Ein winziges Gerät, das Salz zur Erzeugung sauberer Energie nutzt

Quelle: stock_colors/iStock

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Ein neues Gerät, das kleiner als ein menschliches Haar ist, kann aus dem Salzgehaltunterschied zwischen Meerwasser und Süßwasser Strom erzeugen. Dies könnte eine neue Quelle sauberer Energie entlang der Küsten der Welt sein.

Ein Forscherteam der University of Illinois Urbana-Champaign hat in der Fachzeitschrift Nano Energy über den Entwurf eines Geräts berichtet, das den Fluss von Salzionen in elektrischen Strom umwandeln kann. Das Gerät besteht aus nanoskaligen Halbleitermaterialien und nutzt ein Phänomen namens „Coulomb-Widerstand“. Das Team geht davon aus, dass ihr Gerät dazu genutzt werden könnte, Energie aus den natürlichen Salzgefällen an den Grenzen von Meer- und Süßwasser zu gewinnen.

Der Leiter des Projekts, Jean-Pierre Leburton, Professor für Elektro- und Computertechnik, sagte, dass ihr Entwurf zu diesem Zeitpunkt noch ein Konzept sei, aber sehr vielseitig und zeige großes Potenzial für Energieanwendungen. Er sagte, dass sie mit einer akademischen Frage begannen: „Kann ein nanoskaliges Festkörpergerät Energie aus dem Ionenfluss extrahieren?“ – aber ihr Design überraschte sie in vielerlei Hinsicht.

Wenn Meerwasser und Süßwasser aufeinander treffen, beispielsweise an der Mündung eines Flusses, bewegen sich Salzmoleküle auf natürliche Weise von einer höheren Konzentration zu einer niedrigeren Konzentration. Diese Bewegung kann zur Stromerzeugung genutzt werden, da Salzmoleküle aus elektrisch geladenen Teilchen, sogenannten Ionen, bestehen.

Bildnachweis: Das Grainger College of Engineering an der University of Illinois Urbana-Champaign

Leburtons Gruppe entwarf ein Gerät mit einem schmalen Kanal, durch den die Ionen fließen. Die elektrischen Kräfte zwischen den Ionen und den Ladungen im Gerät bewirken, dass sich die Ladungen von einer Seite zur anderen bewegen und dabei Spannung und elektrischen Strom erzeugen.

Der Hauptautor der Studie, Mingye Xiong, ein Doktorand in Leburtons Gruppe, sagte, dass sie bei der Simulation ihres Geräts zwei unerwartete Verhaltensweisen entdeckt hätten. Er sagte, sie hätten herausgefunden, dass das Gerät gleich gut funktionierte, unabhängig davon, ob die elektrischen Kräfte anziehend oder abstoßend waren. Er sagte auch, dass sowohl positive als auch negative Ionen zum Luftwiderstand beitragen.

Xiong sagte auch, dass es einen Verstärkungseffekt gegeben habe. Er erklärte, dass die Ionen viel schwerer seien als die Ladungen im Gerät, sodass sie viel Impuls auf die Ladungen übertragen und so den zugrunde liegenden Strom verstärken.

Die Forscher fanden außerdem heraus, dass diese Effekte nicht von der spezifischen Form des Kanals oder der Wahl der Materialien abhingen, solange der Kanal schmal genug war, um die Nähe zwischen den Ionen und den Ladungen zu gewährleisten.

Die Forscher lassen ihre Erkenntnisse derzeit patentieren und untersuchen, wie viele Geräte miteinander verbunden werden können, um mehr Strom zu erzeugen.

Leburton sagte, er glaube, dass die Leistungsdichte eines Gerätearrays der von Solarzellen entsprechen oder diese sogar übertreffen könne. Er erwähnte auch mögliche Anwendungen in anderen Bereichen wie der biomedizinischen Sensorik und der Nanofluidik.

Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Nano Energy veröffentlicht

Der Beginn des elektronischen Stroms in einer dotierten Siliziummembran, der durch die weitreichende Coulomb-Wechselwirkung von Ionen, die durch einen nanofluidischen Kanal fließen, induziert wird, wird durch einen kombinierten rechnerischen und analytischen Ansatz ermittelt, der auf der Green-Funktionstechnik und dem Boltzmann-Transportformalismus basiert. Der elektronische Coulomb-Widerstand zeichnet sich durch eine Leerlaufspannung und einen Kurzschlussstrom aus und stellt ein neues Paradigma für die Energiegewinnung dar. Darüber hinaus prognostiziert unser Modell eine Stromverstärkung des ionischen Schleppstroms aufgrund der großen Impulsübertragung von schweren Ionen auf Ladungsträger in Silizium, die sowohl für Anionen als auch für Kationen erreicht wird, die im Nanokanal fließen, unabhängig vom Dotierstofftyp im Halbleiter. Die Analyse zeigt die Vielseitigkeit dieses Effekts in Bezug auf die Art des Elektrolyten und der halbleitenden Materialien und ermöglicht eine ordnungsgemäße Abstimmung ihrer Strukturen und Designkonfigurationen.