Strom aus Luftfeuchtigkeit: Was die Papier-Tapete für IoT-Sensoren wirklich leistet

Eine Papiertapete der Binghamton University gewinnt genug Strom aus der Raumluft, um eine Funktastatur stoßweise zu betreiben. Für Haushaltsgeräte wird das nie reichen. Für sparsame Funksensoren an Orten ohne Licht könnte es genügen, wenn die Tapete den Alltag übersteht.

Wie erzeugt Papier Strom aus Luftfeuchtigkeit?

Papier, Glycerin, ein Polymer, Wachs und Elektroden: Aus diesen Grundzutaten baut das Team um Seokheun Choi Zellen, die Raumluft in Strom verwandeln. Choi lehrt Elektrotechnik an der Binghamton University im US-Bundesstaat New York. Im September hat seine Gruppe die Ergebnisse im Fachjournal Advanced Energy Materials veröffentlicht.

Jede Zelle ist ein Moist-Electric Generator (MEG), ein Bauteil, das aus Wasserdampf elektrische Spannung erzeugt. Das Material nimmt Feuchte auf. Dabei lösen sich Ionen und wandern. Es entsteht ein Konzentrationsgefälle, und dieses Gefälle baut eine Spannung zwischen den Elektroden auf. Feuchte-Generatoren sind nicht neu. Bisherige Konzepte zielten laut Choi aber auf den Außeneinsatz, wo Sonne und Wetter die Leistung schwanken lassen. Choi setzt auf Innenräume.

Dort liegt die relative Luftfeuchte laut der Pressemitteilung der Universität stabil zwischen 30 und 60 Prozent. Wer atmet, kocht oder duscht, liefert Nachschub. Der Trick steckt im Aufbau der Zelle. Die Zelle liefert nur Strom, solange die Feuchte in eine Richtung fließt. Verteilt sie sich gleichmäßig, verschwindet das Gefälle und mit ihm die Spannung.

Die Forscher haben deshalb drei Zonen auf ein Stück Papier gebracht. Am Rand fängt Glycerin den Wasserdampf ein, ein hygroskopischer, also Wasser anziehender Stoff. Weiter innen bindet das Polymer Polyvinylpyrrolidon (PVP) das Wasser stärker und zieht es zur Mitte. Dort hält ein gewachstes Feld flüssiges Wasser zurück, lässt Dampf aber entweichen. Die Zelle nimmt also Wasser auf, leitet es weiter und gibt es wieder ab. Dass dieser Kreislauf den Strom liefert, zeigt ein einfacher Versuch. Klebten die Forscher den Glycerinrand ab, brach die Spannung fast vollständig ein. Deckten sie die Wachsmitte ab, baute sich zunächst Spannung auf, die dann allmählich verschwand.

Für die Wand brauchte das Team einen zweiten Kniff. Niemand will Hunderte Kabel im Wohnzimmer sehen. Die Forscher bohrten deshalb mit einem Laser feine Löcher durch das Papier und füllten sie mit leitfähigem Material. Diese Durchkontaktierungen, in der Elektronik Vias genannt, verbinden die Elektroden vorn mit Leiterbahnen auf der Rückseite. Für den gesamten Aufbau griff Choi auf seine Arbeit an Papertronics zurück, also an Elektronik, die direkt auf Papier gedruckt wird.

Was hat die Tapete im Labor geleistet?

Jede Zelle ist zwei mal zwei Zentimeter groß. Bei 80 Prozent Luftfeuchte lieferte sie eine Leerlaufspannung von 0,34 Volt. Bei der Leistung kursieren zwei Werte, und der Unterschied zählt. Auf die Fläche der Elektrode gerechnet erreichte die Zelle rund 2,2 Mikrowatt pro Quadratzentimeter. Auf die ganze Zelle gerechnet sind es nur etwa 0,55 Mikrowatt pro Quadratzentimeter.

Für jeden Vergleich gilt der zweite Wert, denn an der Wand belegt die ganze Zelle Platz. Die Zellen arbeiteten auch in trockenerer Luft. Zwischen 20 und 80 Prozent Luftfeuchte hielten sie ihre Spannung jeweils mehr als 90 Minuten lang, bei trockener Luft auf niedrigerem Niveau. Zehn Zellen in Reihe ergaben bei 80 Prozent Feuchte rund 2,9 Volt. Die Zellen lassen sich also berechenbar zusammenschalten.

Zwei Vorführungen zeigen, wohin die Forscher wollen. Ein Wandfeld aus 1.596 Zellen erzeugte bei rund 38 Prozent Luftfeuchte etwa 3,5 Volt. Es lud immer wieder einen Kondensator, und der versorgte eine Funktastatur stoßweise. Ein kleineres Feld aus 35 Zellen betrieb bei etwa 30 Prozent Feuchte rund 15 Minuten lang einen kommerziellen Feuchtesensor. Beide liefen ohne Batterie.

Reicht das für echte IoT-Sensoren?

