{"id":279063,"date":"2021-03-17T09:00:58","date_gmt":"2021-03-17T08:00:58","guid":{"rendered":"http:\/\/innovationorigins.com\/?p=279063"},"modified":"2021-03-17T09:00:58","modified_gmt":"2021-03-17T08:00:58","slug":"das-parkett-als-stromquelle-durch-piezoelektrisches-holz","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/de\/das-parkett-als-stromquelle-durch-piezoelektrisches-holz\/","title":{"rendered":"Das Parkett als Stromquelle durch piezoelektrisches Holz"},"content":{"rendered":"\n

Das Team um Ingo Burgert an der Empa – Eidgen\u00f6ssische Materialpr\u00fcfungs- und Forschungsanstalt<\/a> und der ETH Z\u00fcrich<\/a> hat schon wiederholt gezeigt, dass Holz mehr ist als Baumaterial oder Feuerholz. Die Wissenschaftler suchen nach Wegen, die Eigenschaften von Holz so zu erweitern, dass es sich f\u00fcr v\u00f6llig neue Anwendungsbereiche eignet, wie zum Beispiel als hochfestes, wasserabweisendes oder magnetisierbares Holz. Im neuesten Forschungsprojekt, das das Team gemeinsam mit der Empa-Forschungsgruppe um Francis Schwarze und Javier Ribera durchgef\u00fchrt hat, ging es um ein einfaches, umweltfreundliches Verfahren, elektrische Spannung mit einer Art Holzschwamm zu erzeugen.<\/p>\n\n\n\n

Piezoelektrischer Effekt<\/h3>\n\n\n\n

“Will man mit Holz eine elektrische Spannung erzeugen, kommt der sogenannte piezoelektrische Effekt ins Spiel”, erkl\u00e4ren die Forscher. Piezoelektrizit\u00e4t bedeutet, dass die elastische Verformung von Festk\u00f6rpern elektrische Spannung erzeugt. Das ist nichts Neues, bisher wird dieses Ph\u00e4nomen aber haupts\u00e4chlich in der Messtechnik angewendet. Mithilfe von Sensoren, die beispielsweise bei mechanischer Belastung ein Ladungssignal erzeugen. Diese Sensoren verwenden jedoch oft Stoffe wie Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) und sind daher f\u00fcr einen Gebrauch in der Biomedizin nicht geeignet, denn Blei kommt f\u00fcr den Einsatz auf der Haut nicht in Frage. Au\u00dferdem ist eine \u00f6kologische Entsorgung dieser Stoffe sehr schwierig.<\/p>\n\n\n\n

Ganz im Gegensatz zum nat\u00fcrlichen piezoelektrischen Effekt von Holz, der eindeutige Vorteile hat und dessen Effekt auch zur nachhaltigen Energiegewinnung dienen k\u00f6nnte. Allerdings muss Holz dazu erst einmal die entsprechenden Eigenschaften haben. Ohne spezielle Behandlung entsteht bei einer mechanischen Beanspruchung des Holzes n\u00e4mlich nur eine sehr geringe elektrische Spannung.<\/p>\n\n\n\n

Vom Klotz zum Schwamm<\/h3>\n\n\n\n

Um dem Holz diese n\u00f6tigen Eigenschaften zu verleihen, wendete Jianguo Sun, Doktorand im Team von Burgert, ein Verfahren an, das die Grundlage f\u00fcr diverse Weiterentwicklungen darstellt: die Delignifizierung. Holzzellw\u00e4nde bestehen aus drei Grundstoffen: Lignin, Hemizellulosen und Zellulose. “Das Lignin ben\u00f6tigt ein Baum in erster Linie, um weit in die H\u00f6he wachsen zu k\u00f6nnen”, erkl\u00e4rt Burgert. “Ohne Lignin als stabilisierenden Stoff, der die Zellen verbindet und das Ausknicken der zugsteifen Zellulosefibrillen verhindert, w\u00e4re das nicht m\u00f6glich.”<\/p>\n\n\n\n

