Strom durch Klopfen: Flexibler Sensorfilm aus Chemnitz
Er ist hauchdünn und doppelt nützlich. Forschende der TU Chemnitz haben einen Film entwickelt, der Druck misst und aus Bewegung elektrische Energie gewinnt. Wofür das gut ist.
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Bildunterschrift: Misst Druck und gewinnt Energie: Der nur hauchdünne Nanokompositfilm wurde an der TU Chemnitz entwickelt. © TU Chemnitz
Die Smartwatch zählt Schritte, das Sensorpflaster am Arm misst Gesundheitswerte. Doch solche Geräte brauchen Strom und irgendwann ist der Akku leer. Forschende der Technischen Universität Chemnitz haben einen biegsamen Film entwickelt, der Druck misst und zugleich elektrische Energie erzeugt. Er ist nur etwa 40 Mikrometer dick und damit dünner als ein menschliches Haar.
Der Film kann zwei Dinge: Druck messen und aus Bewegung elektrische Energie gewinnen. Wird er gleichmäßig gedrückt, verändert sich sein elektrischer Widerstand. So lässt sich messen, wie stark der Druck ist. Wird er dagegen immer wieder belastet, etwa durch Klopfen oder Vibration, entsteht elektrische Spannung. Fachleute sprechen beim ersten Effekt von Piezoresistivität, beim zweiten von Piezoelektrizität. Bisher wurden Materialien für beide Aufgaben meist getrennt entwickelt.
Drei Zutaten, eine Rezeptur
Das Team der Professur für Mess- und Sensortechnik um Prof. Olfa Kanoun mischte drei Zutaten. Ein flexibler Kunststoff bildet die Grundlage. Winzige, bleifreie Keramikteilchen sorgen dafür, dass er bei Belastung besser elektrische Spannung erzeugt. Kohlenstoff-Nanoröhrchen bilden darin ein leitfähiges Netz. Drückt man den Film, verändern sich ihre Kontakte und damit der Widerstand. "Eine homogene Verteilung der keramischen Partikel und der Kohlenstoffnanoröhren war unerlässlich", erklärt Ahmed Attaoui, Hauptautor der Studie.
Je nach Rezeptur lässt sich beeinflussen, was der Film besonders gut kann. Mit einem höheren Anteil an Nanoröhrchen erzeugte er bis zu 25 Volt und erreichte eine maximale Leistung von 345 Mikrowatt. Das war rund hundertmal mehr als bei demselben Material ohne Nanoröhrchen. Selbst nach 100.000 Belastungen sank die Spannung nur wenig. Eine Mischung mit mehr Keramik und weniger Nanoröhrchen reagierte dagegen besonders empfindlich auf Druck.
"Das wichtige Ergebnis ist die Steuerbarkeit des Systems", sagt Kanoun. Je nachdem, ob ein Bauteil vor allem Energie erzeugen oder Druck messen soll, könnten Entwickler die Zusammensetzung entsprechend wählen.
Klopfen liefert Energie
Wie sich beide Eigenschaften unterscheiden, zeigte ein einfacher Versuch. Drückten die Forschenden den Film gleichmäßig mit dem Finger, sank sein elektrischer Widerstand deutlich. Dabei entstand kaum Spannung. Schnelles Klopfen erzeugte dagegen starke Spannungsimpulse. Die Forschenden speicherten die dabei gewonnene Energie in Kondensatoren. Nach wenigen Sekunden konnten diese mehrere LEDs versorgen.
Bis daraus Sensoren für den Alltag werden, ist allerdings noch Entwicklungsarbeit nötig. Bisher haben die Forschenden vor allem untersucht, was das Material kann. Denkbar sind etwa Sensorpflaster zur Gesundheitsüberwachung, elektronische Haut für Roboter oder selbstversorgende Drucksensoren. Als Nächstes will das Team prüfen, ob der Film noch eine dritte Aufgabe übernehmen kann: ob er sich mit elektrischer Spannung gezielt in Bewegung versetzen lässt.
Originalveröffentlichung:
Ahmed Attaoui, Ayda Bouhamed, Mario Scholze, Martin F.-X. Wagner, Christoph Tegenkamp, Chokri Bouraoui, Olfa Kanoun: „High-performance self-poled PVDF-BaTiO₃-CNT nanocomposites: A multifunctional material for flexible next-generation energy harvesting and sensing.“ Nano Energy, 2026, 148, 111688.