Die Schlagzeile von der Strom-Tapete weckt falsche Erwartungen. Bei 0,55 Mikrowatt pro Quadratzentimeter liefert ein Quadratmeter Tapete im besten Fall rund 5,5 Milliwatt, und das bei 80 Prozent Luftfeuchte. Die 1.596 Zellen des Testfelds bedecken zusammen etwa 0,64 Quadratmeter, so viel wie ein Quadrat von rund 80 Zentimetern Kantenlänge. Sie kämen rechnerisch auf rund 3,5 Milliwatt, im Versuch herrschten aber nur 38 Prozent Luftfeuchte.

Für eine LED-Lampe mit fünf Watt bräuchte man rund 900 Quadratmeter Tapete in feuchter Luft, mehr als drei Tennisplätze. Für einen Funksensor ist das trotzdem eine Menge. Eine sparsame Sensorplatine braucht eine Quelle mit mehr als 2,65 Volt und im Mittel über 50 Mikrowatt. Sie trägt einen Umweltsensor und funkt per Bluetooth Low Energy, einem Funkstandard für Geräte mit geringem Strombedarf. Das zeigt eine Studie in Light: Science & Applications, die eine solche Platine mit Indoor-Solarzellen betrieb. Rechnerisch liefern rund 23 Tapetenzellen diese Leistung bei 80 Prozent Luftfeuchte, auf knapp 100 Quadratzentimetern. Das ist weniger als eine Postkarte.

Weil eine Zelle im Leerlauf nur 0,34 Volt liefert, muss man viele davon in Reihe schalten. Bei üblichen 30 bis 50 Prozent Raumfeuchte braucht es deutlich mehr Fläche. Entscheidend ist, wie der Sensor arbeitet. Kaum einer muss ständig funken. Er misst, sendet einen Wert und schläft wieder. Dieses Prinzip heißt Duty Cycling: Das Gerät ist nur einen Bruchteil der Zeit aktiv. Zu einer schwachen, aber stetigen Energiequelle passt das gut. Sie lädt einen Speicher, etwa einen Kondensator, und der Sensor zieht daraus kurze Stromstöße. Genau so lief die Vorführung mit der Tastatur.

In dieselbe Richtung arbeitet der Mobilfunk. Das Standardisierungsgremium 3GPP definiert mit Release 19 erstmals Ambient IoT. Gemeint sind Geräte ohne Batterie oder mit nur kleinem Energiespeicher, die sich aus ihrer Umgebung versorgen. Die in Release 19 standardisierte Geräteklasse kommt laut 3GPP mit etwa einem Mikrowatt Spitzenleistung aus. Woher die Energie stammt, lässt Release 19 offen.

Eine einzelne Tapetenzelle liegt in feuchter Luft rechnerisch mit gut zwei Mikrowatt über dieser Marke. Für Dauerfunk per WLAN oder für Displays bleibt die Tapete chancenlos.

Wie schlägt sich die Tapete gegen Indoor-Solarzellen?

Der naheliegende Konkurrent hängt an der Decke: das Licht. Indoor-Solarzellen, also Photovoltaik für Kunstlicht, gibt es bereits als kommerzielle Produkte. Für drei kommerzielle Techniken nennt eine Roadmap im Journal of Physics: Energy Werte zwischen 4 und 90 Mikrowatt pro Quadratzentimeter. Farbstoffzellen kommen auf 4 bis 35, organische Zellen auf 15 bis 17, Zellen aus Galliumarsenid auf 70 bis 90. Die Messungen liefen allerdings unter unterschiedlichem Licht.

Pro Fläche liefern Solarzellen damit grob 7- bis 160-mal so viel wie die Tapete. Der Vergleich hat einen Haken. In Wohnungen kommen laut der Studie in Light: Science & Applications meist nur 200 bis 500 Lux an, in Büros 500 bis 1.500 Lux. Nachts ist es dunkel. Im Schrank, im Flur, im Keller oder hinter dem Sofa liefert eine Solarzelle wenig oder nichts. Luftfeuchte gibt es dort rund um die Uhr. Die Tapete ersetzt Indoor-Photovoltaik deshalb nicht. Sie könnte sie dort ergänzen, wo kein Licht hinkommt.

Wie weit die Ansätze auseinanderliegen, zeigt eine Arbeit aus Tokio und Michigan, die zwei Wochen später erschien. Die Forscher bauen schaltbare Spulen in Möbel ein, die das Magnetfeld eines raumgroßen Resonators örtlich bündeln. Laut ihrem Aufsatz in npj Wireless Technology lieferten sie bis zu 500 Milliwatt an einen Empfänger mit 15 Millimetern Durchmesser. Der Preis: 9 Watt Eingangsleistung, rund fünf Prozent Wirkungsgrad und ein Raum, der selbst als Resonator gebaut ist. Die Tapete steht am anderen Ende der Skala. Sie liefert wenig Energie, braucht aber keinen Sender und keinen umgebauten Raum.

Kann die Tapete die Raumluft entfeuchten?

