Eine Rettungsweste kann die Bewegung von Wellen nutzen, um ein leuchtendes SOS-Signal mit Strom zu versorgen. Dafür entwickelten die beteiligten Wissenschaftler einen weichen Energiewandler, in dem Tropfen aus Flüssigmetall elektrische Reaktionen auslösen. Im Versuchsaufbau leitete der Energiewandler die gewonnene Energie an eine LED-Anzeige weiter, die das Notsignal sichtbar machte. Noch muss sich zeigen, wie zuverlässig das Prinzip unter wechselnden Bedingungen auf offenem Wasser arbeitet.
Bei einem Notfall auf See kann ein Lichtsignal die Suche nach einer Person erleichtern. Elektronische Anzeigen benötigen dafür eine Energiequelle, die bei tragbaren Geräten üblicherweise in Form einer Batterie mitgeführt wird. Das Forschungsteam um Weihua Li von der University of Wollongong verfolgt einen anderen Weg: Ein Bauteil an der Weste soll die mechanische Bewegung des Wassers in elektrische Energie umwandeln. Die Idee verbindet damit eine ohnehin vorhandene Bewegung mit einer Funktion, die im Notfall sichtbar werden kann.
Die University of Wollongong stellt den Versuchsaufbau in ihrer Forschungsmeldung zur selbstversorgten Rettungsweste vor. Die wissenschaftliche Arbeit erschien in Science Advances und beschreibt einen mechano-elektrochemischen Energiewandler, der mechanische Bewegung mithilfe beweglicher Grenzflächen in Strom umsetzt.
Im Inneren des weichen Wandlers befinden sich Tropfen eines galliumbasierten Flüssigmetalls, die von einer leitfähigen Lösung umgeben sind. Wird das Bauteil geneigt oder bewegt, verschieben sich die Tropfen und verändern ihre Kontaktflächen zur Flüssigkeit und zur Luft. An diesen Grenzflächen laufen elektrochemische Reaktionen ab, deren Stärke von den jeweiligen Kontaktbedingungen abhängt. Damit verändern sich die Reaktionsbedingungen, sodass elektrischer Ladungstransport möglich wird.
Eine dünne Oxidschicht auf dem galliumhaltigen Metall spielt bei diesem Vorgang eine wichtige Rolle. Sie bildet sich an der Oberfläche und kann sich unter geeigneten Bedingungen wieder auflösen. Während das Bauteil seine Lage verändert, verschieben sich auch die Bereiche, an denen Metall, Elektrolyt und Luft aufeinandertreffen. So entsteht zwischen den Grenzflächen eine Asymmetrie, die den Stromfluss antreibt.
Im Unterschied zu einer starren Elektrode kann Flüssigmetall seine Form an die Bewegung des weichen Bauteils anpassen, während sich seine Oberfläche nach einer Verformung neu ausbildet. Die hohe Oberflächenspannung und die bewegliche Grenzfläche erlauben es dem Material, wiederholt auf Druck, Neigung und Verformung zu reagieren. Für die Entwickler ist gerade diese Anpassungsfähigkeit interessant, weil tragbare Technik eng am Körper oder an flexiblen Gegenständen sitzen muss.
Auch andere Verfahren gewinnen Energie aus Bewegung, beruhen jedoch auf anderen physikalischen Effekten. Bei piezoelektrischen Materialien entstehen elektrische Ladungen, sobald das Material mechanisch verformt wird. Triboelektrische Systeme nutzen den Ladungsaustausch zwischen Oberflächen, die sich berühren und wieder voneinander lösen. Ein anderer Ansatz nutzt die Kontraktionen lebender Herzzellen als Antrieb für einen hauchdünnen Stromgenerator. Eine auf dieser Website beschriebene Brille mit Stromgewinnung beim Blinzeln verfolgt ebenfalls das Ziel, kleine Bewegungen für tragbare Elektronik nutzbar zu machen. Beim Flüssigmetall-Wandler entstehen die elektrischen Signale dagegen durch elektrochemische Vorgänge, die an beweglichen Grenzflächen ablaufen.
Für die Demonstration verband das Team 40 einzelne Energiewandler zu einem gemeinsamen Array, das die SOS-Anzeige an der Rettungsweste versorgte. Unter periodischer Neigung erreichte der Verbund eine Spannung von rund zwei Volt Spitze-Spitze; dieser Messwert beschreibt den Abstand zwischen den oberen und unteren Spitzen der Wechselspannung und bedeutet keine konstante Versorgung mit dieser Spannung. Nach der Zwischenspeicherung leuchtete das SOS-Zeichen auf der LED-Anzeige auf.
