Das Allwetterkraftwerk

Bei Sturm und Regen nutzt die beste Solarzelle nichts mehr. Nur wenige Zelltypen bieten bei bedecktem Himmel noch einen kleinen Wirkungsgrad. Eine Forschergruppe aus China und den USA hat daher eine Hybridzelle entwickelt, die zugleich aus Sonne, Wind und Regen elektrischen Strom erzeugen konnte. Einen ersten Prototypen, mit dem sich Dutzende Leuchtdioden betreiben ließen, stellen sie in der Fachzeitschrift „Advanced Energy Materials“ vor. Dieses Konzept eines Allwetterkraftwerks könnte in Zukunft für eine autarke Stromversorgung von Wanderern oder Campern interessant werden, um selbst bei schlechter Witterung mitgeführte Akkus aufzuladen.

Grafik zeigt den Aufbau der Hybridzelle mit den einzelnen Schichten.
Hybridzelle für Strom

„Unser Hybridmodul kann simultan Strom aus Sonnenlicht, Regentropfen und Wind erzeugen“, sagen Zhong Lin Wang vom Georgia Institute of Technology in Atlanta und seine Kollegen von der Shanghai University of Electric Power. Für ihren Prototypen deponierten die Forscher auf eine quadratische Acryl-Unterlage mit etwa zehn Zentimeter Kantenlänge eine Solarzelle aus Silizium. Die Oberfläche war dabei mit einer Vielzahl Mikrometer kleiner Pyramiden bedeckt, um mehr Sonnenlicht einfangen zu können. Über der Solarzelle setzten die Wissenschaftler einen so genannten triboelektrischen Generator, der aus mehreren transparenten Kunststoffschichten bestand.

Um aus fallenden Regentropfen elektrischen Strom zu erzeugen, nutzte der triboelektrische Generator die statische Aufladung von Wassertropfen. Die oberste Schicht bestand dafür aus dem stark wasserabweisenden, superhydrophoben Kunststoff Polytetrafluoroethylen. Fielen darauf nun Wassertropfen, die oft partiell positive elektrische Ladungen trugen, rannen sie schnell zur Seite ab. Dabei sammelten sich über einen Reibungseffekt – triboelektrisch genannt – negative Ladungen auf einer unteren Schicht aus leitfähigem Indiumzinnoxid. Von dort konnten sie zum Aufladen eines Kondensators abgegriffen werden.

Mikroskopaufnahme einer dunklen Ebene, aus Holzkohle-ähnliche Objekte ragen.
Solarzelle im Detail

Unter den Schichten des „Regentropfenkraftwerks“ setzten Wang und Kollegen wieder eine Lage aus dem Polytetrafluoroethylen und eine dünne Nylonfolie, die über einen Plastikrahmen etwas auf Abstand gehalten wurde. Wurden die obere Kunststoffschicht nun durch den Einfall der Regentropfen oder durch Windbewegungen nach unten auf die Nylonfolie gedrückt, entstanden abermals elektrostatische Ladungen. Über angeschlossene Elektroden ließen sich auch diese abgreifen.

Alle drei Methoden – Solarzelle, Tropfenaufladung, Kontaktaufladung – untersuchten die Forscher auf ihre Effizienz. Bei schwachem Wind mit etwa zwei Beaufort Windstärke lieferte die Kontaktmethode etwa acht Milliwatt pro Quadratmeter. Bei leichtem Regen mit einer Tropfrate von knapp 14 Milliliter pro Sekunde ließ sich die Ausbeute auf fast 90 Milliwatt pro Quadratmeter steigern. Bei Sonnenschein erreichte die zuunterst liegende Solarzelle eine vergleichbare Ausbeute.

Mit ihrem Allwetterkraftwerk konnten die Forscher einen Kondensator aufladen oder bis zu 50 Leuchtdioden mit Strom versorgen. Trotz der insgesamt noch geringen Stromausbeute ließen sich mit diesen Modulen Akkus bei jeder Witterung aufladen – bisher allerdings noch sehr langsam.