Diejenigen, die in Großbritannien leben, wissen alles über plötzliche Temperaturänderungen. An einem Tag liegt Frühling in der Luft, am nächsten ein Schneesturm. Es ist ein Alptraum für Garderobenentscheidungen, aber all diese Wetterkapriolen könnten dank einer Erfindung, die solche Temperaturschwankungen in Strom umwandelt, bald gut genutzt werden.
MIT-Ingenieure haben eine Möglichkeit entwickelt, Energie aus dem Nichts zu gewinnen; oder genauer gesagt, aus der umgebenden thermischen Energie in der Atmosphäre. Und wir reden hier nicht von ein paar Funken. Dies könnte das Potenzial haben, Sensoren und Kommunikationsgeräte jahrelang ohne Batterien mit Strom zu versorgen.
Das System, das als thermischer Resonator bezeichnet wird, funktioniert, indem es Wärme auf einer Seite des Geräts einfängt, bevor es sie langsam auf die andere Seite abstrahlt. Dank der für die Herstellung der Maschine verwendeten Materialien hinkt eine Seite der anderen immer hinterher, wenn das System versucht, ein Gleichgewicht zu erreichen, und genau dieser Unterschied kann durch den Prozess der Thermoelektrik genutzt werden.
Um dieses System zum Laufen zu bringen, mussten die Forscher es aus einer sorgfältig abgestimmten Materialkombination herstellen. Sie brauchten etwas mit optimaler thermischer Effusität:eine Kombination davon, wie schnell sich Wärme durch ein Material ausbreiten kann und wie viel Wärme in dem Material gespeichert werden kann. Das Problem besteht darin, dass bei den meisten Materialien, wenn eine dieser Eigenschaften hoch ist, die andere niedrig ist. Materialien, die Wärme schnell aufnehmen, neigen dazu, sie schlecht zu speichern.
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In einem Artikel, der in Nature veröffentlicht wurde beschreiben die Forscher, wie sie einen mit Graphen beschichteten Kupfer- und Nickelschaum verwendeten, um die Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen. Diese wurde mit einer Wachsart namens Octadecan angereichert, die innerhalb des für die Anwendung erforderlichen Temperaturbereichs zwischen fest und flüssig wechselt.
Das Octadecan speichert die Wärme, während das Graphen dafür sorgt, dass sich die Wärme sehr schnell im System ausbreiten kann. Laut Doktorand Anton Cottrill, dem Hauptautor der Studie, schafft diese Kombination „das Material mit der höchsten thermischen Effusivität in der Literatur bis heute“.
Ein Test des Systems zeigte, dass ein Temperaturabfall von 10 °C zwischen Tag und Nacht 350 Millivolt Spannung und 1,3 Milliwatt Leistung erzeugte. Es reicht nicht aus, Ihren Fernseher am Laufen zu halten, aber das könnte ein einfaches Kommunikationssystem oder einen Umgebungssensor mit Strom versorgen.
„Wir haben den ersten thermischen Resonator gebaut“, sagt Cottrill. „Es ist etwas, das auf einem Schreibtisch stehen und Energie aus scheinbar nichts erzeugen kann. Wir sind ständig von Temperaturschwankungen verschiedenster Frequenzen umgeben. Diese sind eine ungenutzte Energiequelle.“
Eine großartige Sache an dem System ist, dass es nicht auf Sonnenlicht angewiesen ist, um zu funktionieren. Da es auf Änderungen der Umgebungstemperatur reagiert, kann es im Schatten arbeiten, und das bedeutet, dass es so ziemlich überall aufgestellt werden kann, wo es Temperaturänderungen ausgesetzt ist.
Nachdem sich das Konzept bewährt hat, wollen die Ingenieure untersuchen, wie das System mit verschiedenen Arten von Temperaturschwankungen funktionieren könnte, vom Ein-Aus-Zyklus von Motoren in einem Kühlschrank bis zu den Rhythmen von Industriemaschinen. Es besteht sogar die Möglichkeit, diese Art von Technologie außerhalb der Welt einzusetzen, indem Planetenrover oder Lander Energie aus Tag- und Nachtzyklen ziehen.
Bildnachweis:MIT, Justin Raymond, Melanie Gonick