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Elastisches Polymer mit Piezo-Effekt: Ein Kraftwerk aus Gummi

Schweizer Forscher haben ein elastisches Material entwickelt, das bei Verformung Strom erzeugt. In Zukunft könnte es etwa als Sensor, in Kleidung eingebunden oder gar in den menschlichen Körper implantiert werden – zum Beispiel um Herzschrittmacher mit Strom zu versorgen.

Piezoelektrischer Gummi aus den Empa-Labors Bildquelle: © Empa

Piezoelektrischer Gummi aus den Empa-Labors

Elastisch, organisch, dünn – alles Eigenschaften, die man weder einem Kraftwerk noch den meisten Sensoren zuschreiben würde. Doch das neue Material, das Forscher der Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) entwickelt haben, ist genau das: ein dünner, organischer, elastischer Film, der Strom produziert, wenn er auseinandergezogen oder zusammengepresst wird. Der Gummi-Film könnte in Schaltknöpfe, Kleidung, Roboter oder sogar Menschen eingebaut werden und Aktivitäten überwachen, Berührungen aufzeichnen oder bei Verformung Strom generieren, etwa um implantierte Geräte wie Herzschrittmacher zu betreiben.

Aus Bewegung wird Strom

Die Fähigkeit, mechanische Bewegungen in elektrische Ladungen umzuwandeln, verdankt der Gummi dem piezoelektrischen Effekt. Der Trick dahinter ist einfach. Die innere Polarisation des Gummis – ein Verbundstoff aus polaren Nanopartikeln und einem Elastomer – ändert, sobald er mechanisch verformt wird.

Lange Zeit war der piezoelektrische Effekt nur von Kristallen bekannt. Da diese starr sind, konnte der Effekt nur in bestimmten Anwendungen genutzt werden. Empa-Forscherin Dorina Opris und ihren Kollegen gelang es nun, Elastomere mit piezoelektrischen Eigenschaften zu versehen.

Um ein piezoelektrisches Material zu erhalten, musste dem Gummi eine innere Polarisierung aufgeprägt werden, was  durch ein starkes elektrisches Feld geschieht. Zu diesem Zweck wird der Film erhitzt, bis die Glasübergangstemperatur der Nanopartikel überschritten wird, und diese von einem festen, glasartigen Zustand in einen gummiartigen, zähflüssigen Zustand übergehen. Unter diesen Bedingungen orientierten sich die polaren Reste an dem elektrischen Feld. Die erreichte Orientierung wird schließlich durch Abkühlen des Materials auf Raumtemperatur »eingefroren«.

Der Körper wird zum Kraftwerk

Die Anwendungsmöglichkeiten für die neue Gummifolie sind vielfältig. Daraus könnten zum Beispiel Drucksensoren gebaut werden. Wird das Material zusammengedrückt, entsteht ein elektrischer Impuls, der von Geräten empfangen und interpretiert werden kann. So könnten nicht nur Schaltknöpfe konzipiert werden, sondern auch eine sensible Haut für Roboter, die (Druck-)Berührungen fühlt.

Außerdem könnte die Folie in Kleidung nützlich sein, um entweder die Aktivitäten des Trägers zu überwachen oder aus dessen Bewegung Strom zu generieren. »Wahrscheinlich könnte man das Material sogar nutzen, um Energie aus dem menschlichen Körper zu gewinnen«, meint Dorina Opris. Man könne es zum Beispiel in der Nähe des Herzens implantieren, um aus den Herzschlägen Strom zu erzeugen. Damit könnten Herzschrittmacher oder andere implantierte Geräte angetrieben werden, operative Eingriffe für einen Batteriewechsel wären dann nicht mehr nötig. (me)