23 (Nanowerk-Neuigkeiten) Entlang der Küsten der Welt gibt es eine weitgehend ungenutzte Energiequelle: den Unterschied im Salzgehalt zwischen Meerwasser und Süßwasser. Ein neues Nanogerät kann diesen Unterschied nutzen, um Strom zu erzeugen. Ein Forscherteam der University of Illinois Urbana-Champaign hat in der Fachzeitschrift über den Entwurf eines nanofluidischen Geräts berichtet, das einen Ionenfluss in nutzbare elektrische Energie umwandeln kann Nano-Energie („Ionischer Coulomb-Widerstand in nanofluidischen Halbleiterkanälen zur Energiegewinnung“). Das Team glaubt, dass ihr Gerät dazu verwendet werden könnte, Energie aus den natürlichen Ionenflüssen an Meerwasser-Süßwasser-Grenzen zu gewinnen. „Obwohl unser Entwurf zum jetzigen Zeitpunkt noch ein Konzept ist, ist er recht vielseitig und zeigt bereits großes Potenzial für Energieanwendungen“, sagte Jean-Pierre Leburton, Professor für Elektro- und Computertechnik an der University of I. und Projektleiter. „Es begann mit einer akademischen Frage: ‚Kann ein nanoskaliges Festkörpergerät Energie aus dem Ionenfluss extrahieren?‘ – aber unser Design hat unsere Erwartungen übertroffen und uns in vielerlei Hinsicht überrascht.“
Das von Leburtons Gruppe entworfene Gerät. Wenn Salzionen durch den Gerätekanal von einer höheren Konzentration zu einer niedrigeren Konzentration fließen, werden Ladungen von einem Ende zum anderen gezogen, wodurch Spannung und elektrischer Strom erzeugt werden. (Bild: Das Grainger College of Engineering an der University of Illinois Urbana-Champaign) Wenn zwei Gewässer mit unterschiedlichem Salzgehalt aufeinandertreffen, beispielsweise dort, wo ein Fluss in einen Ozean mündet, fließen Salzmoleküle auf natürliche Weise von einer höheren Konzentration zu einer niedrigeren Konzentration. Die Energie dieser Ströme kann genutzt werden, da sie aus elektrisch geladenen Teilchen, sogenannten Ionen, bestehen, die sich aus dem gelösten Salz bilden. Leburtons Gruppe entwarf ein Halbleiterbauelement im Nanomaßstab, das sich ein Phänomen namens „Coulomb-Widerstand“ zwischen fließenden Ionen und elektrischen Ladungen im Bauelement zunutze macht. Wenn die Ionen durch einen schmalen Kanal im Gerät fließen, bewirken elektrische Kräfte, dass sich die Geräteladungen von einer Seite zur anderen bewegen und so Spannung und elektrischen Strom erzeugen. Bei der Simulation ihres Geräts fanden die Forscher zwei überraschende Verhaltensweisen. Erstens: Während sie erwarteten, dass der Coulomb-Widerstand hauptsächlich durch die Anziehungskraft zwischen entgegengesetzten elektrischen Ladungen entstehen würde, deuteten die Simulationen darauf hin, dass das Gerät genauso gut funktioniert, wenn die elektrischen Kräfte abstoßend sind. Sowohl positiv als auch negativ geladene Ionen tragen zum Luftwiderstand bei. „Ebenso bemerkenswert ist, dass unsere Studie darauf hinweist, dass es einen Verstärkungseffekt gibt“, sagte Mingye Xiong, ein Doktorand in Leburtons Gruppe und Hauptautor der Studie. „Da die sich bewegenden Ionen im Vergleich zu den Geräteladungen so massiv sind, übertragen die Ionen den Ladungen große Impulse und verstärken so den zugrunde liegenden Strom.“ Die Forscher fanden außerdem heraus, dass diese Effekte unabhängig von der spezifischen Kanalkonfiguration sowie der Wahl der Materialien sind, vorausgesetzt, der Kanaldurchmesser ist schmal genug, um die Nähe zwischen den Ionen und den Ladungen zu gewährleisten. Die Forscher sind dabei, ihre Erkenntnisse zu patentieren und untersuchen, wie sich Arrays dieser Geräte für die praktische Stromerzeugung skalieren lassen. „Wir glauben, dass die Leistungsdichte einer Geräteanordnung die von Solarzellen erreichen oder übertreffen könnte“, sagte Leburton. „Ganz zu schweigen von den potenziellen Anwendungen in anderen Bereichen wie der biomedizinischen Sensorik und der Nanofluidik.“
Das von Leburtons Gruppe entworfene Gerät. Wenn Salzionen durch den Gerätekanal von einer höheren Konzentration zu einer niedrigeren Konzentration fließen, werden Ladungen von einem Ende zum anderen gezogen, wodurch Spannung und elektrischer Strom erzeugt werden. (Bild: Das Grainger College of Engineering an der University of Illinois Urbana-Champaign) Wenn zwei Gewässer mit unterschiedlichem Salzgehalt aufeinandertreffen, beispielsweise dort, wo ein Fluss in einen Ozean mündet, fließen Salzmoleküle auf natürliche Weise von einer höheren Konzentration zu einer niedrigeren Konzentration. Die Energie dieser Ströme kann genutzt werden, da sie aus elektrisch geladenen Teilchen, sogenannten Ionen, bestehen, die sich aus dem gelösten Salz bilden. Leburtons Gruppe entwarf ein Halbleiterbauelement im Nanomaßstab, das sich ein Phänomen namens „Coulomb-Widerstand“ zwischen fließenden Ionen und elektrischen Ladungen im Bauelement zunutze macht. Wenn die Ionen durch einen schmalen Kanal im Gerät fließen, bewirken elektrische Kräfte, dass sich die Geräteladungen von einer Seite zur anderen bewegen und so Spannung und elektrischen Strom erzeugen. Bei der Simulation ihres Geräts fanden die Forscher zwei überraschende Verhaltensweisen. Erstens: Während sie erwarteten, dass der Coulomb-Widerstand hauptsächlich durch die Anziehungskraft zwischen entgegengesetzten elektrischen Ladungen entstehen würde, deuteten die Simulationen darauf hin, dass das Gerät genauso gut funktioniert, wenn die elektrischen Kräfte abstoßend sind. Sowohl positiv als auch negativ geladene Ionen tragen zum Luftwiderstand bei. „Ebenso bemerkenswert ist, dass unsere Studie darauf hinweist, dass es einen Verstärkungseffekt gibt“, sagte Mingye Xiong, ein Doktorand in Leburtons Gruppe und Hauptautor der Studie. „Da die sich bewegenden Ionen im Vergleich zu den Geräteladungen so massiv sind, übertragen die Ionen den Ladungen große Impulse und verstärken so den zugrunde liegenden Strom.“ Die Forscher fanden außerdem heraus, dass diese Effekte unabhängig von der spezifischen Kanalkonfiguration sowie der Wahl der Materialien sind, vorausgesetzt, der Kanaldurchmesser ist schmal genug, um die Nähe zwischen den Ionen und den Ladungen zu gewährleisten. Die Forscher sind dabei, ihre Erkenntnisse zu patentieren und untersuchen, wie sich Arrays dieser Geräte für die praktische Stromerzeugung skalieren lassen. „Wir glauben, dass die Leistungsdichte einer Geräteanordnung die von Solarzellen erreichen oder übertreffen könnte“, sagte Leburton. „Ganz zu schweigen von den potenziellen Anwendungen in anderen Bereichen wie der biomedizinischen Sensorik und der Nanofluidik.“
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- Quelle: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63700.php
