Technische Innovation

Saubere und unbegrenzte Energie: 2D-Material soll als Quelle dienen

Nicolas Meudt Autor, Hemd & Hoodie

Forscher haben im „Wundermaterial“ Graphen ein Schlupfloch entdeckt, das dafür genutzt werden soll, unbegrenzt Energie zu gewinnen.

Ein Perpetuum mobile, das – einmal in Gang gesetzt – ohne weitere Energiezufuhr ewig in Bewegung bleibt und dabei eventuell sogar Arbeit verrichtet, gibt es leider nicht. Aufgrund der physikalischen Gegebenheiten auf diesem Planeten wird ein solches Gerät wohl auch auf ewig ein reines Gedankenspiel bleiben. Allerdings wollen Forscher nun tatsächlich ein Schlupfloch gefunden haben, das die Gesetze der Physik außer Kraft zu setzen scheint und eines Tages als Quelle für saubere und unbegrenzte Energie dienen könnte.

Um zu verstehen, wie diese neue Energiequelle funktionieren soll, lohnt ein Blick zurück ins Jahr 2004. Damals gelang es zwei Physikern, eine einzelne Schicht von Kohlenstoffatomen aus einem Stück Graphit zu lösen und so das erste zweidimensionale Material zu erzeugen. Getauft wurde es auf den Namen „Graphen“. Für ihren Durchbruch erhielten die beiden Wissenschaftler 2010 den Nobelpreis für Physik.

Starke Vibration ermöglicht Existenz von Graphen

Die Existenz des 2D-Materials ist eigentlich ein Paradoxon. Ermöglicht wird sie durch das eingangs genannte „Schlupfloch“, genauer gesagt eine starke Vibration der Atome, die dem „Wundermittel“ eine dritte Dimension verleihen. Dieses Phänomen ist als Brownsche Bewegung bekannt und verhindert, dass sich die Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen spontan auflösen.

Thibado und seine Studenten nutzten dieses Rastertunnelmikroskop, um die Bewegungen von Graphen zu beobachten. Bild: Research Frontiers – Paul Thibado & Wikipedia – Greg L (CC BY-SA 3.0) – (Montage)

Das genaue Ausmaß der Graphen-Vibrationen wollte ein Doktoranden-Team um den Physiker Paul Thibado untersuchen. Die in der Studie gemessenen Schwingungen stimmten allerdings nicht mit zuvor gemachten Berechnungen überein. Zwischenzeitlich hätten die Studenten schon das Gefühl gehabt „nichts Nützliches“ lernen zu können, so der Professor.

Energie lässt sich mit Hilfe von Nanotechnologie sammeln

Dann allerdings machten die Experten die Entdeckung, dass die Schwingungen der Graphenwellen ausreichen könnten, um Energie zu gewinnen. Denn im Gegensatz zu Atomen in einer Flüssigkeit, die sich in zufälliger Richtung bewegen, bewegen sich die Atome im 2D-Material gemeinsam. Dies bedeutet, dass ihre Energie mithilfe vorhandener Nanotechnologie gesammelt werden kann.

Thibado hat damit begonnen, einen „Vibration Energy Harvester“ zu entwickeln, der Energie in Elektrizität umwandeln soll. Bild: Research Frontiers – Paul Thibado

Um die gesammelte Energie in Elektrizität umzuwandeln und sie somit nutzbar zu machen, hat Thibado damit begonnen, einen „Vibration Energy Harvester“ zu entwickeln. Die Vorrichtung soll eine negativ geladene Graphenfolie einschließen, die zwischen zwei Metallelektroden aufgehängt ist. Steigt das Graphen auf, induziert es eine positive Ladung in die obere Elektrode. Senkt sich das 2D-Material, lädt es die untere auf und erzeugt so Wechselstrom. Vor Kurzem hat der Physiker für seinen Generator bereits ein Patent beantragt

Zahlreiche Anwendungsgebiete vorstellbar

Die Graphen-Stücke im Labor des Physikers messen zwar lediglich zehn Mikrometer im Durchmesser und sind damit so winzig, dass mehr als 20.000 von ihnen auf einem Nadelkopf Platz finden könnten. Allerdings soll jede Welle des Materials zehn Pikowatt Leistung erzeugen. Dem Professor zufolge würde somit ein einzelnes Stück ausreichen, um eine Armbanduhr anzutreiben, ohne dass es dabei jemals zu Abnutzungserscheinungen kommen würde.

Die selbstladende Energiequelle könnte eines Tages biomedizinische Geräte wie Herzschrittmacher, Hörgeräte und tragbare Sensoren mit Strom versorgen.

Aus diesem Grund attestiert Thibado seinen Generatoren enormes Potenzial. Geht es nach dem Physiker, könnten diese schon in absehbarer Zeit Objekte dazu befähigen, Informationen zu senden, zu empfangen, zu verarbeiten und zu speichern. Allerdings könnten die mikroskopisch kleinen Energiequellen nicht nur Alltagsgegenstände, sondern auch biomedizinische Geräte wie Herzschrittmacher, Hörgeräte oder tragbare Sensoren mit Strom versorgen.

Cover-Foto: Flickr – CORE-Materials (CC BY-SA 2.0) – (Montage)

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