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MIT-Forscher erzeugen Energie aus Schwankungen der Umgebungstemperatur

| Redakteur: Sebastian Gerstl

Energiegewinnung „scheinbar aus dem Nichts“: Forscher des MIT haben einen neuartigen Ansatz entwickelt, um Energie aus der Umgebungstemperatur zu gewinnen. Ihr „thermischer Resonator“ bezieht seine Energie aus den Schwankungen der Umgebungstemperatur, die während des Tag-Nacht-Zyklus auftreten.

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Der Testaufbau, mit dem Forscher im Verlauf mehrerer Monate ihr Prinzip des neuen Energiegewinnungskonzeptes auf dem Dach eines MIT-Gebäudes unter Beweis stellten: Das Testgerät selbst ist der schwarze Kasten auf der rechten Seite, der hinter einem Wetterüberwachungssystem (weiß) platziert ist. Einer Reihe von Testgeräten (größeres schwarzes Gehäuse links) überwacht die Geräteleistung.
Der Testaufbau, mit dem Forscher im Verlauf mehrerer Monate ihr Prinzip des neuen Energiegewinnungskonzeptes auf dem Dach eines MIT-Gebäudes unter Beweis stellten: Das Testgerät selbst ist der schwarze Kasten auf der rechten Seite, der hinter einem Wetterüberwachungssystem (weiß) platziert ist. Einer Reihe von Testgeräten (größeres schwarzes Gehäuse links) überwacht die Geräteleistung.
(Bild: Justin Raymond / MIT)

Thermoelektrische Geräte, die Strom erzeugen können, wenn eine Seite des Geräts eine andere Temperatur hat als die andere, wurden in den letzten Jahren vielfach erforscht. Die meisten Systeme dieser Art stützen sich auf zwei verschiedene Temperatureingänge, die gleichzeitig die Umgebungstemperatur überwachen. Ein Team am Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat sich nun eine neue Methode ausgedacht, Temperaturschwankungen in elektrische Energie umzuwandeln.

Das neuartige System, das als „thermischer Resonator“ bezeichnet wird, bezieht seine Energie aus den alltäglichen temperaturschwankungen, die beim Wechsel während des Tag-Nachs-Zyklus auftreten. Wie die Wissenschaftler in Ihrer im Fachjournal Nature Communications veröffentlichten Studie ausführen, könnte ein solches System beispielsweise einen kontinuierlichen, jahrelangen Betrieb von Fernerkundungssystemen ermöglichen, ohne dass andere Energiequellen oder Batterien benötigt werden.

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„[Der thermische Resonator] ist etwas, das auf einem Schreibtisch sitzen und aus dem scheinbar Nichts Energie erzeugen kann,“ sagt Michael Strabo, Carbon P. Dubbs Professor für Chemieingenieurwesen am MIT und einer der Co-Autoren der Studie. „Wir sind ständig von Temperaturschwankungen aller Frequenzen umgeben. Diese sind eine ungenutzte Energiequelle.“

Für die Entwicklung ihres Prototypen benötigten die Wissenschaftler ein Material mit einem besonders guten Wärmeeindringkoeffizienten - eine Eigenschaft, die beschreibt, wie leicht der Werkstoff Wärme aus seiner Umgebung entziehen oder abgeben kann. Die Eigenschaft, Wärme durch das Material zu leiten, sollte in etwa ebenso gut sein wie die Eigenschaft, Wärme in einem bestimmten Volumen zu speichern. In den meisten Materialien verhält es sich so, dass die eine Eigenschaft niedrig ist, wenn die andere hoch ist; Keramiken besitzen beispielsweise eine hohe Wärmekapazität bei geringer Leitfähigkeit.

„Um diese angestrebte Kombination aus guter Leitfähigkeit und guter Wärmekapazität zu erreichen, haben die MIT-Forscher eine nach eigenen Angaben“ sorgfältig abgestimmte Materialkombination" für ihr System entwickelt. Die Grundstruktur ist ein Metallschaum aus wahlweise Kupfer oder Nickel. Dieser wird mit einer Graphenschicht überzogen, um die Wärmeleitfähigkeit des Grundmaterials zu optimieren.

Anschließend reicherten die Wissenschaftler den Schaum mit einem wachsartigen Material namens Octadecan an. Dabei handelt es sich um ein Phase-Change-Material, das innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs, der für eine bestimmte Anwendung gewählt wurde, zwischen fest und flüssig wechselt.

In Ihrer Studie hielten die Forscher fest, dass es mit einer Probe dieses Materials gelang, allein als Reaktion auf einen Temperaturunterschied von 10 Grad Celsius zwischen Tag und Nacht 350 Millivolt Potential und 1,3 Milliwatt Leistung produzierte. Das reichte zum Betrieb kleiner Umweltsensoren oder von Kommunikationssystemen, die nur in längeren Zeitabständen eine Statusmeldung absetzen, aus. Somit könnte etwa eine kleine Wetterstation betrieben werden.

„Das Phase-Change-Material speichert die Wärme", sagt Cottrill, der Hauptautor der Studie, „und das Graphen gibt Ihnen eine sehr schnelle Leitung", wenn es darum geht, diese Wärme zur Erzeugung eines elektrischen Stroms zu nutzen.

Die tatsächliche Leistung des Geräts, dass sich derzeit noch in der Phase einer Machbarkeitsstudie befindet, ist aktuell noch sehr gering. Dennoch verspricht die Entwicklung großes Potential. Der Vorteil eines solchen thermischen Resonators liege nach Angabe der Wissenschaftler darin, dass er kein direktes Sonnenlicht benötigt, sondern Energie aus Umgebungstemperaturänderungen erzeugt. So kann das Gerät auch Energie gewinnen, während es sich im Schatten befindet, unabhängig von kurzfristigen Änderungen der Wolkenbedeckung, der Windverhältnisse oder anderer Umweltbedingungen.

Ein solcher thermischer Resonator könnte also nahezu beliebig an benötigten Orten aufgestellt werden. Ein sehr geeigneter Aufstellort wäre nach Angaben der Forscher etwa eine Platzierung direkt unterhalb eines Solarpanels, wo dauerhafter Schatten herrscht: indem der thermische Resonator die Abwärme nutzt und völlig unabhängig vom Lichteinfall arbeitet, könnte das Gerät die Effizienz den Wirkungsgrad des Solarpanels direkt unterstützen.

Die ersten Tests führten die MIT-Forscher noch mit Hilfe des 24-Stunden-Tageszyklus der Umgebungslufttemperatur durch. Eine feinere Abstimmung des Materials könnte es nach Ansicht der Wissenschaftler möglich machen, auch andere Arten von Temperaturzyklen zu ernten. Vorstellbar wäre beispielsweise die Wärme, die beim Ein- und Ausschalten von Motoren in einem Kühlschrank oder von Maschinen in Industrieanlagen entsteht. Diese Wärme könnte dann als effektive Energie wieder dem Gerät selbst zugeführt werden.

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