TEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

AtmosphÄrische ElektrizitÄt (II)

Wichtige Arbeit bei der Beschaffung ozeanischer magnetischer Daten leistet das Forschungsschiff Carnegie, das auf den Weltmeeren, wo die Luft relativ sauber ist, im Auftrag der Abteilung für Terrestrischen Magnetismus der Stiftung Carnegie Institution for Science standardisierte Messungen durchführt. Frühere Messungen in der Nähe von Städten waren stark von der Rauchbelastung beeinflußt worden.

Die fast vollständig aus Holz und anderen nichtmagnetischen Materialien gebaute Yacht erlaubt empfindliche magnetische Messungen. Zwischen ihrem Start im Jahr 1909 und ihrer Zerstörung durch ein Explosion an Bord im Jahr 1929, als sie im Hafen von Apia auf Samoa aufgetankt wird, legt die Carnegie knapp 500.000 km zurück.

Ebenfalls aus dem Jahr 1909 stammt ein Patent namens ,Apparatus for collecting atmospheric electricity’ von Walter I. Pennock aus Philadelphia (US-Nr. 911.260).

Der Wissenschaftler Heinrich Nikolaus Johannsen aus Lübeck veröffentlicht 1911 ,Die Ausnutzung der Luftelektrizität’, in welchem er über seine entsprechenden Versuche auf dem Jakobsberg in Westfalen berichtet. In der Literatur wird ein 1912 erteiltes Patent (DE-Nr. 248580) erwähnt, bei dem es um das Auffangen von Luftelektrizität mit Leitern und hochgespannter Stromquelle geht – das sich bislang aber nicht auffinden ließ.

Bestätigt sind hingegen die Patente ,Improved Method of Obtaining Electricity from the Air’ (GB191207263) von 1912, sowie ,Einrichtung zum Auffangen von Luftelektrizität mittels längerer vertikaler oder schräger Leiter’ aus dem Jahr 1913 (AT61456 bzw. DEX61456). 1929 meldet Johannsen auch noch ein ,Verfahren zur Erzeugung von heiterem, warmem und ruhigem Wetter’ zum Patent an (DE-Nr. 591295, erteilt 1934). Ich denke, eine vertiefende Recherche würde sich hier lohnen und nehme gerne entsprechende Hilfestellungen an.

Bald nach der Jahrhundertwende behauptet Harry E. Perrigo eine Methode entdeckt zu haben, um die Energie der Atmosphäre zu erschließen. Er stellt ein Auto vor, das er mit Strom betreibt, der in seinem Ätherwellenspeicher (Etheric Wave Accumulator) erzeugt wurde. Ein Patent wird ihm wegen der Klassifizierung als ,Perpetual Motion Machines & Other Impossible Inventions’ verweigert und die Erfindung schließlich als offensichtlicher Betrug bezeichnet, obwohl es eine Reihe von namhaften Personen gibt, die sein Gerät in Aktion erlebt und gesehen haben, wie es nutzbare elektrische Energie erzeugt.

Die ersten Meldungen über Perrigo stammen aus der Tageszeitung Kansas City Star im Februar 1916 und lassen sich ebenso wie spätere, z.T. auch bebilderte Berichte auf der Seite rexresearch.com einsehen.

Der schottische Physiker und Nobelpreisträger Charles Thomson Rees Wilson gilt als der erste, der 1920 eine Theorie des globalen elektrischen Kreislaufs präsentiert.

Ebenfalls führend in diesem Bereich ist der heute weitgehend vergessene estnische Ingenieur und Erfinder Hermann Plauson, der während der Weimarer Republik der 1920er Jahre  Direktor der H. Otto Traun’schen Forschungslaboratorium GmbH in Hamburg ist. Bereits 1920 veröffentlicht Plauson ein Buch mit dem Titel ‚Gewinnung und Verwertung der atmosphärischen Elektrizität – Beitrag zur Kenntnis ihrer Sammlung, Umwandlung und Verwendung’, in welchem er auf Nikola Teslas Idee aufbaut, Maschinen mit dem ,Räderwerk der Natur’ zu verbinden.

In seinem US-Patent Nr. 1.540.998 (angemeldet 1921, erteilt 1925) beschreibt Plauson die Methoden zur Umwandlung statischer Elektrizität in kontinuierliche Stromimpulse. Seine geniale und originelle Idee ist, die statische Elektrizität in oszillierenden Ströme mit hoher Frequenz zu konvertieren.

Tatsächlich baut er einen elektrostatischen Generator (Plauson-Konverter), mit dem ihm die Erzeugung von erheblichen Mengen an elektrischer Leistung gelingt, die in ihrer Größenordnung mit der modernen Photovoltaik vergleichbar sind.

Sein System beinhaltet hauptsächlich mit Nadeln und Radium umhüllte, elektrisch leitende Ballons oder Aerostaten, die mit einem komplexen Verarbeitungssystem am Boden verbunden   sind. Hier wird zunächst mittels Funkenstrecke, Kondensatoren und Induktivität (Trafo) eine hochfrequente Wechselspannung erzeugt, um an der Sekundärwicklung des Trafos eine für die weitere Nutzung besser geeignete niedrigere Spannung zur Verfügung zu haben.

Ein begeisterter Anhänger der Idee ist der berühmte US-amerikanische Verleger und Science-Fiction-Autor Hugo Gernsback, der in seinem 1913 gegründeten Magazin The Electrical Experimenter (ab 1920: Science and Invention) im Februar 1922 ausführlich über Plausons Erfindung berichtet. Hier ist zu erfahren, daß die besten Ballons, die von dem Erfinder verwendet werden, aus dünner Aluminiumfolie gemacht sind.

