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Thermoelektrischer Generator erzeugt Energie aus der Kälte des Weltraums

| Autor: Thomas Kuther

Forscher der UCLA und der Stanford University haben einen kostengünstigen thermoelektrischen Generator entwickelt, der nachts erneuerbare Energie aus der Kälte des Weltraums erzeugen kann.

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Experimenteller Aufbau eines stromerzeugenden Geräts, das die Strahlungshimmelskühlung zur Energiegewinnung nutzt.
Experimenteller Aufbau eines stromerzeugenden Geräts, das die Strahlungshimmelskühlung zur Energiegewinnung nutzt.
(Bild: Aaswath Raman/UCLA)

Wenn sich über Nacht Frost am Boden bildet, auch wenn die Temperaturen weit über dem Gefrierpunkt liegen, oder Wassertropfen auf den Windschutzscheiben von Autos auch in einer klaren Nacht auftreten, ist die Ursache oft ein Phänomen, das als strahlende Himmelskühlung (radiative sky cooling) bezeichnet wird.In einem in der Zeitschrift Joule veröffentlichten Beitrag berichten Forscher unter der Leitung eines UCLA-Materialwissenschaftlers, dass sie die Prinzipien der Strahlungskühlung des Himmels genutzt haben, um eine innovative Methode zur Erzeugung erneuerbarer Energien bei Nacht zu entwickeln.

Der Ansatz könnte in eine kostengünstige Technologie überführt werden, die schließlich von mehr als einer Milliarde Menschen auf der ganzen Welt genutzt werden könnte, die laut der Internationalen Energieagentur keinen zuverlässigen Zugang zu Strom haben. Das Konzept kann als eigenständige Technologie genutzt werden oder in Kombination mit Solarenergie zur Stromerzeugung bei Tag und Nacht eingesetzt werden.

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Die Strahlungshimmelskühlung ist ein natürliches Phänomen, bei dem eine dem Himmel zugewandte Oberfläche ihre Wärme als Wärmestrahlung an die Luft abgibt. Ein Teil dieser Wärme steigt schließlich in die obere Atmosphäre und dann in kältere Weltraumbereiche auf.

„Dieser Effekt tritt immer auf, besonders in klaren Nächten“, erläutert Aaswath Raman, Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der UCLA Samueli School of Engineering, der das Projekt leitet. „Das Ergebnis ist, dass das Objekt, das die Wärme abgibt, egal ob Auto, Boden oder Gebäude, etwas kühler als die Umgebungstemperatur ist.“

Die neue Technologie nutzt diesen Temperaturunterschied aus, indem sie einen Teil der Wärme aus der Umgebungsluft, die sonst in den Himmel steigen würde, aufnimmt und in Strom umwandelt.

Materialkosten weniger als 30 Dollar

Um die Technologie zu demonstrieren, entwickelten die Forscher ein einfaches System, dass aus handelsüblichen Teilen besteht, die alle zusammen weniger als 30 US-$ kosten.

Ihr Aufbau, der auf dem Dach eines Gebäudes angeordnet war, bestand aus einer Aluminiumscheibe, die auf einer Seite schwarz lackiert und dem Himmel zugewandt war. Mit der Scheibe strahlten die Forscher die Wärme ab, die von der Umgebungsluft abgegeben wird. Ein thermoelektrischer Generator - eine Vorrichtung, die als Reaktion auf eine Temperaturdifferenz elektrische Spannung erzeugt - wandelt diese Wärme anschließend in Strom um.

Die gewonnene Energie reicht zum Betrieb einer LED

Das Gerät erzeugt bis zu 25 mW/m2 – genug, um eine einzelne LED zu betreiben. Obwohl das System deutlich weniger Energie erzeugt als eine ähnlich große Solarzelle, könnte es nachts an Orten außerhalb des Stromnetzes oder für Benutzer, die keinen einfachen Zugang zu Batterien haben, zur Stromerzeugung verwendet werden.

Raman ist sicher, dass die Technologie mit besseren Komponenten verbessert werden könnte und dass sie potenziell bis zu 0,5 W/m2 erzeugen könnte – das sind etwa 20 mal mehr, als das vorgestellte System abgibt. – vor allem in heißen, trockenen Klimazonen, in denen die Strahlungskühlung am stärksten ist. Wenn man davon ausgehe, so Raman, könnte ein kleiner Aufbau auf dem Dach eines Hauses über Nacht genug Strom liefern, um ein Smartphone aufzuladen oder einen Raum mit LED-Lampen zu beleuchten.

Kälte des Weltraums als erneuerbare Energiequelle

„Wir halten dies für eine faszinierende Demonstration, wie die Kälte des Weltraums als erneuerbare Energiequelle genutzt werden kann und zu bescheidenen, aber nutzbaren Strommengen führt“, so Raman weiter. „Wir glauben, dass sie auch die Grundlage für eine komplementäre Technologie zur Solarenergie bilden könnte. Während die Leistungsabgabe immer deutlich niedriger sein wird als bei Solargeräten, kann diese neue Technologie zu Zeiten betrieben werden, in denen Solarzellen nicht funktionieren.“

Weitere Autoren der Studie sind Wei Li, eine Postdoc-Stipendiatin, und Shanhui Fan, ein Professor für Elektrotechnik, beide in Stanford.

Die Strahlungskühlung des Himmels hat sich in den letzten zehn Jahren zu einem aktiven Forschungsthema entwickelt. In einer 2014 in Nature veröffentlichten Studie zeigten Raman, Fan und Kollegen, wie das Phänomen genutzt werden kann, um Objekte wie ein Gebäude an warmen, sonnigen Tagen zu kühlen. Diese Studie war ein wichtiger Schritt, um das Phänomen für Energieanwendungen zu nutzen.

Die Studie wurde vom U.S. Department of Energy unterstützt.

Weitere Informationen finden Sie unter „Generating Light from Darkness“

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