Als Leistungsdichte gibt die Studie außerdem 140,2 Mikrowatt pro Quadratmeter an. Dieser Wert setzt die abgegebene Leistung ins Verhältnis zur Fläche des Energiewandlers und beschreibt die Größenordnung der Energieumwandlung. Für die Bewertung eines konkreten Verbrauchers reicht die Spannung allein nicht aus: Auch die Stromstärke, die Dauer der Energieabgabe und der Bedarf der angeschlossenen Elektronik bestimmen, welche Funktion sich versorgen lässt. Die LED-Anzeige ist deshalb ein passender Demonstrator für eine Anwendung mit begrenztem Energiebedarf. Auch unter wellenähnlichen Bewegungen untersuchten die Autoren den Aufbau.
Dabei ging es um einen Proof of Concept, also den experimentellen Nachweis, dass das Prinzip unter nachgebildeten Bedingungen funktioniert. Die Vorführung ist kein Langzeittest auf hoher See und belegt weder eine verbesserte Rettungsquote noch eine Zulassung als Sicherheitsausrüstung. Für eine praktische Verwendung müsste die Technik zusätzliche Prüfungen bestehen, die über das Leuchten einer Anzeige im Versuchsaufbau hinausgehen.
Nach Angaben der University of Wollongong arbeitete der Energiewandler auch in Meerwasser. Diese Eigenschaft ist für eine mögliche Anwendung auf See relevant, weil das Bauteil in einer salzhaltigen und dauerhaft feuchten Umgebung eingesetzt werden soll. Im Originalpaper lieferte Meerwasser als Elektrolyt eine geringere Ausgangsspannung als Natronlauge. Die chemische Zusammensetzung des Elektrolyten beeinflusst die Vorgänge an der Metalloberfläche und damit die elektrische Ausgabe.
Für die Integration in eine Rettungsweste reicht die Beständigkeit gegenüber Meerwasser allein nicht aus. Das Bauteil müsste auch Falten, Lagerung, Aufblasen und wiederholte mechanische Belastungen überstehen. Dabei dürfen die flexible Hülle, die elektrischen Kontakte und die Abdichtung nicht beschädigt werden. Hinzu kommt die Frage, wie stabil die elektrochemischen Eigenschaften bleiben, wenn Salzablagerungen und wechselnde Temperaturen auf das Material einwirken.
Auch die optische Funktion hängt von den Bedingungen ab, unter denen eine Person gesucht wird. Gischt, Regen, Dunkelheit und die Lage der Weste können beeinflussen, aus welcher Richtung das Signal zu erkennen ist. Eine LED-Anzeige kann die Sichtbarkeit verbessern, ersetzt aber keine Positionsbestimmung und keine Funkverbindung zu einer Rettungsleitstelle. Der beschriebene Prototyp sendet ein optisches SOS-Signal; einen automatischen Notruf oder die Übermittlung eines Standortes weist die Arbeit nicht nach.
Große Wellenkraftanlagen nutzen die Meeresbewegung zur Stromerzeugung. Ein Beispiel ist der WaveRoller, der die Bewegung des Wassers in elektrische Energie für größere Anwendungen umwandelt. Der Flüssigmetall-Wandler soll dagegen direkt an einem tragbaren Gegenstand eine kleine elektrische Funktion ermöglichen. Beide Ansätze gewinnen Energie aus Bewegung, unterscheiden sich jedoch deutlich in Leistung, Aufbau und Einsatzgebiet.
Neben seiner Funktion als Energiequelle untersuchten die Autoren den Wandler auch als Sensor: Druck, Neigung, Biegen und Verdrehen verändern seine elektrischen Eigenschaften. Aus diesen Veränderungen lassen sich Rückschlüsse auf die mechanische Belastung und die Bewegung ziehen. Energiegewinnung und Messfunktion können dadurch in derselben weichen Struktur zusammenkommen.
