Kann Körpertemperatur Elektrizität erzeugen? Chinesische Wissenschaftler erzielen materiellen Durchbruch!

Kürzlich ist dem Team um Professor Zhang Qian und Professor Mao Jun von der School of Materials Science and Engineering am Harbin Institute of Technology (Shenzhen) ein neuer Durchbruch auf dem Gebiet der thermoelektrischen Kunststoffmaterialien gelungen: Sie fanden heraus, dass Magnesium-Wismut-Einkristalle bei Raumtemperatur sowohl eine ausgezeichnete plastische Verformbarkeit als auch hervorragende thermoelektrische Eigenschaften aufweisen. Die entsprechenden Ergebnisse wurden am 10. in der internationalen Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

01 Biegbarer und verdrehbarer Magnesium-Wismut-Einkristall

Das Forschungsteam produzierte hochwertige Magnesium-Wismut-Einkristalle im Zentimetermaßstab. „Einkristalle aus Magnesium-Wismutoxid können bei Raumtemperatur problemlos verschiedene Arten plastischer Verformungen wie Biegen und Verdrehen erreichen.“ Zhang Qian führte aus, dass die optimierten Magnesium-Wismutoxid-Einkristalle auch bei Raumtemperatur hervorragende thermoelektrische Eigenschaften aufweisen, die besser sind als die der aktuellen Kunststoff-Halbleitermaterialien.

Es wird berichtet, dass diese Art von thermoelektrischem Kunststoffmaterial zur Entwicklung flexibler thermoelektrischer Geräte verwendet werden kann, hauptsächlich für Anwendungsszenarien wie Stromerzeugung und Temperaturregelung basierend auf der menschlichen Körpertemperatur.

02 Die magische Technologie zur Stromerzeugung aus der menschlichen Körpertemperatur

Die Stromerzeugung über Körpertemperatur ist eine Methode zur Stromerzeugung durch Ausnutzung des Temperaturunterschieds zwischen der Körperoberfläche und der äußeren Umgebung. Dadurch wird es für elektronische Geräte möglich, von herkömmlichen Stromversorgungsmethoden loszukommen. Im Jahr 2007 erforschten Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen in Deutschland diese neue Technologie. Sie nutzten Halbleiter, um aus Temperaturunterschieden elektrische Energie zu erzeugen. Das Grundprinzip der Stromerzeugung durch Temperaturunterschiede ist der „Seebeck“-Effekt. Das heißt, wenn zwei verschiedene Metalle zu einem geschlossenen Kreislauf verbunden werden und die Temperaturen der beiden Verbindungspunkte unterschiedlich sind, kann eine kleine Spannung erzeugt werden.

Im Jahr 2016 erfanden Forscher der North Carolina State University in den USA ein „Ladepflaster“, das Körperwärme problemlos in elektrische Energie umwandeln kann. Es ist nur 2 mm dick und lässt sich beliebig falten. Die untere Schicht besteht aus wärmeleitendem Material, das eng an der Haut anliegt und mit einer Polymerfolie überzogen ist, um Wärmeverlust zu verhindern. Eine solche Struktur kann Wärme „zwingen“, durch den Temperaturdifferenzgenerator in ihrem Inneren zu strömen, wodurch die Wärme in elektrische Energie umgewandelt wird.

03 Durchbruch in der Körpertemperatur-Stromerzeugungstechnologie in meinem Land

Im Jahr 2018 entwickelte das Institut für Metallforschung der Chinesischen Akademie der Wissenschaften ein neues Material, das mithilfe der Körpertemperatur Strom erzeugen kann. Dieses neue Material besteht aus einem einzigen Stück grauer, weicher Folie, die weniger als einen Finger breit und 0,1 mm dick ist. Beim Anlegen am menschlichen Handgelenk zeigt das angeschlossene Messgerät sofort eine deutliche Ausgangsspannung an. Es versorgt tragbare elektronische Geräte wie Bluetooth-Headsets, Gesundheitsmonitore, Uhren, Smartarmbänder usw. mit Strom.

Bei der Nutzung der menschlichen Körpertemperatur zur Stromerzeugung kann eine Stromerzeugung im Mikrowatt- bis Milliwattbereich erreicht werden, wenn der Unterschied zwischen Körpertemperatur und Umgebungstemperatur etwa 15 Grad Celsius beträgt. Der Stromerzeugungseffekt nimmt mit zunehmendem Temperaturunterschied zu, insbesondere wenn der menschliche Körper bei körperlicher Betätigung biochemische Energie zur Wärmeerzeugung verbraucht oder wenn die durchschnittliche Außentemperatur im Jahr in nördlichen Regionen unter 20 Grad Celsius liegt. Solange ein Temperaturunterschied besteht, kann Strom erzeugt werden, unabhängig davon, ob die Körpertemperatur höher als die Umgebungstemperatur oder die Umgebungstemperatur höher als die Körpertemperatur ist.

Die Dünnschichtbatterie aus dem oben genannten neuen Material, nämlich die „flexible, anpassbare thermoelektrische Dünnschichtbatterie aus Wismuttellurid/Zellulose-Verbundwerkstoff“, kombiniert leistungsstarkes thermoelektrisches Wismuttellurid-Material mit kostengünstigem Zellulosepapier in einer Netzwerkstruktur. Es verfügt außerdem über eine hervorragende Verformungsfähigkeit, kann sich bei komplexen Krümmungsänderungen vollständig an die Oberfläche des menschlichen Körpers anpassen und den Temperaturunterschied zur Umgebung aufrechterhalten, wodurch die Effizienz der Umwandlung von Wärmeenergie verbessert wird. Es kann auf die neue Generation der Stromversorgungstechnologie für Mikrosysteme mit geringem Stromverbrauch angewendet werden.

Mit der Entwicklung tragbarer elektronischer Produkte haben Wissenschaftler im In- und Ausland in den letzten Jahren begonnen, sich auf die Erforschung flexibler thermoelektrischer Materialien und Geräte zu konzentrieren.

Umfassende Quellen: Science and Technology Daily, CCTV News, Xinhuanet usw.