Neues Material speichert Energie durch Selbstaufbau

Energie aufzunehmen, zu speichern und später wieder abzugeben, sind normalerweise drei getrennte Aufgaben. Ein Solarmodul fängt sie ein. Eine Batterie hält sie fest. Ein anderes System nutzt sie. Unterschiedliche Aufgaben erfordern unterschiedliche Hardware.

Ein neues flüssiges Material vereint alle drei Funktionen – und kann etwas, das keine Batterie leistet. Beim Laden baut es seine eigene Struktur von innen heraus neu auf, ähnlich dem Gerüst einer lebenden Zelle.

Ein Molekül, drei Funktionen

Seit Jahrzehnten entwickeln Forschende Materialien, die Energie aus Licht oder Elektrizität aufnehmen. Das Problem folgt danach: Die eingefangene Energie wird meist sofort verbraucht oder an ein separates Speichersystem weitergegeben.

Ein Team unter Leitung von Samuel I. Stupp, Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der Northwestern University, wollte ein einziges Material schaffen, das alle drei Aufgaben übernimmt. Daher entwickelten die Forschenden ein maßgeschneidertes Molekül, das Energie aufnimmt, speichert und bei Bedarf wieder freisetzt.

Das Ergebnis verhält sich weniger wie ein technisches Gerät als wie etwas Lebendiges. Es lädt sich auf, verändert seine Form, erfüllt seine Aufgabe und setzt sich an der Luft zurück, bereit für den nächsten Durchlauf.

Ein Prinzip aus Zellen übernommen

Stupp fand die Vorlage in unseren eigenen Zellen. Jede enthält ein Zytoskelett, ein Netzwerk aus Proteinfasern, das der Zelle ihre Form verleiht und sie bei Bewegung und Teilung unterstützt. Tierskelette bleiben an ihrem Platz. Dieses hier nicht.

Es zerlegt und erneuert sich fortwährend, indem es Bestandteile austauscht, sobald sich die Anforderungen der Zelle ändern.

Biologinnen und Biologen dokumentieren diesen unablässigen Umbau seit Jahren, wie eine Übersichtsarbeit ausführlich darlegt.

Das Material der Northwestern University greift diesen Rhythmus auf. Während es Energie speichert, verbinden sich seine Moleküle zu größeren Strukturen; bei der Energiefreisetzung zerfallen diese wieder. Aufbau und Abbau sind dabei nicht bloß ein Nebeneffekt, sondern der zentrale Mechanismus.

Wie das Material Energie speichert

Auf molekularer Ebene basiert das System auf einem einzelnen Molekül mit zwei Hälften. Der eine Teil nimmt eintreffende Energie auf. Der andere fängt die dadurch freigesetzten Elektronen ein und hält sie fest.

Gemeinsam lösen sie die Selbstorganisation aus und ordnen sich ohne äußere Vorlage an.

Strömt Energie ein, überträgt die erste Hälfte Elektronen auf die zweite. Das Team geht davon aus, dass sich die geladenen Moleküle anschließend paarweise verbinden und zu winzigen Bändern stapeln. Diese verheddern sich, bis sich die gelbe Flüssigkeit zu einem schwarzen Gel verdickt.

Derartige Bänder hatte es zuvor nicht gegeben. Niemand hatte eine solche Struktur geschaffen: ein selbstorganisiertes Material aus miteinander verbundenen Paaren elektronen­speichernder Moleküle. Das Gel kann seine Ladung über Monate bewahren.

Energie, die im Dunkeln erhalten bleibt

Das geladene Gel ist zu echter Chemie fähig. In Versuchen übertrug es seine gespeicherte Energie auf Sauerstoff und erzeugte reaktive Moleküle, die Reaktionen ganz ohne Licht antrieben.

Stupps Gruppe bezeichnet dies als Dunkel-Photokatalyse: lichtähnliche Chemie, die mit zuvor gespeicherter Energie betrieben wird.