Die Tapete nimmt Feuchte nicht nur auf, um Strom zu erzeugen. Sie puffert sie. In einer geschlossenen Testkammer senkten 28 Zellen die relative Luftfeuchte in rund vier Minuten von etwa 75 auf 50 Prozent. In sehr trockener Luft drehte sich der Effekt um: Vorbefeuchtete Tapete gab Wasser ab, die Feuchte stieg von etwa 15 auf 20 Prozent. Im Versuch an der Wand sank die Raumfeuchte in 15 Minuten von 38 auf 32 Prozent.

Choi sieht darin eine Chance für Gebäude, die heute viel Energie in die Entfeuchtung stecken. Belegt ist das nicht. Den Wandversuch werten die Forscher selbst nur als erste Reaktion des Materials. Wie viel Feuchte die Tapete in einem bewohnten Raum dauerhaft aufnimmt und abgibt, zeigen die Daten nicht.

Was muss die Tapete noch beweisen?

„Es war nicht einfach, drei verschiedene Bereiche in ein Papier zu integrieren“, sagt Choi in der Pressemitteilung. Sein Ziel: Alles soll druckbar sein, damit sich die Tapete in Serie und in größerem Maßstab herstellen lässt. Ein Produkt oder einen Zeitplan nennt die Universität nicht. Vor allem fehlen Langzeitdaten. Papier quillt in feuchter Luft und schrumpft beim Trocknen.

Ob das über Monate die Leiterbahnen aus Graphit oder die Durchkontaktierungen beschädigt, ist offen. Unklar ist auch, ob das Glycerin mit der Zeit durch das Papier wandert und die getrennten Zonen verwischt. Dann bräche das Gefälle zusammen, das den Strom liefert. Selbst wie der Strom genau entsteht, ist nicht geklärt. Die Autoren vermuten, dass vor allem Protonen ihn tragen. Bauherren und Gebäudebetreiber dürften eine weitere Frage stellen: Begünstigt eine Papierwand, die gezielt Feuchte speichert, Schimmel? Bevor jemand Sensoren über die Tapete versorgt, muss das geklärt sein.

Fazit

Die Tapete aus Binghamton liefert keinen Haushaltsstrom, und ihre Entwickler versprechen keinen. Ihr Wert liegt woanders. Sie zeigt, dass sich ein schwacher, aber stetiger Energiestrom über große Flächen einsammeln lässt, bei Tag und bei Nacht. Für batterielose Sensoren, wie sie die Mobilfunkbranche mit Ambient IoT vorbereitet, ist das die passende Größenordnung. Höhere Spannungen braucht die Tapete jetzt nicht, sie braucht Langzeitdaten. Übersteht sie Monate des Quellens und Trocknens? Bleibt das Gefälle stabil, und bleibt die Wand schimmelfrei? Wände, die messen, puffern und nebenbei ein wenig Strom liefern: Das wäre mehr wert als jede Rekordspannung.

Wie viel Strom erzeugt eine Tapete aus Luftfeuchtigkeit?

Eine Zelle der Papiertapete aus Binghamton liefert bei 80 Prozent Luftfeuchte etwa 0,34 Volt und, auf die ganze Zellfläche gerechnet, rund 0,55 Mikrowatt pro Quadratzentimeter. Hochgerechnet sind das im besten Fall etwa 5,5 Milliwatt pro Quadratmeter. Das reicht für sparsame Sensoren, nicht für Haushaltsgeräte.

Kann Strom aus Luftfeuchtigkeit Smart-Home-Sensoren ohne Batterie betreiben?

Im Labor betrieb ein Feld aus 35 Tapetenzellen einen Feuchtesensor rund 15 Minuten lang, ein Feld aus 1.596 Zellen eine Funktastatur. Das klappt, weil ein Kondensator die Energie sammelt und in kurzen Stößen abgibt. Für den Dauerbetrieb im Alltag fehlen noch Langzeittests.

Wie funktioniert ein Feuchtigkeitsgenerator (MEG)?

Ein Moist-Electric Generator nimmt Wasserdampf aus der Luft auf. Die Feuchte setzt im Material Ionen in Bewegung, und das Konzentrationsgefälle, das dabei entsteht, erzeugt eine elektrische Spannung. Damit der Strom dauerhaft fließt, muss die Feuchte in eine Richtung wandern, etwa von einer Aufnahme- zu einer Verdunstungszone.

Ist eine Strom-Tapete besser als Indoor-Solarzellen?

Pro Fläche nicht: Kommerzielle Indoor-Solarzellen liefern je nach Technik und Licht grob 7- bis 160-mal so viel wie eine Feuchte-Tapete. Die Tapete arbeitet aber im Dunkeln und rund um die Uhr. Sie eignet sich deshalb eher als Ergänzung für Orte ohne Licht wie Schränke, Flure oder Keller.

Was ist Ambient IoT?

Ambient IoT bezeichnet vernetzte Geräte, die ohne Batterie oder mit nur kleinem Energiespeicher auskommen und sich aus ihrer Umgebung versorgen, etwa aus Funkwellen, Licht oder Wärme. Das Standardisierungsgremium 3GPP definiert die Technik in Release 19. Die dort standardisierte Geräteklasse kommt mit etwa einem Mikrowatt Spitzenleistung aus.

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