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Super dünnes Batteriematerial

07.10.2021

Amerikanische Wissenschaftler haben ein ultradünnes Material entwickelt, das die Herstellung innovativer Batterien und anderer Energieumwandlungsgeräte ermöglichen wird.

Professor Mercurios Kanadzidis von der Northwestern University suchte in Zusammenarbeit mit Forschern des Argonne National Laboratory nach einem Supraleiter mit ungewöhnlichen Eigenschaften und schuf unerwartet ein weiteres Supermaterial aus Silber, Kalium und Selen (a-KAg3Se2). Seine Struktur besteht aus 4 Schichten und die Dicke beträgt nur 4 Atome, was es erstmals ermöglicht, die Bewegung geladener Teilchen im zweidimensionalen Raum zu untersuchen.

Mit Hilfe superionischer Leiter bewegen sich geladene Ionen in einem festen Material so frei wie in flüssigen Elektrolyten, die in Batterien enthalten sind. Solches Material leitet leicht Strom, aber Wärme schlecht, was bedeutet, dass es sich fast nicht erwärmt. Diese beiden Eigenschaften machen superionische Leiter zu Supermaterialien für Energiespeicher- und -umwandlungsgeräte.

Wissenschaftler schlossen auf die besonderen Eigenschaften des Materials, nachdem sie es auf 232 und 315 Grad Celsius erhitzt hatten. Sie bemerkten eine Verschiebung zu einer symmetrischeren vierschichtigen Struktur. Wie sich herausstellte, ist der Vorgang reversibel - es reicht aus, die Temperatur zu senken und wieder zu erhöhen. Nach dem Übergang begannen die Silberionen zu wackeln, als befänden sie sich in einem stark salzhaltigen wässrigen Elektrolyten – einem der schnellsten derzeit bekannten Ionenleiter.

Auch wenn das als a-KAg3Se2 bezeichnete Material nicht zur Herstellung von Batterien verwendet werden kann, wird es nützlich sein, um das Verhalten von Ionen zu untersuchen und andere 2D-Materialien mit hoher Ionenleitfähigkeit und geringer Wärmeleitfähigkeit herzustellen.

Die Erforschung des superionischen Materials könnte für die Entwicklung neuer Thermoelektrika nützlich sein, die Wärme in Kraftwerken und sogar aus Autoabgasen in Strom umwandeln. Die Entwicklungen sollen auch zur Herstellung von Reinigungsmembranen für Filter und Wasserentsalzung verwendet werden.

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Grasender Roboter 30.11.2015

Wasserwanzen sind den Massen wenig bekannt. Sie sind hauptsächlich Pflanzenfresser und leben in Teichen oder langsam fließenden Flüssen, wo sie mit paddelartigen, mit Haaren bedeckten Hinterbeinen schwimmen. Diese Funktion gab Ruderern in den Vereinigten Staaten den Namen "River Boatmen" (Wasserschiffer).

Für Wissenschaftler der Universität Bristol (Großbritannien) dienten Ruderer jedoch als Inspirationsquelle für die Schaffung eines neuartigen Geräts zur Wasserreinigung durch Mikroorganismen. Ein Prototyp-Roboter namens Row-bot (ein Wortspiel aus dem englischen Row – „row“) bewegt sich an der Oberfläche verschmutzter Teiche und Seen entlang, sammelt Mikroben, „frisst“ sie und „verdaut“ sie in einem künstlichen Magen, wodurch er erzeugt Energie, um sein Leben zu sichern.

Der Row-bot besteht aus zwei Hauptkomponenten: einem paddelförmigen Antrieb, der von einem 0,75-W-Miniatur-DC-Bürstenmotor angetrieben wird, und einem „Magen“, der mikrobielle Brennstoffzellen enthält, die Strom erzeugen. Beim Eintritt in ein Gewässer nimmt der Roboter eine bestimmte Menge Flüssigkeit mit Mikroben auf, und die Elemente erzeugen Strom, der für mehrere Hübe ausreicht. Der Roboter setzt sich in Bewegung, „trinkt“ mehr Wasser und der Vorgang wiederholt sich. Darin unterscheidet sich Row-bot von ähnlichen Miniatur-Schwimmrobotern, da er vollständig von der Umgebung angetrieben wird, in der er schwebt. Zum Beispiel versorgt sich die „Robo-Bee“ (Robobee), erfunden von Mitarbeitern der Harvard University, über die wir kürzlich geschrieben haben, durch piezoelektrische Aktoren mit Strom.

Was den Ruderer betrifft, haben die Entwickler Beine von ihm geliehen, die mit Haaren bedeckt sind, um die Oberfläche während der Zugphase des Schlags zu vergrößern. Die Beine klappen dann ein, um den Wasserwiderstand zu verringern. Jedes Paddelpaddel wird aus Verbundmaterialien 3D-gedruckt und ist ein starrer Rahmen, der eine elastische Membran trägt. In die Membran ist eine Schlaufe eingebaut, die den Anstellwinkel des unter Wasser liegenden Teils des Ruders verändert und dadurch den Widerstand des Wassers weiter verringert.

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