Neue Art der Stromerzeugung

Über superhydrophobe Oberfläche fließendes Salzwasser erzeugt Spannung

Ingenieure der University of California San Diego haben eine super-wasserabweisende Oberfläche entwickelt, mit der elektrische Spannungen erzeugt werden können. Wenn Salzwasser über diese speziell gemusterte Oberfläche fließt, können zwar nur 50 Millivolt produziert werden, aber genug für die Versorgung von winzigen Laboren, die auf einen Chip passen – etwa zur Diagnose von Schadstoffen oder anderen mikrofluidischen Systemen, schrieben die Forscher in einem Beitrag von Nature Communications über den das Magazin Science Daily berichtete.

Die Proof-of-Concept-Arbeit könnte zur Entwicklung neuer kleiner Stromquellen anderer mikrofluidische Geräte führen. Das Verfahren könnte eines Tages auf Energiegewinnungsmethoden in Wasserentsalzungsanlagen ausgedehnt werden. Das Forscherteam unter der Leitung von Prab Bandaru, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der UC San Diego Jacobs School of Engineering, und Erstautor Bei Fan, Doktorand in der Forschungsgruppe von Bandaru, veröffentlichte seine Arbeit in der Ausgabe vom 03.10.2018 Nature Communications.

Hintergrundidee dieser Arbeit ist, elektrische Spannung zu erzeugen, indem Ionen über eine geladene Oberfläche bewegt werden. Und je schneller man diese Ionen bewegen kann, desto mehr Spannung kann man erzeugen, erklärte Bandaru. Bandarus Team schuf eine Oberfläche, die so hydrophob ist, dass sie Wasser (und alle Ionen, die es trägt) beim Übergang schneller fließen lässt. Die Oberfläche ist auch negativ geladen, so dass ein schneller Fluss von positiven Ionen im Salzwasser in Bezug auf diese negativ geladene Oberfläche zu einer elektrischen Potenzialdifferenz führt, die eine elektrische Spannung erzeugt.

“Die reduzierte Reibung von dieser Oberfläche sowie die daraus resultierenden elektrischen Wechselwirkungen tragen dazu bei, eine deutlich verbesserte elektrische Spannung zu erhalten”, sagt Bandaru. Die Oberfläche wurde hergestellt, indem winzige Grate in ein Siliziumsubstrat geätzt und dann die Grate mit Öl gefüllt wurden (z.B. synthetisches Motoröl zur Schmierung). In Tests wurde verdünntes Salzwasser mit einer Spritzenpumpe über die Oberfläche in einem Mikrofluidik-Kanal geleitet und dann die Spannung an den Enden des Kanals gemessen.

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Schematische Darstellung (b) und Versuchsanordnung (a) von Bandaru und Fan – Bild © nature.com]

Es gibt frühere Berichte über superhydrophobe oder so genannte “Lotusblatt-Oberflächen”, die den Flüssigkeitsstrom an der Oberfläche beschleunigen sollen. Diese Oberflächen sind jedoch bisher mit winzigen Lufteinschlüssen versehen – und da Luft keine Ladung hält, ergibt sich eine kleinere elektrische Potenzialdifferenz und damit eine geringere Spannung. Durch den Austausch der Luft durch eine Flüssigkeit wie synthetisches Öl, das geladen ist und sich nicht mit Salzwasser vermischt, schufen Bandaru und Fan eine Oberfläche, die mindestens 50 Prozent mehr elektrische Spannung erzeugt als bisherige Designs. Laut Bandaru können auch höhere Spannungen durch höhere Flüssigkeitsgeschwindigkeiten und engere und längere Kanäle erreicht werden. In Zukunft arbeitet das Team denn auch daran, Kanäle mit diesen strukturierten Oberflächen zu schaffen, die mehr elektrische Energie erzeugen können.

[note Abstract aus Nature Communications
“Elektrische Spannung infolge Elektrolyt-Flusses über eine geladene Oberfläche kann zur Energieübertragung genutzt werden. Die Studien-Autoren zeigen, dass verbesserte elektrische Potenzialunterschiede (d.h. Strömungspotenzial) durch den Fluss von Salzwasser auf flüssigkeitsgefüllten Oberflächen erzielt werden können, die mit einer Flüssigkeit mit niedrigerer Dielektrizitätskonstante, wie beispielsweise Öl, infiltriert werden, um Elektrolytschlupf und damit verbundene Oberflächenladung zu nutzen. Ein rekordverdächtiger Wert, ausgedrückt als Spannung, die pro angelegter Druckeinheit erzeugt wird, von 0,043 mV Pa-1 wird durch die Verwendung der mit Flüssigkeit gefüllten Oberflächen erreicht. Im Vergleich zu luftgefüllten Oberflächen steigt der mit der flüssigkeitsgefüllten Oberfläche verbundene Verdienstwert um den Faktor 1,4. Diese Ergebnisse bilden die Grundlage für eine innovative Methodik der Oberflächenladungstechnik zur Untersuchung elektrokinetischer Phänomene im Mikromaßstab mit möglicher Anwendung in neuen elektrischen Energiequellen.”]

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