Strom aus dem Meer: Nanogenerator nutzt Verdunstung als Energiequelle

Meerwasser verdunstet ständig, sei es an Küsten, auf dem offenen Ozean, in tropischen Regionen rund um den Globus. Forscher:innen an der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) haben nun ein Nanobauteil entwickelt, das genau diesen allgegenwärtigen Prozess zur kontinuierlichen Stromerzeugung nutzt. Das Besondere daran: Das System arbeitet autonom, braucht keine Batterie und kommt ohne seltene Rohstoffe aus.

Ionen in Bewegung bringen

Die Grundlage bildet der sogenannte hydrovoltaische Effekt – ein Phänomen, bei dem elektrischer Strom entsteht, wenn Flüssigkeit über die geladene Oberfläche eines Nanobauteils strömt. Das EPFL-Team um Giulia Tagliabue vom Laboratory of Nanoscience for Energy Technology (LNET) hat dieses Prinzip nun erheblich weiterentwickelt. Ihr Gerät besteht aus einem hexagonalen Feld winziger Silizium-Nanosäulen, zwischen denen Salzwasser verdunsten kann. Entscheidend ist dabei nicht allein die Verdunstung selbst, sondern die Art, wie Wärme und Licht gezielt eingesetzt werden, um Ionen im Wasser und Elektronen im Halbleitermaterial zu steuern. Sonnenlicht regt die Elektronen im Silizium an, während Wärme die negative Oberflächenladung des Materials verstärkt. Gleichzeitig treibt die wärmebedingte Verdunstung Ionen im Salzwasser auseinander, was an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Festkörper ein elektrisches Feld aufbaut.

Fünffache Leistungssteigerung

Dieser Oberflächenladungseffekt war physikalisch zwar bekannt, aber bisher nicht für die Energiegewinnung nutzbar gemacht worden. „Wärme und Licht beeinflussen hydrovoltaische Geräte immer“, erklärt Forscher Tarique Anwar, „aber wir haben herausgefunden, wie wir das zu unserem Vorteil nutzen können.“ Laut den in Nature Communications veröffentlichten Ergebnissen lässt sich die Energieproduktion durch den kombinierten Einsatz von Sonnenlicht und Wärme um den Faktor fünf steigern. „Dieser natürliche Effekt hat immer existiert, aber wir sind die Ersten, die ihn nutzbar machen“, so Tagliabue.

Stabil auch in Salzwasser

Ein weiterer Vorteil des Aufbaus liegt in seiner Dauerhaftigkeit. Hydrovoltaische Systeme leiden häufig darunter, dass Wärme und Licht die Materialien im Laufe der Zeit zersetzen – besonders unter den aggressiven Bedingungen von Salzwasser. Das EPFL-Gerät begegnet diesem Problem durch eine Oxidschicht auf den Nanosäulen, die das Material vor unerwünschten chemischen Reaktionen schützt. Das dreilagige Design mit getrennten Ebenen für Verdunstung, Ionentransport und Ladungssammlung ermöglicht es außerdem, jeden Prozessschritt unabhängig zu beobachten und zu optimieren. Die Forscher:innen hoffen, dass ihre Arbeit die Entwicklung kleiner, batteriefreier Sensornetzwerke vorantreiben wird, etwa für Umweltmonitoring, Wearables und Anwendungen im Internet der Dinge.

via EPFL