Nur 0,1 Millimeter lang: MIT gelingt Durchbruch bei Nanobatterien

Ingenieure des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben win­zige Zink-Luft-Batterien entwickelt, die kleiner als ein Sandkorn sind. Diese könnten kleinste Roboter mit Strom versorgen und so neue Mög­lich­kei­ten in der Medizin, Technik und Umweltüberwachung eröffnen. Die von den MIT-Forschern entwickelte Zink-Luft-Batterie ist mit einer Länge von 0,1 Millimetern und einer Dicke von nur 0,002 Millimetern etwa so dünn wie ein menschliches Haar. Trotz ihrer geringen Größe kann sie eine Spannung von bis zu 1,05 Volt erzeugen - ausreichend, um kleine Schaltkreise, Sensoren oder Aktuatoren mit Strom zu versorgen.

Funktionsprinzip und Effizienz

Das Funktionsprinzip der Batterie basiert auf der Oxidation von Zink durch Sauerstoff aus der Umgebungsluft oder gelöst in Flüssigkeiten. Die Batterie besteht aus einem Streifen SU-8-Polymer, in dem eine Zinkelektrode eingebettet und mit einer Platinelektrode verbunden ist. Wenn Sauerstoffmoleküle mit den Elektroden interagieren, oxidiert das Zink und setzt Elektronen frei. Diese wandern zur Platinelektrode und erzeugen so elektrischen Strom.

Wir glauben, dass dies für die Robotik sehr förderlich sein wird. Wir bauen Roboterfunktionen in die Batterie ein und fangen an, diese Komponenten zu Geräten zusammenzusetzen.

Ein besonderer Vorteil dieser Technologie liegt in ihrer Effizienz und Skalierbarkeit. Die Forscher konnten nachweisen, dass auf einem einzigen 2-Zoll-Silizium-Wafer (etwa 50,8 mm) bis zu 10.000 dieser Mikrobatterien hergestellt werden können. Jede dieser Batterien hat ein Volumen von nur 2 Pikolitern (10^-12 Liter) und erreicht eine beeindruckende Energiedichte von 760 bis 1070 Wattstunden pro Liter.

Die Gesamtenergie pro Batterie liegt zwischen 5,5 und 7,7 Mikrojoule, bei einer maximalen Leistung von etwa 2,7 Nanowatt.

Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten

Die Anwendungsmöglichkeiten dieser Mikrobatterien sind vielfältig. In ersten Tests konnten die Forscher bereits demonstrieren, dass die Batterien in der Lage sind, verschiedene mikroskopische Geräte anzutreiben:

Medizinische Anwendung und Herausforderungen

Ein besonders vielversprechendes Einsatzgebiet sehen die Forscher in der Medizin. Zellgroße Roboter könnten in Zukunft im menschlichen Körper eingesetzt werden, um Medikamente wie Insulin zielgenau zu transportieren und freizusetzen. Im Gegensatz zu bisherigen Ansätzen, bei denen solche Mikroroboter über externe Magnetfelder oder Laserlicht gesteuert werden, ermöglichen die neuen Batterien eine deutlich höhere Autonomie.

Allerdings stehen die Forscher noch vor einigen Herausforderungen. Bisher wurden die Batterien über ein Kabel mit den zu betreibenden Geräten verbunden. In Zukunft soll die Batterie direkt in die jeweiligen Mikroroboter integriert werden. Zudem arbeiten die Wissenschaftler daran, die erzeugte Spannung weiter zu erhöhen, um zusätzliche Anwendungsmöglichkeiten zu erschließen.

Für den Einsatz im menschlichen Körper müssen sowohl die Batterien als auch die Roboter selbst aus biokompatiblen Materialien hergestellt werden. Das Ziel ist, dass sich die Komponenten nach Erfüllung ihrer Aufgabe im Körper auflösen und abgebaut werden können.

Experimente in verschiedenen Umgebungen

Die Forscher haben auch Experimente durchgeführt, um die Batterien in verschiedenen Umgebungen einsetzen zu können. So konnten sie mit einem Mikro-Tintenstrahldrucker 500 Pikoliter einer ionischen Flüssigkeit als Elektrolyt auf die Batterien auftragen, was den Einsatz in trockenen Umgebungen ermöglicht. In einem anderen Versuch wurden 20 Pikoliter Salz auf der Batterie getrocknet, das sich bei Kontakt mit deionisiertem Wasser auflöste und die Batterie aktivierte.

Die Entwicklung dieser Mikrobatterien könnte nicht nur die Medizintechnik revolutionieren, sondern auch in anderen Bereichen neue Möglichkeiten eröffnen. Denkbar wären etwa Einsätze bei der Inspektion von Gasleitungen, in der Umweltüberwachung oder in anderen schwer zugänglichen Umgebungen.

Was haltet ihr von dieser Entwicklung? Seht ihr neben der Medizin weitere spannende Einsatzmöglichkeiten für diese winzigen Roboter und Batterien? Teilt eure Gedanken und Ideen in den Kommentaren.


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