Energie
Eine Kleinbatterie aus dem 3D-Drucker, die im Kompost verrottet

Eine Schweizer Entwicklung: Aus Pflanzenmaterial mit dem 3D-Drucker hergestellt, lässt sich ein Mini-Stromspeicher für winzige Sensoren biologisch abbauen.

Roland Knauer
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Nach zwei Monaten bleiben von den Kondensatoren nur ein paar Kohlenstoff-Partikel übrig.

Nach zwei Monaten bleiben von den Kondensatoren nur ein paar Kohlenstoff-Partikel übrig.

Foto: Empa

Wenn winzige Sensoren den Blutzucker im Körper eines Diabetes-Patienten messen oder einem Bauern den Nährstoffgehalt in seinem Acker melden, wird die Energieversorgung zum Pferdefuss: Meist kommt der Strom für diese Mikrogeräte aus noch kleineren Batterien, deren Herstellung und Entsorgung die Umwelt stark belastet, weil riesige Mengen solcher Speicher für das Internet der Dinge benötigt werden.

Ein Super-Kondensator aus dem 3-D Drucker

Bereits im laufenden Jahr sollen weltweit 27 Milliarden solcher Sensoren im Einsatz sein. Gustav Nyström und Xavier Aeby von der Eidgenössischen Forschungsanstalt Empa in Dübendorf wollen dieses Problem mit einem Super-Kondensator lösen, den sie in der Fachzeitschrift «Advanced Materials» vorstellen: Sie stellen mit einem 3D-Drucker im Labor aus einfachen Materialien einen winzigen Stromspeicher her.

Der Forscher Nyström:

«Das funktioniert natürlich nicht mit den in Batterien verwendeten Metallen.»

Stattdessen nimmt sein Doktorand Xavier Aeby aus Pflanzen gewonnene Nanofasern und Nano-Kristallstrukturen aus Zellulose, sowie Russ, Graphit und Aktivkohle. Mit Glycerin, Wasser und Alkoholen werden diese festen Substanzen in flüssige Tinten verwandelt, die ein 3D-Drucker zu einem Super-Kondensator spritzen kann. In diesem zieht der fliessende Strom in einer Elektrode elektrisch positiv geladene Natrium-Ionen aus einer Prise Kochsalz an, die sich an die Oberfläche anlagern, während negativ geladene Chlorid-Ionen zur anderen Elektrode fliessen.

In der Theorie klingt das einfach. In der Praxis aber musste Aeby in langen Versuchen die richtigen Mischungen für die Tinten finden, mit denen sich die vier Lagen eines solchen Super-Kondensators spritzen lassen. Grundlage ist eine flexible Folie aus einem Papier-ähnlichen Material, auf den der 3D-Drucker eine dünne Schicht aufträgt, die elektrischen Strom leitet. Darauf kommt die Elektrode aus Graphit und Aktivkohle und zum Abschluss ein Elektrolyt aus Graphit und Russ.

Funktioniert ohne Stromanschluss

Einen festen Stromanschluss benötigt der Stromspeicher dabei nicht, das Ganze funktioniert berührungslos. «Allerdings eignen sich diese Super-Kondensatoren nicht für Energie-Grossverbraucher wie Handys oder Elektro-Autos, sondern für Low-Power-Anwendungen», sagt Nyström. Im Labor speichern diese Geräte den Strom bereits sehr gut, nach einer Woche waren noch 30 Prozent der ursprünglichen Kapazität vorhanden und hat die zehnfache Kapazität vergleichbarer Speicher.

Super-Kondensator verrottet im Kompost

Der grösste Vorteil aber ist die Nachhaltigkeit: Der Super-Kondensator ist biologisch abbaubar: Wenn er nach einigen Tausend Zyklen von Laden und Entladen seinen Dienst getan hat, kann er auf den Kompost geworfen werden und verrottet.

Allerdings gilt das nur für die eine Hälfte eines solchen Mikrogeräts. Die herkömmlichen Sensoren im Gerät zersetzen sich nicht. «Wir arbeiten daher an Sensoren, die wir mit ähnlichen Prozessen und Materialien herstellen und die mit dem Super-Kondensator ebenfalls kompostiert werden können», sagt Nyström. Bis dahin dürften noch einige Jahre vergehen.

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