Pomelo ist eine große Zitrusfrucht, die häufig in Südost- und Ostasien angebaut wird. Sie hat eine sehr dicke Schale, die normalerweise weggeworfen wird, was zu einer beträchtlichen Menge an Lebensmittelabfällen führt. In einer neuen Studie untersuchen Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign, wie die Biomasse der Pomelo-Schale genutzt werden kann, um Werkzeuge zu entwickeln, die kleine elektrische Geräte antreiben und biomechanische Bewegungen überwachen können.
„Die Schale der Pomelo besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen – einer dünnen äußeren Schicht und einer dicken, weißen inneren Schicht. Der weiße Teil ist weich und fühlt sich wie ein Schwamm an, wenn man auf ihn drückt. Einige Leute haben Pomeloschalen zur Extraktion von ätherischen Ölen oder Pektin verwendet, aber wir wollten die natürliche poröse, schwammige Struktur der Schale nutzen. Wenn wir die Schale zu höherwertigen Produkten weiterverarbeiten können, anstatt sie einfach wegzuwerfen, können wir nicht nur die Abfälle aus der Pomelo-Produktion, dem Verbrauch und der Saftherstellung reduzieren, sondern auch mehr Wert aus Lebensmittel- und Landwirtschaftsabfällen schaffen“, sagte der Mitautor der Studie, Yi-Cheng Wang, ein Assistenzprofessor in der Abteilung für Lebensmittelwissenschaft und menschliche Ernährung, die zur Hochschule für Agrar-, Verbraucher- und Umweltwissenschaften in Illinois gehört.
Vom Fruchtabfall zum funktionalen Werkstoff
Eine Pomelofrucht wiegt in der Regel 1 bis 2 kg, und die Schale macht 30 bis 50 Prozent davon aus. In der Studie trennten die Forscher die Schale vom Fruchtfleisch und entfernten die äußerste Schicht. Die verbleibende dicke, schwammige weiße Schale wurde in kleinere Stücke geschnitten und gefriergetrocknet, um ihre einzigartige dreidimensionale, poröse Struktur zu erhalten, und dann unter verschiedenen Feuchtigkeitsbedingungen gelagert.Nach der Analyse der chemischen Zusammensetzung und der mechanischen Eigenschaften der Schale entwickelte das Forscherteam daraus Geräte, die mechanische Energie in Elektrizität umwandeln und als selbstversorgte Bewegungssensoren dienen können.
„Diese Geräte nutzen das Prinzip der Kontaktelektrifizierung. Das hört sich vielleicht kompliziert an, ist aber eigentlich ganz einfach und wir erleben es ständig. Wenn wir zum Beispiel einen Türknauf berühren, vor allem im Winter, spüren wir manchmal einen Schock. Der grundlegende Mechanismus ist die Kontaktelektrifizierung oder Triboelektrifizierung – ,Tribo‘ bedeutet Reibung. Wenn zwei Materialien aneinander gerieben werden, kann durch die Übertragung von Ladungen zwischen ihnen statische Elektrizität entstehen. Wir wollten herausfinden, ob wir diese Elektrizität auffangen und nutzen können“, so Wang.
Die Forscher verwendeten Pomelo-Peel-Biomasse und eine Kunststofffolie (Polyimid) als zwei triboelektrische Schichten, die bei äußerer Krafteinwirkung in Kontakt gebracht werden. Sie brachten an jeder dieser Schichten eine Kupferfolienelektrode an und untersuchten, wie gut das resultierende Gerät externe mechanische Energie in Elektrizität umwandeln kann.
Durch einfaches Antippen dieser triboelektrischen Geräte auf Pomelo-Schalenbasis mit dem Finger konnten sie etwa 20 Leuchtdioden (LEDs) zum Leuchten bringen. Sie demonstrierten auch, dass ein Taschenrechner oder eine Sportuhr allein durch diese mechanischen Kräfte angetrieben werden kann, ohne dass externe Elektrizität benötigt wird, wenn das Gerät in ein Energiemanagementsystem integriert ist, das eine Energiespeichereinheit enthält.
Sensorik aus Zitrus
„Diese Anwendung birgt ein großes Potenzial, um ansonsten verschwendete Energie in nützliche Elektrizität umzuwandeln. Wir haben auch festgestellt, dass triboelektrische Geräte, die auf der natürlichen porösen Struktur der Pomelo-Schale basieren, sehr empfindlich auf Kraft und Kraftfrequenz reagieren können. Das hat uns dazu inspiriert, Messgeräte zu entwickeln, die zur biomechanischen Überwachung am menschlichen Körper angebracht werden können“, erklärt Wang.
Wenn die Sensoren an verschiedenen Körperteilen angebracht wurden, konnten die Forscher biomechanische Bewegungen wie Gelenkbewegungen und Gangmuster überwachen. Der Grund dafür ist, dass die Bewegungen verschiedener Körperteile zu einer Kontaktelektrisierung zwischen den triboelektrischen Schichten führen können, wodurch unterschiedliche elektrische Signale erzeugt werden, die den verschiedenen Bewegungen entsprechen. Diese Fähigkeit hat großes Potenzial, wertvolle Erkenntnisse für Fachleute im Gesundheitswesen und in der körperlichen Rehabilitation zu liefern.
„Diese Arbeit zeigt spannende Möglichkeiten auf, Lebensmittelabfälle in wertschöpfende Geräte und Materialien umzuwandeln. Durch den potenziellen Ersatz oder die Ergänzung von nicht erneuerbaren Rohstoffen und die Verringerung von Abfällen könnte dies einen wichtigen Beitrag zur langfristigen Nachhaltigkeit leisten, und wir werden weitere Möglichkeiten für das Upcycling von Lebensmittel- und Landwirtschaftsabfällen erforschen“, so Wang. Die Forscher haben ein vorläufiges Patent für ihre triboelektrischen Geräte auf der Grundlage von Pomelo-Schalen angemeldet.
