Neuartige Stromerzeugung am MIT 22.02.2018, 07:13 Uhr

Thermischer Resonator gewinnt Energie aus Temperaturschwankungen

Energie, die quasi aus dem Nichts entsteht, ist keine Zukunftsvision mehr, sondern Wirklichkeit geworden. Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben einen neuen Ansatz entwickelt, mit dem die Energie aus der Umgebungstemperatur gewonnen wird.

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Foto: Justin Raymond/MIT

Das Testgerät sieht auf den ersten Blick aus wie ein gewöhnlicher schwarzer Kasten. Doch in ihm steckt verblüffende Technik. Denn der „thermische Resonator“ gewinnt aus den Schwankungen der Temperatur in der Umgebung Energie. Die Energieschwankungen treten während des gewöhnlichen Tag-Nacht-Zyklus auf. Über mehrere Monate testeten die Wissenschaftler das neuartige Prinzip auf dem Dach eines MIT-Gebäudes. Dann veröffentlichten sie ihre Ergenisse im Fachjournal „Natur Communications“.

Laut dem Co-Autor der Studie, Michael Strabo, ist der thermische Resonator ein praktisches kleines Gerät, das sich auf einem normalen Schreibtisch befindet und quasi aus dem Nichts Energie erzeugt. Seiner Meinung nach sind die ständigen Temperaturschwankungen in unserem Alltag eine ungenutzte Energiequelle mit großem Potenzial. So könnte der thermische Resonator einen jahrelangen, kontinuierlichen Betrieb eines Fernerkundungssystem ermöglichen. Es würde für die Stromversorgung dann weder Batterien noch andere Energiequellen benötigen.

Thermischer Resonator: Leitfähigkeit und Wärmekapazität

Für die Entwicklung des Resonators benötigten die Forscher ein spezielles Material mit einem sehr guten Wärmeeindringkoeffizienten. Diese Eigenschaft beschreibt, wie leicht ein Werkstoff seiner direkten Umgebung Wärme entziehen oder abgeben kann. Die gewünschte Eigenschaft sollte die Wärme nicht nur durch ein Material leiten, sondern genauso effizient bei der Speicherung der Wärme sein. Bei den meisten Materialien ist die eine Eigenschaft niedrig und die andere hoch. Keramik besitzt beispielsweise eine niedrige Leitfähigkeit und eine hohe Wärmekapazität.

Um die gewünschte Kombination aus einer guten Leitfähigkeit und einer guten Wärmekapazität erreichen zu können, haben die Wissenschaftler vom MIT eine sorgfältig abgestimmte Materialkombination entwickelt. Deren Grundstruktur besteht aus einem Metallschaum, der aus Nickel oder Kupfer hergestellt wird. Den Metallschaum haben die Wissenschaftler um Professor Michael Strano (links im Bild) und dem Doktorand Anton Cottrill (rechts im Bild) zusätzlich mit einer Graphenschicht überzogen, die dafür sorgt, dass die Wärmeleitfähigkeit des Materials optimiert wird. Im Anschluss daran wurde der Metallschaum mit einem wachsartigen Material mit dem Namen „Octadecan“ angereichert. Dabei handelt es sich um ein so genanntes Phase-Change-Material. Dieses wechselt innerhalb eines festgelegten Temperaturbereichs zwischen einem festen und flüssigen Zustand.

Die MIT-Forscher führten ihre ersten Tests mithilfe des herkömmlichen 24-Stunden-Tageszyklus in Kombination mit der Temperatur der Umgebungsluft durch. Nach Ansicht der Forscher wäre es mit einer noch feineren Abstimmung des verwendeten Materials möglich, viele unterschiedliche Arten von Temperaturzyklen ernten zu können. Ein Beispiel wäre die Wärme, die jedes Mal entsteht, wenn Motoren in Maschinen von Industrieanlagen oder in Kühlschränken eingeschaltet und ausgeschaltet werden. Die Wärme ließe sich mithilfe eines thermischen Resonators in elektrische Energie umwandeln und den Geräten wieder zuführen.

Vielseitige Verwendungsmöglichkeiten

Bereits mit einer geringen Probe des speziellen Materials gelang es den Forschern, als alleinige Reaktion auf einen 10 Grad hohen Temperaturunterschied zwischen Nacht und Tag 350 Millivolt und 1,3 Milliwatt zu produzieren. Mit dieser Leistung lassen sich kleine Umweltsensoren, kompakte Kommunikationssysteme und kleinere Wetterstationen betreiben. Der Hauptautor der wissenschaftlichen Studie Cottrill gibt an, dass das Phase-Change-Material die Wärme speichert und durch das Graphen eine äußerst schnelle Leitung entsteht. Somit sind beide Eigenschaften erfüllt, um mit der Wärme elektrischen Strom zu erzeugen.

Aktuell befindet sich der thermische Resonator noch in der frühen Phase der Machbarkeitsstudie. Deshalb ist die tatsächliche Leistung bisher gering. Trotzdem verspricht die wissenschaftliche Entwicklung ein großes Potenzial. Der größte Vorteil des Resonators liegt laut der Wissenschaftler darin, dass kein direktes Sonnenlicht benötigt wird. Stattdessen erzeugt das Gerät ausschließlich Energie aus den Temperaturveränderungen der Umgebung. Deshalb kann der thermische Resonator sogar Energie gewinnen, wenn sich das Gerät im Schatten befindet. Der Resonator ist auch vollkommen unabhängig von den kurzfristigen Änderungen der Windverhältnisse, der Wolkenbedeckung und allen anderen Umweltbedingungen. Aus diesem Grund könnte ein solches System an fast jedem Ort verwendet werden. Laut den Angaben der Forscher vom MIT wäre ein äußerst geeigneter Aufstellungsort ein Platz sogar direkt unter einem Solarmodul. Dort herrscht dauerhaft Schatten. Der thermische Resonator könnte die Abwärme nutzen und vollkommen unabhängig vom Lichteinfall arbeiten. Das Gerät würde sowohl den Wirkungsgrad als auch die Effizienz der Solarpanels unterstützen.

Orthogonale Energiequellen auf der Erde und im Weltall

Die MIT-Forschung wurde zum Teil durch ein Stipendium der König-Abdullah-Universität in Saudi-Arabien finanziert. Durch den thermischen Resonator sollen orthogonale Energiequellen, die vollkommen unabhängig voneinander funktionieren, entstehen. Diese bestehen beispielsweise aus Sonnenkollektoren, fossilen Brennstoffgeneratoren und dem thermischen Resonator in Form eines Wärmezyklusgerätes. Fällt ein Teil dieser Systeme aus, bleibt die Energieversorgung immer noch bestehen. Die König-Abdullah-Universität will dadurch ein vernetztes und unabhängiges System entwickeln, das zur Überwachung der Öl- und Gasbohrfelder eingesetzt wird. In Zukunft könnten Systeme wie der thermische Resonator also in Rovern oder Landern, die den Mond oder andere Planeten erforschen, zum Einsatz kommen.

Vergleichbare Entwicklungen

In den letzten Jahren gab es viele Forschungen zu und Tests mit thermoelektrischen Geräten. Sie erzeugen Strom, wenn die eine Seite der Geräte eine andere Temperatur besitzt als die andere Seite. Systeme dieser Art basieren auf zwei unterschiedlichen Temperatureingängen, die zur gleichen Zeit die Umgebungstemperatur überwachen. Im Vergleich zum neuartigen thermischen Resonator können die herkömmlichen Geräte den elektrischen Strom jedoch nicht direkt aus der Umgebungstemperatur erzeugen.

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