Wissenschaft im Trend: Verdunstungskraft von Wasser treibt Miniauto an

Im Verdunstungsvorgang ist Energie versteckt, die wir bis jetzt noch nicht gewürdigt haben. Forscher von der Columbia Universität in den Vereinigten Staaten konnten diese Tatsache nun eindrucksvoll vorführen.

Unter der Leitung von Ozgur Sahin hat das Columbia-Team ein Miniaturfahrzeug, das mit Verdunstungskraft angetrieben wird, sowie einen durch Verdunstung betriebenen Generator entwickelt, der den Strom für eine blinkende LED-Lampe liefert.

Die Studie wurde in dieser Woche im Magazin Nature Communications veröffentlicht. Sie beschreibt von diesem Team entwickelte Motoren, die autonom anschalten und laufen, sobald sie „Luft-Wasser-Grenzflächen“ ausgesetzt sind. „Diese generieren eine kreis- und kolbenförmige lineare Bewegung durch speziell entworfene künstliche Muskeln auf biologischer Basis, die auf Feuchtigkeitsveränderungen ansprechen“, lautet es in der Zusammenfassung. Mithilfe dieser Motoren demonstriert das Team einen Stromgenerator, der auf einer Wasseroberfläche ruht und die Wasserverdunstung nutzt, um eine Lichtquelle und ein (100 Gramm schweres) Miniaturfahrzeug mit Strom zu versorgen. Das Fahrzeug bewegt sich vorwärts, sobald das Wasser im Fahrzeug verdunstet.

Der Guardian zitiert den Leiter der Studie, Sahin, dem zufolge die Motoren billig sind und Energie aus dem Wasser gewinnen, das kontinuierlich von den Oberflächen von Seen und Ozeanen verdunstet: „Wasser will verdunsten. Es liegt in seiner Natur zu verdunsten. Feuchtet man eine Oberfläche an, wird sie trocknen - das ist ein natürlicher Vorgang. Wir haben einen Weg gefunden, um diesen Drang zu kanalisieren und daraus eine nützliche Anwendung zu machen.“

Grundlage der Forschung sind Arbeiten, die Sahin vorher an Bakterien der Gattung Bacillus subtilis (Heubazillus) durchgeführt hat. Diese Mikroorganismen sind üblicherweise in Böden anzutreffen. Unter feuchten Bedingungen absorbieren die Sporen die Feuchtigkeit aus der Luft und vergrößern dabei ihr Volumen um 40 %. Unter trockenen Bedingungen kehrt sich dieser Vorgang um. Sahin leitete daraus ab, dass sich ausdehnende und kontrahierende Sporen wie ein Muskel funktionieren können, der andere Objekte drücken oder ziehen kann: „Wir stellten fest, dass wir die Bewegung von Sporen nutzen und diese in elektrische Energie umwandeln können.“ Und genau das hat das Team mit diesen zwei neuen Motoren realisiert.

The Guardian beschreibt die Konstruktionsdetails eines dieser Motoren: „Für den Bau einer dieser Motoren, einem schwimmenden Kolbenmotor, klebten Sahin und seine Kollegen eine Reihe Sporen auf jede Seite eines dünnen Kunststoffbands. Die Sporen wurden so auf dem Band aufgebracht, dass jene auf der einen Seite in den Lücken zwischen den Sporen auf der anderen Seite lagen.“

„Wenn das Band trockener Luft ausgesetzt wird, schrumpfen die Sporen und das Band verhält sich wie eine Feder. In feuchter Luft dehnt sich das Band aus, da die Kontraktion aufgehoben wird. Das Ergebnis ist ein künstlicher Muskel, der durch Differenzen in der Feuchtigkeit angetrieben wird. Die Wissenschaftler bezeichnen diese als hygroskopisch angetriebene künstliche Muskeln oder Hydra.“

Peter Fratzl, Materialwissenschaftler am Max Planck Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam, Deutschland, kommentierte die Forschungsarbeiten im Magazin Science: „Das sind lustige Demonstrationen, doch sie beweisen das Prinzip. Forscher suchen ständig nach Energiequellen, auch wenn sie sehr klein sind. Es hat also Sinn, diese Gradienten [der Feuchtigkeit] zu nutzen, das sie überall vorkommen und kostenlos sind.“

Die Forscher hoffen, dass die durch Verdunstung angetriebenen Motoren Anwendung in der Stromversorgung von Robotiksystemen, Sensoren, Vorrichtungen und Maschinen finden werden, die in einer natürlichen Umgebung funktionieren.

Weitere Informationen sind abrufbar unter:
http://www.nature.com/ncomms/2015/150616/ncomms8346/full/ncomms8346.html

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