Neue Technologien, Materialinnovationen

Neue grüne Technologie erzeugt Strom aus Luftfeuchtigkeit

26. Februar 2020
Neue grüne Technologie erzeugt Strom aus Luftfeuchtigkeit

Wissenschaftler an der University of Massachusetts Amherst haben ein Gerät entwickelt, das ein natürliches Protein verwendet, um Strom aus der Luftfeuchtigkeit zu erzeugen. Diese neue Technologie könnte, wie sie sagen, erhebliche Auswirkungen auf die Zukunft der erneuerbaren Energien, den Klimawandel und die Zukunft der Medizin haben.

Wie in Nature berichtet, haben die Labore des Elektroingenieurs Jun Yao und des Mikrobiologen Derek Lovley an der UMass Amherst ein Gerät entwickelt, das sie "Air-gen" oder luftbetriebenen Generator nennen, mit elektrisch leitenden Protein-Nanodrähten, die von der Mikrobe Geobacter produziert werden. Der Air-gen verbindet Elektroden mit den Protein-Nanodrähten so, dass elektrischer Strom aus dem natürlich in der Atmosphäre vorhandenen Wasserdampf erzeugt wird, berichtet ScienceDaily.

"Wir machen buchstäblich Strom aus dünner Luft", sagt Yao. "Der Air-gen erzeugt rund um die Uhr saubere Energie." Lovely, der seit drei Jahrzehnten nachhaltige elektronische Materialien auf biologischer Basis weiterentwickelt, fügt hinzu: "Das ist die bisher erstaunlichste und aufregendste Anwendung von Protein-Nanodrähten."

Die neue Technologie, die in Yaos Labor entwickelt wurde, ist umweltfreundlich, erneuerbar und kostengünstig. Sie kann selbst in Gebieten mit extrem niedriger Luftfeuchtigkeit wie der Sahara-Wüste Strom erzeugen. Sie hat erhebliche Vorteile gegenüber anderen Formen erneuerbarer Energie, einschließlich Solar- und Windenergie, sagt Lovley, denn im Gegensatz zu diesen anderen erneuerbaren Energiequellen benötigt der Air-gen weder Sonnenlicht noch Wind, und "er funktioniert sogar in Innenräumen."

Das Air-gen-Gerät benötigt nur einen dünnen Film aus Protein-Nanodrähten, der weniger als 10 Mikrometer dick ist, erklären die Forscher. Die Unterseite des Films ruht auf einer Elektrode, während eine kleinere Elektrode, die nur einen Teil des Nanodrahtfilms bedeckt, auf der Oberseite sitzt. Der Film adsorbiert Wasserdampf aus der Atmosphäre. Eine Kombination aus der elektrischen Leitfähigkeit und der Oberflächenchemie der Protein-Nanodrähte, gekoppelt mit den feinen Poren zwischen den Nanodrähten innerhalb des Films, stellt die Bedingungen her, die einen elektrischen Strom zwischen den beiden Elektroden erzeugen.

Die Forscher sagen, dass die aktuelle Generation der Air-gen-Geräte in der Lage ist, kleine elektronische Geräte mit Strom zu versorgen, und sie erwarten, die Erfindung bald in den kommerziellen Maßstab zu bringen. Als nächste Schritte planen sie die Entwicklung eines kleinen Air-gen "Pflasters", das elektronische Wearables wie Gesundheits- und Fitnessmonitore und Smartwatches mit Strom versorgen kann, wodurch herkömmliche Batterien überflüssig würden. Sie hoffen auch, Air-gens für Mobiltelefone zu entwickeln, um das regelmäßige Aufladen zu vermeiden.

Yao sagt: "Das ultimative Ziel ist es, Systeme im großen Maßstab herzustellen. Die Technologie könnte zum Beispiel in Wandfarbe integriert werden, die dabei helfen könnte, Ihr Haus mit Strom zu versorgen. Oder wir könnten eigenständige luftbetriebene Generatoren entwickeln, die Strom aus dem Netz liefern. Sobald wir einen industriellen Maßstab für die Drahtproduktion erreicht haben, gehe ich fest davon aus, dass wir große Systeme herstellen können, die einen wichtigen Beitrag zur nachhaltigen Energieerzeugung leisten werden."

Um die praktischen biologischen Fähigkeiten von Geobacter weiter voranzutreiben, hat Lovleys Labor kürzlich einen neuen mikrobiellen Stamm entwickelt, um schneller und kostengünstiger Protein-Nanodrähte in Massenproduktion herzustellen. "Wir haben E. coli in eine Protein-Nanodraht-Fabrik verwandelt", sagt er. "Mit diesem neuen, skalierbaren Prozess wird die Versorgung mit Protein-Nanodrähten nicht länger ein Engpass für die Entwicklung dieser Anwendungen sein."

Die Air-gen Entdeckung spiegelt eine ungewöhnliche interdisziplinäre Zusammenarbeit wider, sagen sie. Lovley entdeckte die Geobacter-Mikrobe vor mehr als 30 Jahren im Schlamm des Potomac River. Sein Labor entdeckte später ihre Fähigkeit, elektrisch leitende Protein-Nanodrähte zu produzieren. Bevor er an die UMass Amherst kam, hatte Yao jahrelang an der Harvard University gearbeitet, wo er elektronische Geräte mit Silizium-Nanodrähten herstellte. Sie schlossen sich zusammen, um herauszufinden, ob mit den aus Geobacter gewonnenen Protein-Nanodrähten nützliche elektronische Geräte hergestellt werden können.

Xiaomeng Liu, ein Doktorand in Yaos Labor, war dabei, Sensorgeräte zu entwickeln, als er etwas Unerwartetes bemerkte. Er erinnert sich: "Ich sah, dass die Geräte einen Strom erzeugten, wenn die Nanodrähte auf eine bestimmte Weise mit Elektroden in Kontakt gebracht wurden. Ich fand heraus, dass die Einwirkung von Luftfeuchtigkeit entscheidend war und dass die Protein-Nanodrähte Wasser adsorbierten, was einen Spannungsgradienten über dem Gerät erzeugte."

Neben dem Air-gen hat das Labor von Yao noch einige andere Anwendungen mit den Protein-Nanodrähten entwickelt. "Dies ist erst der Anfang einer neuen Ära von elektronischen Geräten auf Proteinbasis", sagte Yao.

 

Dieser Artikel ist unter der Creative Commons Lizenz 4.0 veröffentlicht und erschien zuvor auf Tasnim Nachrichtenagentur.


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