Stromversorgung medizinischer Implantate durch Umgebungsschallwellen
Technologien der Energieernte nutzen minimale Mengen verschwendeter Energie aus der Umwelt, um Strom zu erzeugen, der dann praktische Geräte speist. Tragbare und sogar implantierbare Geräte wie Herzschrittmacher könnten durch Bewegung angetrieben werden. Besonders interessant wird es, wenn piezoelektrisches Material eingesetzt wird, das mechanische Energie in Strom umwandeln kann, was bereits 1880 von den Brüdern Jacques und Pierre Curie in Frankreich entdeckt wurde. Vor kurzem wurde angeregt, dass piezoelektrisches Nanomaterial vorteilhafter sein könnte, da es hervorragende mechanische Eigenschaften, höhere piezoelektrische Koeffizienten besitzt und mit biegsamen und tragbaren Substraten kompatibel ist. Trotz der sehr vielversprechenden Ergebnisse für die praktischen Anwendungen, müssen piezoelektrischer Nanogeneratoren sowohl hinsichtlich der Fertigungsverfahren als auch der Transduktionseffizienz verbessert werden. Das EU-finanzierte Projekt 'Piezoelectric nanogenerators on suspended microstructures for energy harvesting' (PING) nahm sich dieser Probleme an und erzielte in einer sehr kurzen Zeit große Fortschritte. Die Forscher versuchten insbesondere ein Niedrigtemperaturverfahren zu verbessern ( wässriges chemisches Wachstum), um sowohl die Homogenität als auch die Länge der Zinkoxidnanodrähte zu verbessern. Sie schlugen auch vor, das Potential der Stromerzeugung durch Integration langer Nanokabel in Miniaturhängebrücken und Diaphragmen zu verstärken, um die ankommende akustische Energie in eine noch größere Deflektion der Nanodrähte zu transformieren. Örtlich begrenztes Aufheizen während des Wachstums wurde durchgeführt, um längere Nanodrähte mit gleicher Struktur zu ermöglichen. Das Team entwarf innovative Mikroheizungskonzepte mithilfe von Finite-Elemente-Modellen und als erstes Ergebnis haben die Wissenschaftler bereits sehr lange Zinkoxidnanodrähte nur durch Aufheize des Substrats anstelle der gesamten Nährlösung erzielt. Dies führte zu erheblich weniger Materialabfall und Energieverbrauch. Mit fortschrittlichen Mikroskopierungstechniken wurden die Morphologie und die Kristallinität der Nanodrähte bewertet. Die Technik ist nicht nur vielversprechend für die Fertigung von High-Performance-Geräten, sondern auch kosteneffektiv und umweltfreundlich. Das Aufheizen des Substrats wird aktuell weiterentwickelt und die ersten gebündelten Geräte werden charakterisiert. Dank neuartiger Verfahren hat PING die Grundlagen für die Entwicklung von erheblich verbesserten piezoelektrischen Nanogeneratoren und Nanovorrichtungen gelegt. Die Nanogeneratoren sollten sich in zahlreichen Anwendungen wie implantierten medizinischen Geräten und drahtlosen Sensornetzwerken als geeignet erweisen. Durch die eigenständige Energieversorgung werden keine aufladbaren Batterien benötigt und das Gerät funktioniert solange, wie das Material hält.
Schlüsselbegriffe
Nanogenerator, piezoelektrisch, Energieernte, Nanodraht, nasschemische Synthese, Mikroheizgerät, aufgehängte Membran
