Fraunhofer-Institut für Naturwissenschaftlich-Technische Trendanalysen INTTriboelektrische Nanogeneratoren
Nutzer von Smartphones und anderen mobilen elektronischen Geräten kennen das Problem: der Akku ist leer und keine Steckdose ist in Sichtweite. Dabei ließe sich die benötigte Energie zukünftig beim Laufen oder Treppensteigen erzeugen. Das technologische Prinzip heißt „Energy Harvesting“ und meint in diesem Zusammenhang die Nutzbarmachung von Bewegungsenergie durch Umwandlung in elektrische Energie. Mit der Entwicklung von triboelektrischen Nanogeneratoren (kurz: TENG) ist nun eine neue Technologie kurz vor der Marktreife. Schon bald könnte mit jedem Schritt und Tritt Strom erzeugt werden, wenn in Kleidungsstücken oder Schuhen TENGs integriert werden.
Das zugrunde liegende physikalische Prinzip ist simpel: Werden zwei Schichten unterschiedlicher Materialien mit geringer Leitfähigkeit (z. B. Gummisohlen und PVC) in Kontakt gebracht, tauschen sie Elektronen aus und laden sich gegensätzlich auf (sog. Triboelektrischer Effekt). Werden die Schichten wieder voneinander getrennt, baut sich durch elektrostatische Induktion eine Spannung auf und mittels an den Schichten angebrachter Elektroden lässt sich ein Strom abgreifen. Indem die beiden Schichten immer wieder aufeinander zu und weg bewegt werden, entsteht ein periodischer Strompuls.
Neu ist, dass bei bestimmten TENGs nur noch eine triboelektrische Schicht integriert ist. Als zweite Schicht dient dann zum Beispiel der Boden oder die menschliche Haut, was eine große Freiheit bezüglich möglicher Anwendungen mit sich bringt. Zudem sind TENGs mechanisch flexibel und sehr robust. Die verschiedenen Typen von TENGs werden immer weiter verbessert. So lässt sich beispielsweise durch eine Optimierung der Oberflächen die Ladungsübertragung der Nanogeneratoren noch deutlich erhöhen. Eine Kombination von TENGs mit bereits etablierten piezoelektrischen Nanogeneratoren ermöglicht weitere neuartige Anwendungen.
TENGs lassen sich in verschiedene textile Gewebe integrieren. So könnte beim Betreten eines Teppichbodens Strom erzeugt oder die Bewegung von am Körper getragenen Kleidungsstücken zum Aufladen kleiner Akkus genutzt werden. Auch die Entwicklung von sich selbst mit Energie versorgenden Touchscreens, die sich biegen, einrollen oder falten lassen und die bei einem Sturz nicht brechen, wird mit TENGs möglich. Dadurch könnten TENGs in naher Zukunft unter anderem den Einsatz kleinerer Akkus in Smartphones ermöglichen. Auch im Bereich von autonomen Sensornetzwerken und anderen Kleinstverbrauchern gibt es bereits heute, ergänzend zu Solarzellen, einen großen Bedarf an einer weiteren autarken und zuverlässigen Energiequelle.