Forschende der Boise State University haben einen vollständig 3D-gedruckten triboelektrischen Nanogenerator (TENG) entwickelt, der mithilfe von Bewegung Strom erzeugt – und dabei auf umweltfreundliche und biokompatible Materialien setzt. Ziel dieser Entwicklung ist es, tragbare Elektronikgeräte künftig nachhaltiger und energieautonom betreiben zu können.
Die Forschungen wurden in „Science Direct“ unter dem Titel „Direct writing of PVBVA/Ti3C2 Tx (MXene) triboelectric nanogenerators for energy harvesting and sensing applications“ veröffentlicht.
Herausforderungen bei der Energieversorgung von Wearables
Trotz technischer Fortschritte in der Miniaturisierung von Sensoren und Recheneinheiten haben sich Wearables bislang nicht im erhofften Umfang durchgesetzt. Ein zentrales Hindernis stellt die begrenzte Energiekapazität dar. Kleine und leichte Geräte benötigen entweder zu häufige Ladezyklen oder sperrige Batterien – beides mindert die Alltagstauglichkeit erheblich.
Hier setzen Technologien zur Energiegewinnung durch Umgebungsquellen wie Bewegung oder Temperaturunterschiede an. Triboelektrische Nanogeneratoren, die Reibung in elektrische Energie umwandeln, gelten dabei als besonders vielversprechend. Ihre Herstellung erfordert jedoch häufig giftige Materialien und komplexe Produktionsprozesse.
Umweltfreundliches TENG-Material aus dem 3D-Drucker
Das Forschungsteam der Boise State University entwickelte nun einen TENG, der sich vollständig durch 3D-Druck herstellen lässt. Grundlage ist eine eigens entwickelte Tintenformulierung aus dem umweltfreundlicheren Polymer Poly(vinyl butyral-co-vinyl alcohol-co-vinyl acetate) (PVBVA) sowie leitfähigen Ti₃C₂Tₓ-MXene-Nanoschichten. Die Herstellung erfolgt dabei ohne den Einsatz von Fluorpolymeren oder toxischen Lösungsmitteln – stattdessen wird Ethanol als umweltverträgliches Medium verwendet.
Dank der Kombination dieser Komponenten konnten die Forschenden die elektrische Leistungsfähigkeit des TENGs signifikant steigern. MXene-Materialien zeichnen sich durch hohe elektrische Leitfähigkeit und eine große spezifische Oberfläche aus, was der Energieausbeute zugutekommt.
Leistungsdaten und Anwendungsbeispiele
Im Testbetrieb erreichte der 3D-gedruckte Generator eine offene Spannung von 252 Volt sowie einen Kurzschlussstrom von 2,8 Mikroampere. Die maximale Leistungsdichte lag bei 760 Milliwatt pro Quadratmeter. Selbst nach über 10.000 Biegezyklen blieb die mechanische Stabilität des Geräts erhalten – eine entscheidende Voraussetzung für den Einsatz im Alltag.
Die Forscher demonstrierten die Funktionalität des Systems anhand praktischer Anwendungen: Der TENG konnte unter anderem LEDs sowie eine Stoppuhr mit Bewegungsenergie versorgen – sei es durch das Tippen mit dem Finger, das Beugen des Knies oder sogar durch herabfallendes Regenwasser.
Perspektiven für selbstversorgende Wearables
Die vorgestellte Entwicklung eröffnet neue Möglichkeiten für tragbare Sensoren, medizinische Monitoring-Systeme und andere Wearables, die künftig ohne externe Stromquelle auskommen könnten. Insbesondere die Kombination aus umweltverträglicher Herstellung, mechanischer Belastbarkeit und einfacher Additiver Fertigung könnte das Interesse von Industrie und Forschung an der Weiterentwicklung solcher Systeme wecken.
Die Idee, Strom direkt aus menschlicher Bewegung zu gewinnen, klingt nicht nur technisch spannend, sondern könnte auch einen echten Beitrag zur Nachhaltigkeit leisten. Was halten Sie von dieser neuen Technologie? Teilen Sie uns Ihre Meinung mit und diskutieren Sie mit anderen Leser:innen! Abonnieren Sie auch unseren kostenlosen Newsletter, um über aktuelle Entwicklungen im 3D-Druck stets informiert zu bleiben.