In den Versuchen reagierte das System auf verschiedene Körperbewegungen. Die Autoren untersuchten unter anderem Signale beim Gehen und Laufen sowie bei Bewegungen im Zusammenhang mit einem Sturz. Auch ein Puls am Handgelenk ließ sich als kleine mechanische Veränderung erfassen. Diese Versuche zeigen, dass die Sensoreigenschaften nicht auf die kräftigen Bewegungen beschränkt sind, die bei einer Rettungsweste im Wellengang auftreten.
Mehrere Sensorelemente auf einer Fläche können außerdem erfassen, an welcher Stelle Druck ausgeübt wird. Eine solche räumliche Erfassung könnte für flexible Bedienelemente, tragbare Messgeräte oder weiche Roboter interessant sein. Bei einem Roboter ließe sich beispielsweise registrieren, wo seine Außenhaut mit einem Gegenstand in Kontakt kommt. Solche Einsatzmöglichkeiten sind Perspektiven der Material- und Sensorentwicklung, keine bereits verfügbaren Serienanwendungen.
Darüber hinaus beschreiben die Autoren eine programmierbare Anordnung der Flüssigmetall-Grenzflächen, mit der sie durch gezielte Abstimmung der Kontakte eine synchronisierte dreiphasige Wechselspannung erzeugten. Das Ergebnis zeigt, dass sich die elektrische Ausgabe nicht nur durch eine einfache Bewegung anregen, sondern auch über die Anordnung der Grenzflächen beeinflussen lässt. Für spätere technische Anwendungen könnte diese Steuerbarkeit wichtig werden, wenn ein Bauteil unterschiedliche elektrische Aufgaben erfüllen soll.
Als weitere Entwicklungsziele nennen die Wissenschaftler eine höhere elektrische Leistung sowie eine verbesserte Haltbarkeit und Zuverlässigkeit. Diese Punkte hängen eng zusammen: Ein leistungsfähiger Wandler wäre für den Alltag wenig hilfreich, wenn seine Hülle undicht wird oder seine Kontakte nach wiederholter Verformung ausfallen. Ebenso muss die elektrische Ausgabe unter wechselnden Bewegungen ausreichend stabil bleiben, damit angeschlossene Elektronik verlässlich arbeitet.
Eine Rettungsweste muss vor allem unregelmäßige Bewegungen verarbeiten können: Auf dem Wasser wechseln ruhige Phasen mit kurzen Stößen, Drehungen und wechselnder Belastung. Der Wandler muss daher auch dann Energie sammeln können, wenn die Bewegung nicht in einem gleichmäßigen Rhythmus erfolgt. Zusätzlich muss die Anzeige unter unterschiedlichen Blickwinkeln erkennbar bleiben, während die Weste auf der Wasseroberfläche ihre Lage verändert.
Bei Sensoranwendungen gelten teilweise andere Anforderungen: Eine geringe elektrische Ausgabe kann genügen, wenn das Bauteil vor allem Bewegungen registriert und die Auswertung nur in bestimmten Abständen erfolgt. Für eine dauerhafte Datenübertragung oder leistungsintensive Elektronik wäre dagegen eine größere Energiequelle nötig. Welche Anwendung technisch sinnvoll ist, hängt deshalb davon ab, wie viel Energie der Wandler unter den jeweiligen Bedingungen bereitstellt und welche Mess- oder Signalfunktion tatsächlich gebraucht wird.
Für die weitere Entwicklung müssen die Wissenschaftler die Kapselung des Flüssigmetalls, die Beständigkeit der Kontakte und das Verhalten bei wechselnden Umweltbedingungen prüfen. Im Paper führen sie außerdem eine theoretische Laufzeitabschätzung von 315,7 Stunden an, die aus dem gemessenen langsamen Galliumverbrauch und der anfänglichen Metallmenge abgeleitet wurde. Dieser Wert ist kein gemessener Dauertest und belegt keine entsprechend lange Betriebszeit einer Rettungsweste. Ein Versuch unter realen Bedingungen muss erst zeigen, wie sich die Anzeige bei unregelmäßigem Wellengang verhält.
Xiangbo Zhou et al., Mechano-Electrochemical Energy Harvesting and Self-Powered Sensing via Dynamic Liquid Metal–Electrolyte Interfaces, Science Advances; doi:10.1126/sciadv.aej0867
University of Wollongong, How self-powered life jackets could turn wave motion into an emergency signal
Mit KI-Unterstützung erstellt
Wählen Sie Forschung und Wissen bei Google als bevorzugte Quelle oder folgen Sie uns per RSS-Feed.
