Tesla-Turbine 2.0: Gefährliche statische Ladung sinnvoll nutzen
Strom aus Druckluft: Forschende nutzen das Tesla-Prinzip, um gefährliche statische Ladung in Energie zu wandeln. Ideal für industrielle IoT-Sensoren.
Nikola Tesla hat sich im Jahr 1909 solch eine schaufellose Turbine patentieren lassen. Das gleich Prinzip nutzen Forschende nun, um Strom aus Druckluft herzustellen.
Foto: picture alliance / ZUMAPRESS.com | Atilano Garcia
In fast jedem Industriebetrieb gehört sie zum Alltag: Druckluft. Sie treibt in Montagehallen Roboterarme an. Sie bewegt Werkzeuge in Kfz-Werkstätten. Sie steuert hochkomplexe automatisierte Systeme. Doch hinter dieser unsichtbaren Kraft verbirgt sich ein physikalisches Problem. Wenn Luft mit hoher Geschwindigkeit durch Rohre strömt, führt das zu massiven statischen Aufladungen. Ein internationales Team aus Forschenden hat nun eine Lösung gefunden. Sie nutzen ein altes Prinzip von Nikola Tesla, um aus dieser Gefahr Strom zu gewinnen.
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Die versteckte Gefahr in der Leitung
Druckluft ist niemals völlig rein. In den Luftströmen schweben winzige Staubpartikel und Wassermoleküle. Bewegen sich diese Teilchen schnell, kollidieren sie ständig mit den Wänden der Rohre oder Gehäuse. Dabei passiert etwas, das jeder aus dem Alltag kennt. Es ist derselbe Effekt, der einen Luftballon an der Wand haften lässt, wenn man ihn zuvor an den Haaren reibt. In der Fachwelt heißt das triboelektrischer Effekt oder Reibungselektrizität.
In einer Fabrik sind die Ausmaße jedoch andere als im Kinderzimmer. Die Aufladungen erreichen oft Potenziale von mehreren tausend Volt. Das ist riskant. Ein einziger Funke kann brennbaren Staub entzünden. Plötzliche Entladungen zerstören oft empfindliche Mikroelektronik. Zudem stören statische Felder die Präzision in der Fertigung. Bisher versuchten Fachleute, dieses Problem durch Erdung zu neutralisieren. Die Energie wurde also einfach abgeleitet und verschwendet.
Nikola Teslas Erbe neu gedacht
Frühere Versuche, diese Energie zu nutzen, waren wenig erfolgreich. Oft mussten Forschende künstlich Partikel wie Sand oder Kunststoffkügelchen hinzufügen. Das ist in einer sauberen Industrieumgebung kaum praktikabel. Die Leistungen blieben minimal. Ein Team der Chung-Ang University, des MIT und weiterer Institute wählte einen eleganteren Weg. Die Forschenden ließen sich von der Tesla-Turbine inspirieren.
Diese Turbine wurde bereits 1913 von Nikola Tesla patentiert. Im Gegensatz zu normalen Windrädern oder Turbinen besitzt sie keine Schaufelblätter. Sie besteht aus glatten, eng beieinander liegenden Scheiben. Die Luft strömt nicht gegen einen Widerstand, sondern haftet an den Oberflächen. Durch die Reibung überträgt sie ihren Impuls und versetzt die Scheiben in Rotation. Die Forschenden kombinierten dieses Design mit modernen Materialien.
Reibung wird zu Rotation
Das neue Gerät nutzt ein Gehäuse aus Acryl und ein System aus rotierenden Scheiben. Die Konstruktion kommt ohne klassische Turbinenblätter aus. Gewöhnliche Druckluft strömt in das Innere und erzeugt einen Wirbel. Die Geschwindigkeit erreicht dabei bis zu 300 m/s. Schon bei einem geringen Druck von 0,2 MPa dreht sich der Rotor mit 8472 Umdrehungen pro Minute.
Der Clou liegt in der Materialwahl. Die Forschenden beschichteten die Flächen mit Teflon und Nylon. In der triboelektrischen Reihe stehen diese Materialien an entgegengesetzten Enden. Wenn die natürlichen Staub- und Wasserteilchen der Druckluft auf die Oberflächen treffen, geben sie Ladungen ab. Teflon lädt sich negativ auf, Nylon positiv. So entsteht ein starkes elektrisches Feld im Inneren der Turbine.
Stromerzeugung ohne Berührung
Die eigentliche Stromgewinnung erfolgt kontaktlos. Im Gerät befinden sich Kupferelektroden. Diese berühren die geladenen Oberflächen zu keinem Zeitpunkt. Wenn sich die geladenen Scheiben an den Elektroden vorbeidrehen, beeinflussen sie die Elektronen im Kupfer. Man spricht hier von Influenz oder Induktion.
Sobald das elektrische Feld eine Stärke von 3 kV/mm überschreitet, wird die Luft zwischen den Bauteilen ionisiert. Es kommt zu einer kontrollierten elektrostatischen Entladung. Dieser Mechanismus nutzt den sogenannten Elektronenlawinen-Effekt. Dadurch entstehen kurze, aber sehr kräftige Stromspitzen. Das Team erreichte in Tests eine Spitzenleistung von 800 V und 2,5 A. Das ist deutlich mehr, als bisherige Ansätze lieferten.
Doppelte Funktion für die Industrie
Die Neuentwicklung löst zwei Probleme gleichzeitig. Erstens liefert sie eine nutzbare Leistung von etwa 0,99 W bei einem Widerstand von 100 Ω. Damit lassen sich Sensoren oder kleine elektronische Bauteile direkt an der Druckluftleitung betreiben. In Tests versorgte das System 1000 LEDs und vier handelsübliche Lampen mit Strom. Auch ein Messgerät für Temperatur und Feuchtigkeit lief problemlos mit der gewonnenen Energie.
Zweitens verbessert das Gerät die Sicherheit. Durch die hohe Spannung entstehen negative Ionen. Diese werden in den Luftstrom abgegeben. Sie treffen dort auf geladene Staubpartikel und neutralisieren diese. Die Gefahr von unkontrollierten Funken sinkt drastisch. In Versuchen konnten die Forschenden so die Partikelentfernung um den Faktor 1,56 steigern. Auch die Abscheidung von Feuchtigkeit funktionierte doppelt so effizient wie ohne das System.
Langlebig und wartungsarm
Ein wichtiger Aspekt für Ingenieurinnen und Ingenieure ist die Haltbarkeit. Da die Elektroden die rotierenden Teile nicht berühren, gibt es kaum mechanischen Verschleiß. Die Forschenden testeten das System über fünf Tage im Dauerbetrieb. Die Leistung blieb stabil bei etwa 700 V. Selbst nach 10.000 Sekunden Betriebsdauer zeigten die Oberflächen aus Kupfer und Polymer keine signifikanten Schäden.
Dieses Projekt zeigt, dass industrielle Abfallprodukte wie statische Aufladung wertvolle Ressourcen sind. Anstatt Energie mühsam zu erden, kann sie nun direkt vor Ort genutzt werden. Die Integration in bestehende Druckluftsysteme scheint plausibel. Was früher ein lästiges Sicherheitsrisiko war, könnte in Zukunft die Stromversorgung für das Internet der Dinge (IoT) in Fabriken sicherstellen.
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