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So funktioniert ein piezoelektrischer Nanogenerator: Nachdem die starre Holzstruktur aufgel\u00f6st wurde, bleibt ein flexibles Zellulosenetzwerk \u00fcbrig. Wird dieses zusammengedr\u00fcckt, werden Ladungen getrennt und eine elektrische Spannung erzeugt. Bild: ACS Nano \/ Empa<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Um Holz in ein leicht verformbares Material umzuwandeln, m\u00fcsse das Lignin zumindest teilweise “herausgel\u00f6st” werden, indem man es in eine Mischung aus Wasserstoffperoxid und Essigs\u00e4ure einlege. Das Lignin wird dann im S\u00e4urebad herausgel\u00f6st. Was \u00fcbrig bleibt, ist ein wei\u00dfer Holzschwamm aus \u00fcbereinanderliegenden, d\u00fcnnen Zelluloseschichten, die sich einfach zusammenpressen lassen und sich dann wieder in ihre urspr\u00fcngliche Form ausdehnen. Burgerts Team ging es bei diesem Verfahren darum, mit relativ einfachen und umweltschonenden Prozessen zu arbeiten: “Wir machen uns die hierarchische Struktur des Holzes zunutze, ohne sie, wie etwa bei der Papierherstellung, zuerst aufzul\u00f6sen und die Fasern anschlie\u00dfend wieder verbinden zu m\u00fcssen.”<\/p>\n\n\n\n

Strom aus dem Fu\u00dfboden<\/h3>\n\n\n\n

Der Testw\u00fcrfel mit einer Seitenl\u00e4nge von etwa 1.5 cm wurde durch rund 600 Belastungszyklen geschickt. Dabei zeigte das Material eine “erstaunliche Stabilit\u00e4t”. Die Forscher ma\u00dfen bei jeder Belastung eine Spannung von rund 0.63 V. Die w\u00fcrde ausreichen, um sie f\u00fcr Sensor anzuwenden. In weiteren Experimenten konnten die Forscher zeigen, dass 30 solcher Holzkl\u00f6tze, wenn sie mit dem K\u00f6rpergewicht eines Erwachsenen parallel belastet werden, bereits ein einfaches LCD-Display zum Leuchten bringen. Bei einer weiteren Optimierung des Prozesses w\u00e4re somit sogar ein funktionalisierter Parkettboden m\u00f6glich, der die Trittenergie in Strom umwandelt. Au\u00dferdem testeten die Wissenschaftler die Tauglichkeit als drucksensitiven Sensor auf der menschlichen Haut. Dadurch konnten sie zeigen, dass auch eine Anwendung im medizinischen Bereich m\u00f6glich w\u00e4re.<\/p>\n\n\n\n

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Nanogenerator: Nachdem die starre Holzstruktur (links) mit einer S\u00e4ure aufgel\u00f6st wurde, bleiben flexible Zelluloseschichten \u00fcbrig (Mitte \/ rechts). Beim Zusammendr\u00fccken werden unterschiedlich geladene Bereiche gegeneinander verschoben. Die Oberfl\u00e4che des Materials wird elektrisch aufgeladen. Bild: ACS Nano \/ Empa<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

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Forschungen gehen weiter<\/h3>\n\n\n\n

F\u00fcr die Zukunft wollen die Forscher aber noch einen Schritt weitergehen. Sie wollen das Verfahren so abwandeln, dass keine aggressiven Chemikalien n\u00f6tig sind. Und sie fanden einen geeigneten Kandidaten in der Natur: den Pilz Ganoderma applanatum, der im Holz Wei\u00dff\u00e4ulnis verursacht. “Der Pilz baut das Lignin und die Hemizellulose im Holz besonders schonend ab”, erl\u00e4utert Empa-Forscher Javier Ribera das umweltvertr\u00e4gliche Verfahren. Zudem lasse sich der Prozess im Labor gut steuern.

Bis das “Piezo”-Holz auch in der Praxis als Sensor oder stromerzeugender Parkettboden genutzt werden kann, wird noch einige Zeit vergehen. Die Wissenschaftler arbeiten aber bereits an weiteren Forschungen und sind auch schon im Gespr\u00e4ch mit m\u00f6glichen Kooperationspartnern. Ver\u00f6ffentlicht haben sie die Ergebnisse ihrer Forschung im renommierten Fachmagazin “Science Advances”.<\/p>\n\n\n\n

Titelbild<\/em><\/strong>: Schon geringer Druck kann im Holzschwamm elektrische Spannung erzeugen. Bild: \u00a9 ACS Nano \/ Empa<\/em><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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