Elektrische Energie aus Wasserreibung:
Silizium als geniale Stromquelle

Wissenschaftler haben gezeigt, dass sich elektrische Energie allein durch das Eindringen und Austreten von Wasser in winzigen Poren eines Siliziumblocks erzeugen lässt. Die Reibung an der Oberfläche löst dabei messbare Spannungen aus.

Nanoporen-Effekt: Silizium wandelt Wasserreibung

Wasser als Energiequelle - das ist kein neuer Gedanke. Seit Jahrhunderten treiben Strömungen Mühlräder und Turbinen an. Doch ein Forschungsteam aus Spanien, Italien und Deutschland hat nun gezeigt, dass auch stehendes oder gepresstes Wasser Strom erzeugen kann - nicht durch Bewegung im großen Stil, sondern durch Kontakt und Reibung auf der Nanometerskala.

Der Effekt beruht auf einem bekannten physikalischen Prinzip: der Triboelektrizität. Dabei entstehen elektrische Ladungen, wenn zwei Materialien miteinander in Berührung kommen und sich wieder trennen. Im Alltag zeigt sich das etwa, wenn man Kunststoff an Wolle reibt. Im Labor geschieht dasselbe, nur präziser: In dem Experiment dringen Wassertröpfchen in winzige Poren eines hydrophoben, also wasserabweisenden, Siliziumblocks ein. Beim Eindringen und Herauspressen verschiebt sich die elektrische Ladung an der Grenzfläche zwischen Wasser und Silizium.


Diese Struktur - ein sogenannter Intrusion-Extrusion Triboelectric Nanogenerator (IE-TENG) - nutzt den Druckunterschied, um aus jedem Zyklus Strom zu gewinnen. Je stärker das Wasser in die Poren gepresst wird, desto mehr Energie entsteht. Der Clou: Durch die nanoporöse Architektur vergrößert sich die Kontaktfläche zwischen Feststoff und Flüssigkeit um ein Vielfaches, was die elektrische Ausbeute massiv steigert.

Die Versuche zeigten, dass bereits eine poröse Schicht von nur 33 Mikrometern Dicke genügt, um eine Leistungsdichte von rund 20 Milliwatt pro Quadratmeter zu erreichen. Entscheidend ist dabei nicht die Spitzenleistung, sondern die Dauer: Der Stromfluss hält Minuten an - ungewöhnlich lang für triboelektrische Systeme, die meist nur Millisekunden aktiv sind. Wird dem Wasser eine Spur des Polymers Polyethylenimin (PEI) zugesetzt, steigt die Energieumwandlung auf rund neun Prozent - ein bisher unerreichter Wert für triboelektrische Prozesse im Kontakt mit Flüssigkeiten.

Computersimulationen verdeutlichen, was im Inneren geschieht. Defekte in der Siliziumoberfläche spielen eine zentrale Rolle: Sie nehmen beim Eindringen Elektronen auf und geben sie beim Austreten wieder ab. Das Material wirkt dadurch wie eine winzige elektrische Pumpe. Weil das Silizium zudem p-dotiert ist, also leitfähig gemacht wurde, können die Elektronen über die Elektrode abfließen - der erzeugte Strom ist messbar und reproduzierbar.

Ansatz mit Vorteilen

Der Vorteil des Ansatzes liegt nicht nur in der Energieausbeute, sondern auch in der Robustheit. Der monolithische Siliziumblock vereint Festkörper und Elektrode in einem Bauteil. Das reduziert Verluste und erlaubt eine stabile Stromerzeugung selbst bei vielen Zyklen. Solche Strukturen könnten künftig überall dort zum Einsatz kommen, wo Bewegung, Druck oder Feuchtigkeit ohnehin vorhanden sind - etwa in selbstversorgten Sensoren, tragbaren Geräten oder industriellen Messsystemen.

Die Studie, veröffentlicht in Nano Energy (Elsevier, 2025), zeigt damit, dass Elektrizität aus Wasser nicht nur durch Fließbewegung, sondern auch durch reine Grenzflächenphysik gewonnen werden kann. Das Prinzip ist einfach - die Umsetzung hochpräzise: Strom aus Reibung im Nanobereich, erzeugt von einem Material, das wir längst kennen - Silizium.


Siehe auch: