Salz-Eis-Kombination ermöglicht abfallfreie Stromerzeugung

Wissenschaftlern ist ein bemerkenswerter Durchbruch gelungen: Durch die einfache Kombination von Salz, Eis und mechanischer Beanspruchung kann nun Elektrizität erzeugt werden. Diese Entdeckung eröffnet vielversprechende Wege zur Gewinnung erneuerbarer Energie aus gefrorenen Umgebungen. Die Forscher präsentierten ihre Ergebnisse am 15. September in der Fachzeitschrift Nature Materials. Sie berichten, dass kegelförmige Stücke von salzhaltigem Eis, die etwa 25 Prozent Salz nach Gewicht enthalten und kaum größer als ein schwarzer Pfefferkorn sind, eine elektrische Spannung von rund 1 Millivolt erzeugen können.

Werden diese winzigen Elemente in Anordnungen zusammengefasst, beispielsweise 2.000 solcher Kegel, ließe sich eine Gesamtspannung von etwa 2 Volt erzielen. Dies wäre theoretisch ausreichend, um eine kleine rote LED-Leuchte zu betreiben. Die Grundlage dieser Stromerzeugung bildet der sogenannte Flexoelektrische Effekt. Hierbei wird eine elektrische Ladung in einem festen Material freigesetzt, wenn dieses einer ungleichmäßigen mechanischen Verformung ausgesetzt wird.

Während reines Eis eine sehr schwache Flexoelektrische Wirkung zeigt – eine Eigenschaft, die möglicherweise mit atmosphärischen Phänomenen wie der Blitzentstehung in Verbindung steht –, wandelt die Zugabe von Salz, einer alltäglichen Verunreinigung, Eis in einen deutlich effizienteren Stromerzeuger um. Die Forscher um den Physiker Xin Wen haben diese Forschung vorangetrieben, indem sie Salzwasser zu Kegeln und Balken formten. Anschließend setzten sie diese Salzeisstrukturen mithilfe spezialisierter Apparaturen unter Biegung und maßen die resultierende elektrische Ladung.

Es zeigte sich, dass die Kegelformen den Belastungen besser standhielten und höhere Spannungen produzierten. Kleinere Kegel reagierten dabei mit einer stärkeren elektrischen Ausgabe, die durch die mechanische Dehnung induziert wurde. Solche Anordnungen aus vielen kleinen Kegeln bergen somit das Potenzial, die Leistungsausbeute aus salzhaltigen Eisstrukturen signifikant zu steigern.

Der zugrundeliegende Mechanismus involviert mikroskopisch kleine Schichten aus flüssigem Sole, die sich zwischen den Eiskristallen befinden. Wird das Eis gebogen, entstehen Druckunterschiede, welche die geladene Sole von komprimierten zu gedehnten Bereichen verschieben. Da diese Sole positiv geladene Ionen (Kationen) enthält, resultiert diese Bewegung in einem sogenannten Strömungsstrom. Dieser Streaming-Flexoelektrische Effekt wird durch den Einfluss des Salzes auf die Mikrostruktur des Eises stark verstärkt. Dies äußert sich in einer Verkleinerung der Eiskörner, einer Verdickung der Solekanäle und einer Veränderung des Verhaltens der Wassermoleküle, was die dielektrischen Eigenschaften und den ionischen Transport optimiert.

Obwohl die aktuell erzeugte elektrische Leistung noch als gering einzustufen ist, deutet diese Entdeckung darauf hin, dass salzhaltiges Eis als erneuerbare Energiequelle in kalten Regionen dienen könnte, beispielsweise zur Versorgung von Sensoren oder anderen Geräten mit geringem Energiebedarf. Die Skalierung dieser Technologie für den Betrieb alltäglicher Elektronik stellt jedoch eine erhebliche Herausforderung dar. Um beispielsweise ein Smartphone aufzuladen, wäre ein Salzeisblock von der Größe von zehn bis hundert Quadratmetern erforderlich. Die laufende Forschung konzentriert sich darauf, die Effizienz zu steigern und den ökologischen Fußabdruck dieser eisbasierten Energiegewinnung zu minimieren.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dieses neue Verständnis der Flexoelektrizität in natürlich salzigem Eis nicht nur potenzielle nachhaltige Energielösungen vorantreibt. Es liefert auch wichtige Einblicke in geophysikalische Vorgänge und könnte zukünftige Studien über eisbedeckte Himmelskörper in unserem Sonnensystem, wie Europa oder Enceladus, beeinflussen, wo ausgedehnte Oberflächen von Salzeis bedeckt sind.