Energie auf neuen Wegen - mit Zinkoxid-Nanodrähten

Klein, kleiner, am kleinsten - Miniaturisierung ist "in" in Forschung und Technik. Dementsprechend wächst das Inventar im Nano-Baukasten - und immer wieder sind Zinkoxid-Nanodrähte Bestandteil aktueller Forschungsprojekte. Besonders dann, wenn die Energieerzeugung der Zukunft im Fokus steht, wie bei effizienteren Solarzellen und Weißlichtquellen oder sogar bei der Erschließung des Menschen als "Energiequelle".

Bereits 2009 wurde eine Technologie vorgestellt, die (bio-)mechanische Energie von Körperbewegungen oder sogar vom Blutfluss im Körper in elektrische Energie umwandeln kann, mit der kleinere elektronische Geräte wie Handys oder iPods ohne Batterien betrieben werden könnten. Der Mensch selbst rückt hier als Energielieferant in den Blickpunkt: Durch seine Körperbewegung beim Gehen oder durch kleinste Impulse im Körper, zum Beispiel durch den Herzschlag, könnte er die Energie für den Betrieb seines iPods selbst liefern.

Der Clou hinter der Erschließung der Energiequelle Mensch ist die Nutzung von niederfrequenten Vibrationen. Dabei kommen Zinkoxid-Nanodrähte zum Einsatz, die nur ein Fünftausendstel des Durchmessers eines Haares haben und elektrisch leitend sind. Bereits wenn sie kleinsten mechanischen Bewegungen, wie dem Herzschlag, vibrierenden Stimmbändern oder einem Fingertippen, ausgesetzt sind, erzeugen sie daraus Strom. Ein Handybenutzer könnte somit durch die Fingerbewegungen beim SMS-Tippen die nötige Energie für den Gerätebetrieb selbst liefern.

Power Shirt liefert Strom für das Handy

Nur zwei Jahre später stellt nun ein Team vom Georgia Institute of Technology (Atlanta, USA) und von Samsung Electronics in Südkorea den Prototypen eines hocheffizienten faserbasierten elektrochemischen Mikro-Superkondensators vor, der mit Zinkoxid-Nanodrähten als Elektroden arbeitet. Träger der einen Elektrode ist ein flexibler, feiner Kunststoffdraht, Träger der zweiten eine Faser aus Kevlar. Auf beide Träger ließen die Forscher Zinkoxid-Nanodrähte aufwachsen. Mithilfe von Pinzetten umwickelten sie die Kunststoffdrähte mit je einer Kevlarfaser. Die Anordnung muss dann in einen festen Gel-Elektrolyten eingebettet werden, der die beiden Elektroden separiert und für den notwendigen Ladungstransport sorgt. Ein Bündel aus solchen Fasern könnte zu einem Garn verarbeitet werden.

Zinkoxid hat gegenüber herkömmlichen Materialien für Superkondensatoren besondere Vorteile: Es kann schon bei niedriger Temperatur (unterhalb 100 °C) auf jedes beliebige Trägermaterial in jeder Form aufwachsen und ist biokompatibel sowie umweltfreundlich. Besonders interessant scheint ein Einsatz dieser neuen Stromspeichermedien in Kombination mit flexiblen Nanostromgeneratoren in Faserform. Schon der Herzschlag des Trägers, Schritte oder ein leichter Wind reichen aus, um die darin enthaltenen piezoelektrischen Zinkoxid-Nanodrähte zu bewegen und aus deren Verformung Strom zu gewinnen. In Form sogenannter Power Shirts könnten solche Systeme genügend Strom für elektronische Kleingeräte wie Handys liefern.

NaZOLED: eine neue Generation Leuchtdioden

Während die Power Shirts noch Zukunftsmusik sind, hat der Siegeszug der LEDs schon längst begonnen: Man sieht sie beispielsweise als kleines rotes Lämpchen an Fernbedienungen, in Autoscheinwerfern und Ampelanlagen - kaum ein elektrisches Bauteil kommt noch ohne sie aus. Aber auch in diesem Bereich wird bereits an einer neuen, noch umweltfreundlicheren und effizienteren Generation geforscht: Das Projekt "NaZOLED" des Fachbereichs Physik/Elektrotechnik der Universität Bremen steht für "LEDs aus Zinkoxid-Nanodrähten" - die Wissenschaftler setzen auf Nanodrähte aus Zinkoxid und kombinieren sie zu Leuchtdioden. Durch diese neue Technologie ist es erstmals gelungen, wesentliche Teile von Halbleiterbauelementen aus diesem günstigen, unbedenklichen und stabilen Material zu realisieren. Verglichen mit den etablierten Verfahren sind sowohl das eingesetzte Material als auch der Herstellungsprozess kostengünstiger und toxikologisch unbedenklich.

Interessant ist die Entwicklung in den industriellen Anwendungsbereichen Optoelektronik, Photovoltaik, Wasserreinigung und -entkeimung sowie allgemeine Beleuchtungstechnik. Für die Anwendung bestehen zwei wesentliche Märkte: Einerseits ließen sich die LEDs zur Beleuchtung (vorrangig Weißlicht) sowie als UV-Licht zum Beispiel zur Abwasserreinigung einsetzen - andererseits in der Fotovoltaik. Mit Unterstützung des Bundeswirtschaftsministeriums (BMWi) und der Patent- und Vermarktungsagentur InnoWi GmbH sollen die neuen LEDs bald auf den Markt kommen.

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