Das Labor für Nanowissenschaften und Energietechnologie (LNET) an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne in der Schweiz hat kürzlich ein experimentelles Nanostromerzeugungsgerät entwickelt, das mithilfe des Verdunstungsprozesses von Meerwasser kontinuierlich einen stabilen Strom erzeugen kann. Dieses Gerät nutzt Siliziumhalbleiter als Kern und erreicht eine autonome Stromerzeugung, indem es die Bewegung von Ionen und Elektronen reguliert und die Verdunstung von Meerwasser mithilfe von Licht und Wärme vorantreibt. Forscher gehen davon aus, dass dieser Mechanismus neue Wege für eine umweltfreundliche Energiegewinnungstechnologie eröffnen wird. Relevante Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
In ihrer Arbeit schlugen Giulia Tagliabue, die Leiterin des Forschungsteams, und Tarique Anwar, eine Forscherin, einen „einheitlichen physikalischen und experimentellen Rahmen“ für verdampfungsbetriebene Hydrovoltaiksysteme vor. Der Schlüssel liegt in der Trennung und genauen Steuerung des Schnittstellenprozesses. Der Schnittstellenprozess bezieht sich hier auf die Wechselwirkung zwischen verschiedenen Phasenzuständen wie fest, flüssig, flüssiges Gas usw. Das Forschungsteam hofft, diesen Rahmen nutzen zu können, um den Verdampfungsprozess unter Beteiligung von Sonnenlicht und Wärmeenergie effizienter in elektrische Energie umzuwandeln.
Diese Technologie baut auf der früheren Forschung von LNET zum „Hydrovoltaik-Effekt“ auf. Der sogenannte hydrovoltaische Effekt bedeutet, dass Flüssigkeit, wenn sie durch die Oberfläche geladener Nanogeräte fließt, die Erzeugung elektrischer Energie induzieren kann. Darüber hinaus nutzt das neue Gerät die winzigen Lücken zwischen den hexagonal angeordneten Silizium-Nanosäulen, um die Flüssigkeitsverdunstung zu fördern und dabei die Bewegung der Ionen im Meerwasser zu steuern. Die Forscher wiesen darauf hin, dass Wärme und Licht immer einen Einfluss auf die Leistung von Hydrovoltaik-Anlagen haben werden. Ihr Durchbruch besteht dieses Mal darin, diese ursprünglich unvermeidlichen Effekte erstmals in Leistungsvorteile umzuwandeln, indem sie unerschöpfliches und relativ umweltfreundliches Meerwasser als Energieträger nutzen.
Ein wichtiger konzeptioneller Durchbruch in der Forschung bestand darin, dass das Team herausfand, dass die verbesserte Stromerzeugung nicht einfach das Ergebnis der Verdunstung selbst war. Da das Gerät Silizium-Halbleitermaterial verwendet, erhöht Wärme die negative Ladung auf der Halbleiteroberfläche, während Sonnenlicht die elektronische Aktivität darin stimuliert. Mit anderen Worten: Verdunstung, thermische Effekte und Lichteffekte sind nicht unabhängig voneinander, sondern bilden im Gerät einen synergistischen Effekt, der gemeinsam die Verbesserung der Effizienz der Stromerzeugung fördert.
Nach Angaben des Forschungsteams ist der durch diesen Oberflächenladungseffekt erzielte Gewinn recht erheblich. Durch die Einbringung von Sonnenlicht und Wärme kann die Energieausbeute des Gerätes um das bis zu Fünffache gesteigert werden. Tagliabue sagte, dass dieser natürliche Effekt schon immer existiert habe, aber sie seien die ersten Forscher, die ihn tatsächlich genutzt hätten.
Aus struktureller Sicht verfügt dieses Verdampfungsstromerzeugungsgerät über eine dreischichtige Architektur, die den drei unabhängigen Prozessen Verdampfung, Ionentransport und Ladungssammlung entspricht. Die Oberseite ist die Verdampfungsoberflächenschicht, die mittlere Schicht ist für die Ionenleitung verantwortlich und die Unterseite ist die dielektrische Silizium-Nanosäulenanordnung. Ein solches Schichtdesign hilft Forschern nicht nur dabei, den Prozess und die Ergebnisse jeder Stufe schrittweise zu analysieren und zu kalibrieren, sondern verbessert auch die Gesamtleistung der Stromerzeugung des Geräts weiter und zeigt deutlicher, wie Wärme und Licht die Ladungserzeugung induzieren und die Ionenmigration fördern.
Neben der Fähigkeit zur Stromerzeugung bietet diese Technologie auch klare Vorteile hinsichtlich der Haltbarkeit. Die Forscher wiesen darauf hin, dass Hitze und Licht zu einer Verschlechterung des Hydrovoltaikmechanismus führen können und Korrosionsprobleme in Umgebungen mit hohem Salzgehalt diesen Prozess verschlimmern können. Allerdings ist die Oberfläche der Silizium-Nanosäulen im Gerät mit einer Oxidschicht bedeckt, die unter Licht und Hitze stabil bleibt, wodurch unnötige chemische Reaktionen vermieden und die Zuverlässigkeit des Geräts in Meerwasserumgebungen verbessert werden.
Das Forschungsteam sagte, wenn nachfolgende Iterationen gut verlaufen, wird erwartet, dass diese Art von Hydrovoltaik-Gerät in Zukunft verschiedene kleine, batterielose Sensornetzwerke kontinuierlich und automatisch mit Strom versorgt, solange Sonnenlicht, Wärme und Wasser für den Betrieb zur Verfügung stehen. Mögliche Anwendungsszenarien umfassen Umweltüberwachungssysteme, Geräte für das Internet der Dinge sowie aktuelle und zukünftige tragbare Technologien. Forscher glauben, dass der gesellschaftliche Wert unermesslich sein wird, wenn eine mobile und nahezu „kostenlose“ Möglichkeit der Stromgewinnung in die Praxis umgesetzt werden kann.