Strom aus unserer Umgebung: Alle elektrischen Geräte und Stromleiter erzeugen um sich herum ein schwaches Magnetfeld – und aus diesem lässt sich Strom erzeugen. US-Forscher haben eine Technik entwickelt, die die schwachen Magnetfelder unserer Wohnumgebung in nutzbaren elektrischen Strom umwandelt. Schon der von einem dieser Miniwandler erzeugte Strom reicht aus, um hunderte LEDS, eine Uhr oder Sensoren anzutreiben, wie die Wissenschaftler berichten.

Dass Elektrizität und Magnetismus zusammenhängen, erkannte der Physiker James Clerk Maxwell schon im 19. Jahrhundert. Seither ist klar, dass elektrischer Strom magnetische Felder erzeugt – dies wird beispielweise in Elektromagneten praktisch genutzt. Umgekehrt kann man beispielsweise durch einen Generator aus einem Magnetfeld elektrische Energie gewinnen. Gängige Verfahren benötigen dafür allerdings eine bestimmte Mindeststärke des Magnetfelds.

Schwach, aber allgegenwärtig

Doch es gibt elektromagnetische Felder, die in unserem Alltag omnipräsent sind: Jede Stromleitung, jede aktive Steckdose und jedes Elektrogerät erzeugt in ihrem nahen Umfeld ein schwaches Magnetfeld – Energie, die bislang ungenutzt bleibt. „Wir haben diese allgegenwärtige Energie in unseren Wohnungen, Büros und Autos“, erklärt Studienleiter Shashank Priya von der Pennsylvania State University. „Sie ist überall und wir haben nun die Möglichkeit, dieses ‚Hintergrundrauschen‘ zu nutzen und es in praktische nutzbare Elektrizität umzuwandeln.“

Der Haken daran: „Diese Streu-Magnetfelder sind in Gebäuden omnipräsent, aber sie haben eine geringe Amplitude und eine feste Frequenz von 50 bis 60 Hertz“, so Priya und sein Team. Um diese schwachen Felder in Strom umzuwandeln, benötige man daher einen magnetomechanischen Konverter. Ein solches Gerät haben die Forscher nun entwickelt – und sein Funktionsprinzip ist verblüffend simpel.

Aus Magnetismus wird mechanische Energie und dann Strom

Konkret besteht der magnetomechanische Konverter aus einem Verbund zweier Materialien. Eines davon ist magnetostriktiv – es reagiert auf die Präsenz eines Magnetfelds, indem es seine Ausdehnung verändert. Weil die vom Wechselstrom unserer Stromnetze erzeugten Magnetfelder ihre Polung in schnellem Wechsel ändern, bringt dies das Material zum Vibrieren. Die zweite Komponente ist ein piezoelektrisches Material, das mechanische Bewegung und damit auch die Vibrationen in elektrischen Strom umwandelt.

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Beide Materialien sind zu einem papierdünnen, etwa sechs Zentimeter langen Streifen miteinander verbunden. Ein Ende wird an einem Kabel, einem Gerät oder einem beliebigen festen Objekt in der Nähe eines Elektrogeräts befestigt, das andere Ende schwingt frei. Ein an diesem freien Ende angebrachter zusätzlicher Magnet verstärkt die Vibration und erhöhte damit die Stromausbeute, wie die Forscher erklären.

„Das schöne daran ist, dass wir bekannte Materialien verwenden, aber sie so zusammenstellen, dass die Umwandlung des Magnetfelds in elektrischen Strom maximiert wird“, erklärt Priya. „Das liefert uns eine hohe Stromdichte selbst bei Magnetfelder mit geringer Amplitude.“

Genug für Uhren, LEDS und Sensoren

Doch wie viel Strom bringt dieser Konverter konkret? In ersten Tests produzierte der magnetomechanische Wandler selbst bei Magnetfeldern unterhalb von 300 Mikrotesla eine Leistung im Milliwattbereich. Solche Magnetfeldstärken werden beispielsweise erreicht, wenn man den Konverter direkt an einem laufenden Elektrogerät anbringt. Aber auch schwächere Magnetfelder, wie sie in geringer Entfernung von Stromleitungen oder Geräten auftreten, lassen sich damit noch nutzen:

„Die Ausbeute bei extrem schwachen Magnetfelder unterhalb von 50 Mikrotesla reicht aus, um hunderte von LEDs zu versorgen oder eine digitale Uhr anzutreiben“, berichten die Forscher. Diese Leistung wurde beispielsweise erreicht, als die Wissenschaftler ihren Konverter zehn bis 20 Zentimeter von einem elektrischen Heizofen anbrachten. Insgesamt sei der Stromertrag 400 Prozent höher als bei bereits existierender Technologie dieser Art, so Priya und sein Team.

Vielseitige Anwendungen -auch im Smarthome

Nach Ansicht der Forscher eröffnet die Nutzung der allgegenwärtigen Streu-Magnetfelder eine ganz neue Möglichkeit, Sensoren, Kontrollsysteme in smarten Häusern und andere kleine Elektronik mit Strom zu versorgen. „Diese Technik ist eine signifikanter Fortschritt darin, nachhaltige Energie für integrierte Sensoren und kabellose Kommunikationssysteme zu liefern“, sagt Priyas Kollege Min Gyu Kang. (Energy & Environmental Science, 2020; doi: 10.1039/C9EE03902C)

Quelle: Pennsylvania State University

2. April 2020

- Nadja Podbregar