Künstliches Blatt bezieht Energie aus Wind und Regentropfen

Dieser Artikel ist Teil unserer exklusiven IEEE Journal Watch-Reihe in Zusammenarbeit mit IEEE Xplore.

Wenn es darum geht, Energie aus Wasser oder Wind zu gewinnen, kommt einem wahrscheinlich als Erstes ein riesiger Staudamm oder Windpark in den Sinn. Aber denken Sie kleiner.

Forscher in Italien haben ein Energiegewinnungssystem entwickelt, das in Pflanzen eingebettet werden kann und Strom aus Regentropfen oder Wind erzeugt. Bei Regen oder Wind kann das Gerät genug Strom erzeugen, um LED-Leuchten zum Leuchten zu bringen und sich selbst mit Strom zu versorgen. Das neue Gerät wird in einer Studie beschrieben, die am 28. Februar in IEEE Robotics and Automation Letters veröffentlicht wurde.

Fabian Meder ist Forscher und studiert bioinspirierte Soft-Robotik am Italian Institute of Technology (IIT) in Genua, Italien. Er weist darauf hin, dass ein System, das auf Blättern zur Energieerzeugung basiert, besonders nützlich für landwirtschaftliche Anwendungen und die Fernüberwachung der Umwelt sein könnte, wo energieautarke Sensoren benötigt werden, um die Pflanzengesundheit zu beobachten oder die Klimabedingungen zu überwachen.

Bei dem von Meder und seinen Kollegen entwickelten Gerät handelt es sich um ein künstliches Blatt, das an der Unterseite eine Schicht aus Silikonelastomer aufweist und zwischen den Blättern einer echten Pflanze angebracht wird. „Wenn sich die [Blätter] im Wind bewegen, berühren sich die beiden Oberflächen und trennen sich wieder, wodurch statische Aufladungen an der Nagelhaut der Pflanzenblätter und an unserem Gerät entstehen“, erklärt Meder. „Diese Ladungen werden in das innere Zellgewebe der Pflanze induziert und erzeugen dort einen Strom. Diesen Strom können wir durch eine in das Pflanzengewebe eingeführte Elektrode gewinnen.“

Mehrere bestehende, in Pflanzen eingebettete Energieerntemaschinen verwenden eine ähnliche Technik, um Strom aus Wind zu erzeugen, aber diese Forschungsgruppe ging bei ihrer Arbeit noch einen Schritt weiter und ermöglichte es ihrem Gerät, auch Energie aus Regentropfen zu gewinnen.

Während sich die Silikonelastomerschicht an der Unterseite des künstlichen Blattes befindet, um durch das Rascheln der Blätter statische Aufladungen zu erzeugen und abzuleiten, weist das künstliche Blatt auf seiner Oberseite eine andere Schicht aus fluoriertem Ethylenpropylen (FEP) auf. Wenn Regentropfen auf diese oberste Schicht fallen, laden sie die Oberfläche auf und verbinden die in und auf dem künstlichen Blatt eingebetteten Elektroden, wodurch ein Kondensator entsteht. Während die Regentropfen schrumpfen und sich über die Blattoberfläche verteilen, ändert sich die kapazitive Kopplung zwischen den Elektroden und erzeugt einen Strom.

Künstliches Blatt erzeugt Strom aus Regentropfen und Windyoutu.be

In ihrer Studie betteten die Forscher ihr künstliches Blattsystem in die Blätter einer lebenden Oleanderpflanze ein und bewerteten dessen Fähigkeit, bei unterschiedlichen Niederschlags- und Windmengen Energie zu gewinnen. Sie fanden heraus, dass einzelne Wassertropfen Spannungs- und Stromspitzen von über 40 Volt und 15 Mikroampere erzeugen und 11 LED-Leuchten direkt mit Strom versorgen können.

„Die Ergebnisse zeigten, dass mit dem Gerät Wind- und Regenenergiegewinnung möglich ist – entweder getrennt oder gleichzeitig – was es zu einem multifunktionalen Energieernter oder autarken Sensor macht“, sagt Barbara Mazzolai, stellvertretende Direktorin für Robotik und Direktorin der Bioinspired Soft Robotics des IIT Labor, der auch an der Studie beteiligt war.

Sie stellt fest, dass bestehende Energiegewinnungssysteme wie dieses, die ausschließlich auf Windenergie basieren, tendenziell weniger Strom produzieren, wenn ihre Oberflächen nass werden. Die Forscher berichten jedoch, dass ihr neues Gerät bei Nässe tatsächlich mehr Strom erzeugen kann, indem es über die obere FEP-Schicht Energie aus Regentropfen gewinnt.

Basierend auf den Ergebnissen dieser Studie gehen die Forscher davon aus, dass die Leistung ihres künstlichen Blattes durch Designänderungen – etwa an der Form der Elektroden und den Materialien – wahrscheinlich noch weiter verbessert werden kann.

„Wir haben die Technologie zum Patent angemeldet und analysieren die potenziellen Märkte“, sagt Mazzolai. „Dennoch ist vor der Definition des Endprodukts noch einige Recherche notwendig – wir wollen die Systeme beispielsweise im Freien und unter stark wechselnden Wind- und Regenbedingungen im Detail testen.“