Licht am Horizont: Strom aus der Luft

Forscher haben eine elektrisierende Entdeckung gemacht: Nahezu jedes Material kann genutzt werden, um die in der Luftfeuchtigkeit enthaltende Energie in Elektrizität umzuwandeln.

Saubere Energie – zu jeder Zeit, an jedem Ort. Diese Vision scheint Wirklichkeit werden zu können, denn Forscher von der University of Massachusetts haben den „generischen Air-gen-Effekt“ entdeckt. „Die Luft enthält eine enorme Menge an Elektrizität“, erklärt Jun Yao, Assistenzprofessor für Elektro- und Computertechnik und Hauptautor der Studie in einer Mitteilung seiner Universität. „Stellen Sie sich eine Wolke vor, die nichts anderes als eine Masse von Wassertröpfchen ist. Jedes dieser Tröpfchen enthält eine Ladung und wenn die Bedingungen stimmen, kann die Wolke einen Blitz erzeugen“, so der Forscher. „Wir wissen nicht, wie wir die Elektrizität von Blitzen zuverlässig einfangen können. Aber wir haben eine menschengemachte kleine Wolke geschaffen, die für uns vorhersehbar und kontinuierlich Strom erzeugt, den wir dann ernten können.“ Und das mit nahezu jedem Material, zum Beispiel Zellulose, Seidenprotein oder Graphenoxid.

Luftfeuchtigkeit gibt es überall: im Regenwald Amazoniens ebenso wie in der Atacama, der trockensten Wüste der Welt

Stromgewinnung rund um die Uhr – unabhängig von Sonne, Wind und Wetter

Diese Forschungsergebnisse bauen auf einer Arbeit aus dem Jahr 2020 auf, in der erstmals gezeigt wurde, dass mithilfe eines von Bakterien erzeugten Materials Energie aus der Feuchtigkeit der Luft gezogen werden kann. Die neue Studie zeigt, dass jedes Material zur Stromgewinnung genutzt werden kann, sofern es in kleine Partikel zerschlagen und mit Poren kleiner 100 Nanometer (nm) versehen werden kann. Denn 100 Nanometer entspricht der sogenannten „mittleren freien Weglänge“, die ein einzelnes Molekül in einer Substanz – in diesem Fall Wasser in der Luft – zurücklegt, bevor es mit einem anderen Molekül derselben Substanz kollidiert. Auf dieser Grundlage haben die Forscher eine dünne, mit Nanoporen kleiner 100 nm gefüllte Materialschicht entwickelt, welche die Wassermoleküle von oben nach unten durchlässt. Da die Moleküle beim Passieren an die Ränder der Poren stoßen, wird der obere Teil der Schicht mit viel mehr ladungstragenden Molekülen bombardiert als der untere Teil. Daraus resultiert ein Ladungsungleichgewicht wie in einer Wolke, da der obere Teil seine Ladung im Vergleich zum unteren erhöht: Es entsteht Strom, kontinuierlich und unabhängig von Sonne oder Wind.

Ein geniales wie herausforderndes Forschungsergebnis

Zellulose ist eines von vielen Materialien, das mit Poren versehen werden, die kleiner als 100 Nanometer sind: weniger als ein Tausendstel der Breite eines menschlichen Haars.

„Die Idee ist einfach“, sagt Yao, „aber sie wurde noch nie zuvor entdeckt und eröffnet eine Vielzahl von Möglichkeiten.“ Und Herausforderungen: Da in feuchtigkeitsarmer Luft weniger Strom geerntet werden kann als in feuchter, müssen die Forscher zunächst herausfinden, welches Material in verschiedenen Klimazonen die höchsten Erträge liefert. Zudem müssen sie eine Strategie entwickeln, wie sie den „Air-gen“ vergrößern können, ohne die Feuchtigkeitsaufnahme zu behindern. Der aktuelle Prototyp ist so groß wie ein Fingernagel, dünner als ein Haar und erzeugt nicht ganz die Energiemenge, die ein einzelner Lichtpunkt eines großen Bildschirms verbraucht.

Viele Einsatzmöglichkeiten für den Air-gen denkbar

Yao schätzt, dass etwa 1 Milliarde Air-gens, gestapelt in der Größe eines Kühlschranks, ein Kilowatt erzeugen und unter idealen Bedingungen einen Teil des Stroms für ein Haus liefern können – zu jeder Tages- und Nachtzeit. Noch ist unklar, wie lange die Entwicklung dauern wird. Aber sobald der „Air-gen“ optimiert ist, kann er überall eingesetzt werden. Er könnte in die Wandfarbe eines Hauses eingearbeitet werden, in größeren Einheiten in ungenutztem städtischem Raum aufgestellt oder in den Lager- und Technikräumen von Büros verteilt werden. Da nahezu jedes Material genutzt werden kann, rechnen die Forscher mit einer geringeren Umweltbelastung als bei der Gewinnung von anderen erneuerbaren Energien. Das Wasser in der Erdatmosphäre ist eine enorme Ressource für saubere Energie. Und dies ist erst der Anfang, um sie zu nutzen.