Das Allwetter-Kraftwerk

Atlanta (USA)/Shanghai (China) - Bei Sturm und Regen nutzen die meisten Solarzellen nichts mehr. Ohne Sonne kein Strom. Dieses Problem löste nun eine amerikanisch-chinesische Forschergruppe mit einer Hybrid-Zelle, die zugleich aus Sonne, Wind und Regen elektrischen Strom erzeugen konnte. Einen ersten Prototypen, mit dem sich Dutzende Leuchtdioden betreiben ließen, stellen sie in der Fachzeitschrift „Advanced Energy Materials“ vor. Dieses Konzept eines Allwetter-Kraftwerk könnte in Zukunft für eine autarke Stromversorgung von Wanderern oder Campern interessant werden, um selbst bei schlechter Witterung mitgeführte Akkus aufzuladen.

„Unser Hybrid-Modul kann simultan Strom aus Sonnenlicht, Regentropfen und Wind erzeugen“, erläutern Zhong Lin Wang vom Georgia Institute of Technology in Atlanta und seine Kollegen von der Shanghai University of Electric Power. Für ihren Prototyp deponierten die Forscher auf einem quadratischen Plastikstück mit etwa zehn Zentimeter Kantenlänge eine Solarzelle aus Silizium. Die Oberfläche war dabei mit einer Vielzahl Mikrometer kleiner Pyramiden bedeckt, um mehr Sonnenlicht einfangen zu können. Über die Solarzelle legten die Wissenschaftler mehrere transparente Kunststoffschichten, die Regen- und Windstrom einsammeln konnten. Dabei handelte es sich um einen so genannten triboelektrischen Generator, der nutzbare statische Aufladungen erzeugen konnte.

Um aus fallenden Regentropen elektrischen Strom zu erzeugen, nutzte der triboelektrische Generator die statische Aufladung von Wassertropfen. Die oberste Schicht bestand dafür aus einem stark wasserabweisenden, superhydrophoben Kunststoff (Polytetrafluoroethylen). Fielen darauf nun Wassertropfen, die oft positive elektrische Ladungen trugen, rannen sie schnell zur Seite ab. Dabei sammelten sich über einen Reibungseffekt - triboelektrisch genannt - negative Ladungen auf einer unteren Schicht aus leitfähigem Indiumzinnoxid. Von dort konnten sie zum Aufladen eines Kondensators abgegriffen werden.

Unter diese Schichten des „Regentropfen-Kraftwerks“ packten Wang und Kollegen wieder weitere dünne Schichten aus Polytetrafluoroethylen und Nylon, die über einen Plastikrahmen etwas auf Abstand gehalten wurde. Wurden die obere Kunststoffschicht nun durch den Einfall der Regentropfen oder durch Windbewegungen nach unten auf die Nylon-Folie gedrückt, entstanden abermals elektrostatische Ladungen. Über angeschlossene Elektroden ließen sich auch diese abgreifen.

Alle drei Methoden – Solarzelle, Tropfenaufladung, Kontaktaufladung – untersuchten die Forscher auf ihre Effizienz. Bei schwachem Wind mit etwa Windstärke 2 lieferte die Kontaktmethode etwa acht Milliwatt pro Quadratmeter. Bei leichtem Regen mit einer Tropfrate von knapp 14 Milliliter pro Sekunde ließ sich die Ausbeute auf fast 90 Milliwatt pro Quadratmeter steigern. Bei Sonnenschein erreichte die zuunterst liegende Solarzelle eine vergleichbare Ausbeute.

Mit diesem ersten Allwetter-Kraftwerk konnten die Forscher sowohl einen Kondensator aufladen als auch bis zu 50 Leuchtdioden mit Strom versorgen. Trotz der insgesamt noch geringen Stromausbeute ließen sich mit diesen Modulen auch Akkus bei jeder Witterung aufladen – bisher allerdings noch sehr langsam.