Elektronisches Papier ohne Batterien

elektronisches Papier - der Paper Generators
elektronisches Papier – der Paper Generators (Quelle: disneyresearch.com)

E-Book-Reader sind in aller Munde. Mit ihnen ist es möglich, Bücher in digitaler Form zu lesen. Dadurch wird sogar ermöglicht, eine ganze Bibliothek in einem kleinen Gerät mit sich zu führen. Trotz der Tatsache, dass alle E-Book-Reader mittlerweile eine sehr hohe Akkulaufzeit besitzen, benötigen sie irgendwann Energie um aufgeladen zu werden. Deshalb, und aufgrund weiterer Tatsachen, bevorzugen viele immer noch das gute alte Buch.

Schön wäre es doch, wenn man die Energie nicht aus der Steckdose beziehen müsste, sondern sie selbst erzeugen könnte. Ingenieure von Disney Research und der Carnegie Mellon Universität haben in Zusammenarbeit den „Paper Generators“ entwickelt. Dieses elektronische Papier generiert durch Gesten (Streichen, Berühren oder Drücken) mit der menschlichen Hand seine eigene Energie. Hierfür machen die Ingenieure sich die Reibungselektrizität zu Nutze.

Triboelektrischer Effekt generiert Energie für den Paper Generators

Der triboelektrische Effekt beschreibt die Aufladung zweier Materialien durch Kontakt miteinander und anschließendes Trennen. Schon jeder wird mal einen Luftballon an seinen Haaren gerieben und ihn anschließend an die Wand oder Decke gehängt haben. Genau so kann man sich diesen Effekt vorstellen.

Verschiedene Werkstoffe haben unterschiedliche triboelektrische Eigenschaften. D.h., einige wollen Elektronen liebend gerne abgeben (z.B. Papier) und andere diese liebend gerne aufnehmen (z.B. Teflon).

Beim Paper Generators werden Papier und Teflon (PTFE – Polytetraflourethylen) eingesetzt, die es ermöglichen, den triboelektrischen Effekt sehr effektiv zu nutzen. Wie auf dem Bild unten zu sehen ist, werden die Materialien mit einem gewissen Abstand aufeinander gelegt. Kommt es nun durch Gesten zur Berührung vom Papier und Teflon, werden die äußeren Valenzelektronen ausgetauscht. Beim Entfernen der Hand gehen auch die zwei Lagen auseinander. Die ausgetauschten Elektronen verharren jedoch auf ihrer jetzigen Seite. Es kommt zu einer Potentialdifferenz, welche eine Spannung erzeugt.

Nun kann diese Energie entweder direkt genutzt oder gespeichert werden.

Wie funktioniert Elektronisches Papier?

Elektronisches Papier wird auch ePaper genannt. Mit Hilfe bestimmter Anzeigetechniken wird versucht, das Aussehen von Tinte oder Farbe auf normalem Papier nachzubilden. Techniken zur Darstellung von Text und Bildern gibt es viele. Die meisten E-Book-Reader, wie z.B. der Amazon Kindle Paperwhite nutzen jedoch die Elektrophorese zur Darstellung.

Die Elektrophorese beschreibt die Wanderung geladener Teilchen oder Tröpfchen durch ein elektrisches Feld.

Das amerikanische Unternehmen E Ink Corporation macht sich in ihrem elektronischen Papier diesen Effekt zu Nutze. Einzelne Mikrokapseln mit einem mittleren Durchmesser von ca. 40 µm erzeugen beim Anlegen einer elektrischen Spannung Text oder Bild. Dabei besteht ein Pixel aus mehreren Mikrokapseln. Innerhalb der Kapseln befinden sich negativ geladene schwarze Teilchen und positiv geladene weiße Teilchen. Je nachdem, welche Spannung anliegt (positiv oder negativ), wird der Text oder das Bild durch die schwarzen Teilchen angezeigt.

Es können 16 Graustufen dargestellt werden. Farben werden durch vorgeschaltete Farbfilter angezeigt.

Ist der Text einmal angezeigt, bleibt er bestehen, bis wieder ein anderes elektrisches Feld angelegt wird. Dies ermöglicht die extrem hohen Akkulaufzeiten von E-Book-Readern, da nur beim Umblättern Energie benötigt wird.

Ein weiterer großer Vorteil von elektronischem Papier mit Elektrophorese ist, dass die Mikrokapseln es erlauben, auch flexible Bildschirme einzusetzen.

Einsatzgebiete des Paper Generators

Die Ingenieure stellen sich E-Book-Reader vor, die ohne Batterien auskommen. Soll eine Seite umgeblättert werden, muss entweder mit dem Finger über den Reader gestrichen oder eine andere Gestik ausgeführt werden, die den triboelektrischen Effekt erzeugt.

Im folgenden Video ist schön zu sehen, wo und wie die Technik überall eingesetzt werden. Ein Kind drückt beispielsweise auf eine Fläche und mit der erzeugten Energie wird eine LED erleuchtet. Des Weiteren können kleine mechanische Bewegungen erzeugt oder Daten drahtlos an einen Empfänger übermittelt werden. Interaktive Bücher für Kinder sollen so entstehen (Disney Research – Paper Generators).

Es ist sogar schon möglich, die entwickelte Technik auf Papier zu drucken (siehe auch „Leuchten aus dem 3D Drucker – Möglichkeiten von OLEDs„).

Wo könntet Ihr Euch vorstellen, diese Technik einzusetzen? Ich bin auf Eure Kommentare gespannt.

Über Stefan Reinsprecht 148 Artikel

Hi, ich bin Stefan Reinsprecht, der Herausgeber von Netzkonstrukteur. Als Maschinenbauingenieur mit jahrelanger Erfahrung in der Konstruktion und Entwicklung interessiere ich mich sehr für technische Dinge. Hier erfährst Du Neuigkeiten, aber auch Grundlagen. Viel Spaß beim Lesen.
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