Strom aus WLAN: Neuer Quantenchip bringt LED ohne Batterie zum Leuchten

WLAN-Router senden rund um die Uhr elektromagnetische Wellen durch Wohnungen, Büros und öffentliche Gebäude. Mit ihnen reisen nicht nur Daten, sondern auch winzige Mengen Energie durch die Luft. Chinesische Wissenschaftler haben nun einen Quantenchip entwickelt, der solche Funksignale in nutzbaren Strom verwandeln kann. Im Labor brachten sie damit eine rote LED zum Leuchten – ganz ohne Batterie. Künftig könnten sich kleine Sensoren auf diese Weise selbst mit Energie versorgen.

Das Forschungsteam um Zengfeng Di vom Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (SIMIT) berichtet in Science über die Entwicklung. Die Wissenschaftler schalteten 16 winzige Gleichrichter aus speziell verändertem Graphen zusammen. Bei einer Eingangsleistung von lediglich 25 Mikrowatt erzeugten sie 24 Millivolt Gleichspannung. Ein zusätzliches Energiemanagementmodul erhöhte die Spannung, sodass die LED leuchten konnte. Ob sich auch gewöhnliche WLAN-Signale aus dem Alltag zuverlässig als Stromquelle nutzen lassen, ist noch offen.

Strom aus WLAN könnte kleine Geräte dauerhaft versorgen

Herkömmliche Gleichrichter können schwache Hochfrequenzsignale häufig nur mit Verlusten in Gleichstrom umwandeln. Der neue Graphen-Chip nutzt dagegen den sogenannten nichtlinearen Hall-Effekt. Dabei entsteht aus einer angelegten Wechselspannung eine Gleichspannung, die sich quer zur ursprünglichen Stromrichtung abgreifen lässt.

Anders als bei herkömmlichen Dioden benötigt dieser Mechanismus keinen klassischen Halbleiterübergang. Auch ein äußeres Magnetfeld ist überflüssig. Der Effekt funktioniert bereits bei Raumtemperatur und könnte sich deshalb für besonders kleine elektronische Geräte eignen.

Eine veränderte Atomstruktur macht Graphen zum Gleichrichter

Graphen besteht aus einer einzigen Schicht Kohlenstoffatome, die ein regelmäßiges sechseckiges Gitter bilden. Elektronen bewegen sich darin besonders leicht. Allerdings verhindert die symmetrische Anordnung der Atome bestimmte elektrische Effekte.

Um diese Einschränkung zu überwinden, kombinierten die Wissenschaftler Graphen mit Germanium, einem Halbleitermaterial. Sie erhitzten dessen Oberfläche bis knapp unter den Schmelzpunkt. Dabei wurden die obersten Atomlagen beweglich, während das darunterliegende Kristallgitter erhalten blieb. Anschließend ließen sie das Material langsam abkühlen.

Winzige Streifen verändern die elektrischen Eigenschaften

Nach der Abkühlung ordneten sich die Germaniumatome zu parallelen Streifen mit einem Abstand von rund 0,56 Nanometern. Das entspricht 0,00000056 Millimetern. Diese regelmäßige Anordnung veränderte die Kristallstruktur des darüberliegenden Graphens.

Dabei entstand ein sogenanntes Moiré-Übergitter, in dem sich die elektronischen Eigenschaften beider Materialien gegenseitig beeinflussen. Dadurch veränderte sich auch die sogenannte Berry-Krümmung, eine quantenphysikalische Eigenschaft, die das Verhalten von Elektronen bestimmt. Ihre besonders ungleichmäßige Verteilung ermöglicht es, bereits schwache elektrische Wechselspannungen in eine messbare Gleichspannung umzuwandeln.

Der Quanteneffekt fällt tausendfach stärker aus

Bei Raumtemperatur erreichte das veränderte Graphen eine nichtlineare Hall-Leitfähigkeit von ungefähr 11 Mikrometern pro Volt und Ohm. Nach Angaben des chinesischen Forschungsteams liegt dieser Wert rund tausendmal höher als bei bekannten vergleichbaren Materialsystemen. Die Messungen zeigen damit, wie stark sich die elektrischen Eigenschaften von Graphen durch die gezielte Anordnung der Germaniumatome verändern lassen.

Die Wissenschaftler stellten die neuartige Graphenstruktur auf einem Wafer mit rund 10,2 Zentimetern Durchmesser her. Solche dünnen Scheiben dienen in der Halbleiterindustrie als Grundlage für die Chipproduktion. Das Herstellungsverfahren lässt sich nach Angaben des Teams mit etablierten Prozessen der Mikroelektronik kombinieren.

Die Konstruktion bietet mehrere technische Eigenschaften:

• Integrierte Antennen: Metallverbindungen auf dem Chip nehmen Hochfrequenzsignale auf und dienen zugleich als elektrische Kontakte.
• Betrieb bei Raumtemperatur: Eine aufwendige Kühlung oder ein äußeres Magnetfeld ist nicht erforderlich.
• Herstellung auf Wafer-Ebene: Zahlreiche Gleichrichter lassen sich auf einer gemeinsamen Materialfläche fertigen.
• Kombination mehrerer Bauelemente: Die Ausgangsspannungen einzelner Gleichrichter können durch Zusammenschalten erhöht werden.

Kleine Sensoren könnten künftig ohne Batteriewechsel arbeiten

Für praktische Anwendungen muss die Technik allerdings noch effizienter werden. Die Menge der verfügbaren Energie hängt unter anderem von der Stärke der empfangenen Funksignale ab. Auch die Abstimmung zwischen Antenne und Gleichrichter beeinflusst, wie viel Leistung tatsächlich nutzbar ist.

Als mögliche Einsatzgebiete gelten drahtlose Sensoren und andere elektronische Kleingeräte mit geringem Energiebedarf. Sie könnten beispielsweise Messwerte übertragen, ohne regelmäßig neue Batterien zu benötigen. Ob die Energie gewöhnlicher WLAN-Router dafür ausreicht, hängt von den Empfangsbedingungen, dem Stromverbrauch und der weiteren technischen Entwicklung ab.

Kurz zusammengefasst:

• Strom aus WLAN: Chinesische Wissenschaftler haben einen neuartigen Graphen-Chip entwickelt, der schwache Funksignale bei Raumtemperatur in Gleichstrom umwandelt.
• LED ohne Batterie: 16 zusammengeschaltete Gleichrichter erzeugten im Labor 24 Millivolt Gleichspannung und brachten mithilfe eines Spannungswandlers eine rote LED zum Leuchten.
• Batterielose Sensoren: Künftig könnten kleine elektronische Geräte Energie aus ihrer Umgebung gewinnen, allerdings ist eine zuverlässige Stromversorgung durch gewöhnliche WLAN-Router noch nicht nachgewiesen.

Übrigens: Nicht nur Funkwellen könnten Batterien künftig überflüssig machen. Australische Forscher entwickeln Gesundheitssensoren, die ihren Strom aus gewöhnlichem Raumlicht gewinnen – mehr dazu in unserem Artikel.

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