Nikola Tesla überlegte, ob Strom aus der Luft möglich sei – nun stellt sich die Frage, ob es möglich sein wird, ihn in dem Umfang zu nutzen, den wir für die Stromversorgung unserer Häuser benötigen.
Im frühen 20. Jahrhundert träumte der serbische Erfinder Nikola Tesla davon, grenzenlosen kostenlosen Strom aus der Luft um uns herum zu gewinnen. Immer ehrgeizig, dachte Tesla in großen Maßstäben und betrachtete die Erde und die obere Atmosphäre als zwei Enden einer riesigen Batterie. Unnötig zu erwähnen, dass seine Träume nie verwirklicht wurden, aber das Versprechen von luftbasierter Elektrizität – Hygroelektrizität – regt nun erneut die Fantasie der Forscher an. Der Unterschied: Sie denken nicht groß, sondern ganz, ganz klein.
Im Mai veröffentlichte ein Team der University of Massachusetts (UMass) Amherst einen Artikel, in dem es erklärte, dass es ihnen gelungen sei, aus der Luftfeuchtigkeit einen kleinen, aber kontinuierlichen elektrischen Strom zu erzeugen. Es ist eine Behauptung, die wahrscheinlich einige Augenbrauen hochziehen wird, und als das Team 2018 die Entdeckung machte, die diese neue Forschung inspirierte, tat es das auch.
„Um ehrlich zu sein, es war ein Unfall“, sagt der Hauptautor der Studie, Prof. Jun Yao. „Wir waren eigentlich daran interessiert, einen einfachen Sensor für die Luftfeuchtigkeit zu entwickeln. Aber aus irgendeinem Grund hat der Student, der daran gearbeitet hat, vergessen, den Strom anzuschließen.“
Das Team von UMass Amherst war überrascht, als es feststellte, dass das Gerät, das aus einer Reihe mikroskopisch kleiner Röhren oder Nanodrähte bestand, trotzdem ein elektrisches Signal erzeugte.
Jeder Nanodraht hatte weniger als ein Tausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares und war breit genug, dass ein in der Luft befindliches Wassermolekül eindringen konnte, aber so schmal, dass er im Inneren der Röhre herumstolperte. Das Team erkannte, dass jeder Stoß dem Material eine kleine Ladung verlieh, und als die Häufigkeit der Stöße zunahm, wurde ein Ende des Rohrs anders aufgeladen als das andere.
„Es ist also wirklich wie eine Batterie“, sagt Yao. „Es gibt eine positive und eine negative Anziehungskraft, und wenn man sie verbindet, fließt die Ladung.“
Für ihre aktuelle Studie ist Yaos Team von Nanodrähten übergegangen und stanzt stattdessen Materialien mit Millionen winziger Löcher oder Nanoporen. Das von ihnen entwickelte Gerät hat die Größe eines Daumennagels, ein Fünftel der Breite eines menschlichen Haares und kann etwa ein Mikrowatt erzeugen – genug, um ein einzelnes Pixel auf einem großen LED-Bildschirm zum Leuchten zu bringen.
Was wäre also nötig, um den Rest des Bildschirms oder sogar ein ganzes Haus mit Strom zu versorgen? „Das Schöne ist, dass die Luft überall ist“, sagt Yao. „Auch wenn eine dünne Platte des Geräts nur eine sehr kleine Menge Strom oder Leistung abgibt, können wir im Prinzip mehrere Schichten im vertikalen Raum stapeln, um die Leistung zu erhöhen.“
Genau das versucht ein anderes Team, Prof. Svitlana Lyubchyk und ihre Zwillingssöhne, Prof. Andriy und Sergiy Lyubchyk. Svitlana Lyubchyk und Andriy sind Teil des in Lissabon ansässigen Catcher-Projekts , dessen Ziel es ist, „Luftfeuchtigkeit in erneuerbare Energie umzuwandeln“, und zusammen mit Sergiy haben sie CascataChuva gegründet , ein Startup, das die Forschung kommerzialisieren soll. Sie begannen 2015 mit der Arbeit an der Idee, einige Zeit vor Yaos Team an der UMass Amherst. „Wir galten als die Freaks“, sagt Andriy. „Die Jungs, die etwas völlig Unmögliches gesagt haben.“
Der Versuch, den Wert eines frühen Proof-of-Concept auf Konferenzen zu beweisen, ließ sie tatsächlich im wahrsten Sinne des Wortes erröten. Er sagt: „Das Signal war nicht stabil und schwach. Wir konnten 300 Milliwatt erzeugen, aber man musste seine ganze Kraft in die Lunge stecken, um den Proben genügend Feuchtigkeit einzuatmen.“
Seitdem haben sie einen langen Weg zurückgelegt: Catcher und verwandte Projekte erhielten fast 5,5 Millionen Euro (4,7 Millionen Pfund) an Fördermitteln vom Europäischen Innovationsrat. Das Ergebnis ist eine dünne graue Scheibe mit einem Durchmesser von 4 cm (1,5 Zoll). Nach Angaben der Lyubchyks kann eines dieser Geräte relativ bescheidene 1,5 Volt und 10 Milliampere erzeugen. Allerdings könnten 20.000 davon, gestapelt in einem waschmaschinengroßen Würfel, 10 Kilowattstunden Energie pro Tag erzeugen – ungefähr der Verbrauch eines durchschnittlichen britischen Haushalts. Noch beeindruckender: Sie planen, im Jahr 2024 einen Prototyp zur Demonstration bereitzuhaben.
