 600 Belastungszyklen. Dabei zeigte sich der Holzschwamm als erstaunlich beständig: Bei jeder Belastung haben die Forschenden eine Spannung von rund 0.63 Volt gemessen, was für eine Anwendung als Sensor brauchbar wäre.

In weiteren Experimenten lotete das Team die Skalierbarkeit dieses Mini-​Generators aus. Werden 30 solcher Holzklötzchen miteinander verbunden und gleichmäßig mit dem Körpergewicht eines Erwachsenen belastet, lässt sich damit bereits ein einfaches LCD-​Display betreiben.

Herstellung mit Pilzen statt Chemie

In einer Folgestudie, die soeben im Fachmagazin Science Advances erschienen ist, ging das ETH-​Empa-Forschungsteam noch einen Schritt weiter: Ziel war es, den Holzschwamm ohne Chemikalien herzustellen. Einen geeigneten Kandidaten, der das Lignin entfernen kann, fanden die Forschenden in der Natur: Der Pilz Ganoderma applanatum verursacht Weißfäule im Holz und baut das Lignin und die Hemizellulose besonders schonend ab. „Zwar war die erzeugte Spannung bei ersten Tests geringer als beim chemisch behandeltem Holz, dafür ist das Pilz-​Verfahren umweltverträglicher“, sagt Burgert.

Ein so simples und nachwachsendes piezoelektrisches System hätte zahlreiche Vorteile: Als mögliche zukünftige Anwendungen der Holzschwämme sehen die Forschenden etwa nachhaltige Baumaterialien, die in der Nutzungsphase Energie erzeugen, oder hautverträgliche Drucksensoren im medizinischen Bereich.

Bis das Piezo-​Holz aber effektiv als Biosensor oder gar als stromerzeugender Parkettboden zum Einsatz kommt, sind noch einige Schritte zu tun. Um die Technologie für industrielle Anwendungen zu adaptieren, sind Burgert und seine Kollegen bereits mit möglichen Kooperationspartnern im Gespräch.

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