Diese Eigenschaft hebt das Material ab. Frühere lichtsammelnde Materialien konnten ebenfalls nützliche Chemie antreiben, darunter Reaktionen zur Aufspaltung von Wasser in Wasserstoffbrennstoff. Doch sobald das Licht erlosch, wurden sie inaktiv.

„Die meisten lichtgetriebenen Materialien funktionieren nicht mehr, wenn die Lichtquelle verschwindet“, sagte Stupp.

Das neue Gel arbeitet im Dunkeln weiter, weil die Energie bereits in seiner Struktur gespeichert ist und jederzeit genutzt werden kann.

Ein Rücksetzen durch Luft

Die Ladung abzugeben, ist nur die Hälfte des Kreislaufs. Zum Zurücksetzen benötigt das Gel lediglich eine Portion Umgebungsluft.

Sauerstoff zerlegt die Struktur, und das schwarze Gel wird wieder zu einer farblosen Verteilung von Molekülen in einer gelben Flüssigkeit.

Danach lässt es sich erneut laden und wiederverwenden. Derselbe Schalter wird umgelegt, unabhängig davon, ob die Energie aus Sonnenlicht, Elektrizität, Röntgenstrahlung oder einem chemischen Brennstoff stammt; jede Quelle erzeugt dasselbe schwarze Gel.

Licht ist dabei ein besonders nützliches Werkzeug. Weil ein Strahl die Veränderung nur dort auslöst, wo er auftrifft, kann das Team mikroskopische leitfähige Muster in das Material zeichnen. Nach dem Zurücksetzen verschwinden sie wieder. Es handelt sich um leitfähiges Schreiben mit anschließender leerer Fläche.

Energieversorgung künftiger Systeme

All dies zielt auf ein hartnäckiges Problem der sauberen Energieversorgung. Weltweit wird enorme Mengen Solarstrom erzeugt, doch ihn bis zur Nacht oder über eine längere bewölkte Phase zu speichern, bleibt schwierig, wie eine aktuelle Studie erläutert.

„Für die Energiespeicherung erfüllt unser Material dieselbe Funktion wie eine Batterie“, sagte Stupp. Anders als diese arbeitet es vollständig in Wasser, kommt ohne die Metalle und Kunststoffe herkömmlicher Batteriezellen aus und lässt sich wiederholt aufladen.

Die Mengen sind noch gering, aber konkret. Stupp schätzt, dass ein einzelnes Gramm genug Energie speichern könnte, um eine Smartwatch oder ein vergleichbares Wearable aufzuladen.

Hochskaliert könnte derselbe Ansatz weiche Elektronik, Systeme für saubere Energie oder die Umweltsanierung versorgen.

Die Zukunft selbstaufbauender Materialien

Vor dieser Arbeit hatte kein Material Energie gespeichert, indem es seine eigene Struktur physisch neu aufbaute. Nun gibt es ein solches Material, das durch einen von lebenden Zellen inspirierten Zyklus der Selbstkonstruktion lädt und entlädt. Seine Bänder sind die ersten ihrer Art.

Damit eröffnet sich eine Möglichkeit, erneuerbare Energie ohne die Metalle zu speichern, von denen Batterien abhängig sind. Kein Bergbau. Nur Wasser und ein Zurücksetzen an der Umgebungsluft.

Die Fähigkeit zur Dunkelchemie schafft einen zweiten Einsatzbereich, weil das Material noch lange nach dem Erlöschen des Lichts arbeiten kann.

Zwischen einem Gramm schwarzem Gel und einem funktionierenden Gerät liegt noch viel Entwicklungsarbeit. Das Grundprinzip ist jedoch nachgewiesen.

Ein Material kann Energie nun speichern und zurückgeben, indem es sich selbst zerlegt und wieder aufbaut – ganz ähnlich, wie lebende Zellen es seit jeher tun.