Ein Gerät, das aus dünner (oder etwas schwüler) Luft nutzbaren Strom erzeugen kann, mag zu schön klingen, um wahr zu sein, aber Peter Dobson, emeritierter Professor für Ingenieurwissenschaften an der Universität Oxford, hat die Forschungen der Teams UMass Amherst und Catcher verfolgt, er ist optimistisch.
„Als ich zum ersten Mal davon hörte, dachte ich: ‚Oh ja, noch einer davon.‘ Aber nein, es hat Beine, dieses hier hat“, sagt Dobson. „Wenn man es konstruieren und skalieren kann und dabei verhindert, dass das Ding durch atmosphärische Mikroben kontaminiert wird, sollte es funktionieren.“
Er weist weiter darauf hin, dass die Verhinderung einer mikrobiellen Kontamination eher eine „spannende technische Herausforderung“ als ein endgültiger Fehler sei, es aber weitaus größere Probleme zu überwinden gäbe, bevor diese Technologie unsere Häuser mit Strom versorgen könne.
„Wie werden diese Geräte hergestellt?“, fragt Anna Korre, Professorin für Umwelttechnik am Imperial College London. „Rohstoffe zu beschaffen, Kosten zu kalkulieren, den ökologischen Fußabdruck zu bewerten und sie für die Umsetzung zu skalieren, erfordert Zeit und Überzeugung.“
Auch wenn die verbleibende Herausforderung, Tausende dieser Geräte miteinander zu verbinden, gemeistert ist, bleiben die Kosten ein erhebliches Problem. „Alle neuen Energietechnologien müssen an die ‚grüne Prämie‘ denken“, sagt Colin Price, Professor für Geophysik an der Universität Tel Aviv, und verweist auf die zusätzlichen Kosten, die durch die Wahl einer sauberen Technologie gegenüber einer Technologie entstehen, die mehr Treibhausgase ausstößt. „Die grünen Prämien für diese Technologie sind derzeit riesig, würden aber hoffentlich durch Forschung und Entwicklung [Forschung und Entwicklung], Investitionen, Steuererleichterungen für saubere Energien und Abgaben auf schmutzige Energien reduziert.“
Die Lyubchyks gehen davon aus, dass die Energiegestehungskosten – die durchschnittlichen Nettostromkosten für die Stromerzeugung eines Generators über seine gesamte Lebensdauer – zunächst zwar hoch sein werden, sie hoffen aber, sie durch den Übergang zur Massenproduktion letztendlich deutlich senken zu können Dadurch wird diese Wasserkraft mit Solar- und Windkraft konkurrenzfähig. Damit das funktioniert, benötigen sie jedoch Investitionen, Zugang zu Rohstoffen und der Ausrüstung für deren Verarbeitung.
Während die Forscher von UMass Amherst mit organischen Materialien arbeiten, die theoretisch relativ einfach hergestellt werden können, hat das Catcher-Team mit Zirkoniumoxid – einem Material, das für die Brennstoffzellenforschung von Interesse ist – hervorragende Ergebnisse erzielt. Die Ljubtschyks hatten gehofft, eine Versorgung aus ihrer Heimat Ukraine, die über reiche Vorkommen verfügt, aufzubauen, aber die andauernde umfassende Invasion des Landes durch Russland zwang sie vorerst dazu, mit relativ kleinen, aus China gekauften Mengen zu arbeiten.
Das Team ist sich darüber im Klaren, dass es Jahre dauern kann, einen Prototyp zu optimieren und die Produktion hochzufahren, aber wenn es gelingt, liegen die Vorteile klar auf der Hand. Im Gegensatz zu Solar- oder Windenergie könnten Hygroelektrische Generatoren Tag und Nacht, drinnen und draußen und an vielen Orten arbeiten. Das Team hofft sogar, eines Tages aus seinen Geräten Baumaterialien herzustellen. „Stellen Sie sich vor, Sie könnten aus diesem Material Teile eines Gebäudes bauen“, sagt Andriy. „Es besteht keine Notwendigkeit, die Energie zu übertragen, keine Infrastruktur erforderlich.“
Es mag alles wie ein Blue-Sky-Denken erscheinen, und Teslas Träume von grenzenloser Elektrizität aus der Luft sind noch in weiter Ferne, aber Yao deutet an, dass wir bei bewölktem Himmel möglicherweise Grund zum Optimismus finden. „In den Wassermolekülen der Luft ist viel Energie gespeichert“, sagt er. „Das ist der Grund für den Blitzeffekt bei einem Gewitter. Die Existenz dieser Art von Energie steht außer Zweifel. Es geht darum, wie wir es sammeln.“
(Google-Übersetzung aus The Guardian) Original: https://www.theguardian.com/science/2023/jul/02/it-was-an-accident-the-scientists-who-have-turned-humid-air-into-renewable-power
Titel-Foto: https://www.pexels.com/photo/photo-of-lightning-1114690/
