Drahtlose Energie

Kristalle mit der Fähigkeit, Licht direkt in mechanische Energie umzuwandeln, ohne als Zwischenstufe Strom zu verwenden, könnten eine Vielzahl von Fortschritten auslösen. Beispielsweise könnten Drohnen, die mit Laserstrahlen betrieben werden, den Batterieverbrauch einsparen oder ganz darauf verzichten, wobei die Gewichtsersparnis zusätzliche Fähigkeiten ermöglicht.

Die Idee der drahtlosen Energieübertragung erfreut sich seit langem großer Beliebtheit. Nikola Tesla hat jahrelang versucht, eine Möglichkeit zu entwickeln, Lichter ohne Kabel mit Strom zu versorgen, und seine Verehrung ist so groß, dass einige Leute glauben, er habe es getan, nur um die Technologie zu unterdrücken. Vorschläge, von Solarpaneelen gesammelte Energie in den Weltraum zu strahlen, sind eine weitere Version, die regelmäßig wiederbelebt wird.

Meist geht es dabei jedoch darum, die ausgesendete elektromagnetische Strahlung in Strom umzuwandeln, der dann zum Antrieb von Motoren oder Leuchtkugeln genutzt wird. Leider ist eines der grundlegendsten Gesetze der Physik, dass jede Energieumwandlung mit einer gewissen Ineffizienz verbunden ist. Daher versucht Professor Ryan Hayward von der University of Colorado in Boulder, die erforderlichen Transformationen zu minimieren.

„Wir schalten sozusagen den Mittelsmann aus, nehmen Lichtenergie und wandeln sie direkt in mechanische Verformung um“, sagte Hayward in einer Erklärung. Der Schlüssel zu diesem Prozess liegt in organischen Kristallen, die sich verbiegen, wenn sie Licht ausgesetzt werden.

Hayward leitet ein Team, das diese fotomechanischen Materialien nutzt, um sicherzustellen, dass Roboter keine Batterien mit sich führen müssen, zumindest solange sie eine klare Sichtlinie zurück zur Lichtquelle haben. So könnte eine von einem Laserstrahl angetriebene Drohne länger in der Luft bleiben und möglicherweise komplexere Flugmanöver durchführen, als wenn sie Batterien und andere schwere elektrische Systeme transportieren müsste.

Fotomechanische Materialien sind nicht neu, aber frühere Versionen waren ineffizient und gingen so leicht kaputt, dass sie eher Kuriositäten als die Grundlage für nützliche Maschinen darstellten. Haywards Team hat herausgefunden, dass winzige, hochgeordnete Diarylethen-Kristalle viel besser abschneiden, wenn sie in größeren Mengen kombiniert werden. „Das Spannende ist, dass diese neuen Aktuatoren viel besser sind als die, die wir zuvor hatten“, sagte Hayward. „Sie reagieren schnell, halten lange und können schwere Dinge heben.“

Haywards Team bettet Anordnungen der Kristalle in mikroskopisch kleine Löcher in Polymermaterialien ein. Sie fanden heraus, dass sie dadurch sowohl robuster als auch leistungsfähiger sind. Wenn sie Licht ausgesetzt werden, verbiegen die Kristalle das Polymer, was einen Motor in Gang setzen kann. Sie haben gezeigt, dass 0,02-Milligramm-Kristalle Objekte um das Tausendfache ihres Gewichts heben können.

Damit sind nicht alle Probleme der drahtlosen Energieübertragung gelöst. Derzeit kann das Team die Kristall-Polymer-Kombination nur unter Einwirkung von Licht biegen und entspannen, da sich Ringe innerhalb der Molekülstruktur der Kristalle öffnen und schließen. Das Team möchte über ein breiteres Spektrum an Kapazitäten verfügen. Hayward räumt außerdem ein: „Wir haben noch einen weiten Weg vor uns, insbesondere im Hinblick auf die Effizienz, bis diese Materialien wirklich mit bestehenden Aktuatoren konkurrieren können.“

Die Studie ist in Nature Materials veröffentlicht.