Bei seinen in Finnland durchgeführten Experimenten gelingt es Plauson, mit einem einzelnen Ballon in einer Höhe von etwa 275 m einen konstanten Strom von 400 V und 1,8 mA zu erzielen, was einer Leistung von 0,72 W entspricht. Bei Verwendung von zwei Ballons in Verbindung mit einer speziellen Kondensator-Batterie beträgt die erhaltene Leistung sogar 3,4 W (500 Volt/6,8 mA).

Außerdem erfindet Plauson eine Art elektrostatischen Drehtransformator, die ohne die Verwendung von Kondensatoren und Transformatoren Wechselstrom liefert und den Strom von den Sammler-Ballons regelrecht ,absaugen’ soll.

Zudem stellt er fest, daß durch die Punktierung der äußeren Oberfläche des Ballons mit Zink-Amalgam mehr Strom gesammelt werden kann – was sich mit Polonium-Amalgam noch weiter steigern läßt, wobei Plauson davon ausgeht, daß die Funktion dieser Amalgame rein photoelektrisch ist. Einhundert Stück solcher Fesselballons, jeweils etwa 100 m voneinander getrennt, sollen im Minimum einen Output von vergleichsweise 200 PS erzielen.

Einem Folgeartikel im März ist zu entnehmen, daß Gernsback selbst die Idee weiterführt und die Errichtung von 300 m hohen Türmen vorschlägt (was knapp dem Eiffelturm entspricht), an deren Spitzen sich Sammelantennen aus einer Anzahl von Kupferrohren befinden. Damit der Turm gut von der Erde isoliert und vor Feuchtigkeit geschützt ist, wird ein komplexes, mehrschichtiges Fundament entworfen. Umgesetzt wird davon aber nichts.

Interessanterweise läßt sich Plauson auch eine aus einem Pendelmast bestehende ,Windkraftmaschine’ patentieren, über die ich bislang aber noch nichts näheres herausfinden konnte (DE-Nr. 495303, angemeldet 1925, erteilt 1930).

In der Denver Post vom 8. August 1921 erscheint ein Artikel über den 28-jährigen Elektroingenieur und Erfinder C. Earl Ammann aus Spokane, Washington, der im Laufe von sieben Jahren einem atmosphärischen Generator entwickelt hat, der der Luft Strom entzieht. Er habe seine Erfindung demonstriert, indem er sie an einem alten Elektroauto befestigt und sich nach dem Starten des Motors mit einer beachtlichen Geschwindigkeit durch die Stadt bewegt habe. Eine Batterie hätte es im Auto keine gegeben.

Im Inneren des kompakten, zylindrischen Objekts mit zwei kleinen Messingkugeln, die oben hervorstehen, befindet sich laut Ammann ein System aus Stahldrähten und Mineralien, um „Strom aus der Luft zu ziehen, zu kondensieren und zum Antrieb zu verwenden“. Die Details will der Erfinder zeigen, sobald er die Patentrechte bekommen hat, weshalb er in der Folgewoche nach Washington DC fahren will.

Anderen Quellen zufolge habe Ammann seinen Cosmo Electric Generator bereits im Jahr 1919 demonstriert, indem er zwei Kupferkugeln an den vorderen Kotflügeln seines Autos anstelle der Scheinwerfer angebracht hatte. Von diesen Kupferkugeln erhielt er genug Strom, um damit zu fahren. Als er kurz darauf nach Washington DC reiste, um ein Patent zu bekommen, fand er heraus, daß gegen ihn Anklage erhoben worden war, weil behauptet wurde, er hätte ein Gerät, um Strom aus den Stromleitungen zu stehlen.

Danach bricht die Spur der Erfindung und des Erfinders ab, und auch die Suche unter den Patentanmeldungen ergibt keine Treffer. Das Quelle des Fotos ist mir nicht bekannt.

Ein kurzer Artikel, der am 3. April 1923 in der New York Times auf der ersten Seite über eine erschreckende neue Waffe berichtet, die vor kurzem von einem sowjetischen Wissenschaftler namens Prof. Figu Posakoff erfunden worden sei und die in der Lage ist, „die latente Energie der Atmosphäre nutzbar zu machen“, die sich in Gewittern und anderen atmosphärischen Katastrophen äußert, und dabei Gegenstände jeglichen Gewichts über nahezu unbegrenzte Entfernungen zu schleudern... entpuppt sich allerdings als ein Aprilscherz, der zwei Tage zuvor von der Deutschen Allgemeinen Zeitung lanciert worden war.

Trotzdem drucken die LA Times und viele andere amerikanische Blätter die Geschichte als Tatsache nach, teilweise noch bis zu einen Monat später und verbunden mit den beruhigenden Worten an die besorgte Öffentlichkeit, daß die Sowjets angeblich versprochen hätten, diese Entdeckung nur für friedliche Zwecke zu verwenden.

Die Zeitschrift für den Predigtdienst The Golden Age – herausgegeben von der Glaubensgemeinschaft der Zeugen Jehovas und heute unter dem Titel Erwachet bekannt – berichtet in ihrer Schweizer Ausgabe vom 1. Oktober 1925, daß in der Nähe Berlins und anderer deutscher Großstädte Gärtnereien Riesenfrüchte und Gemüse von gewaltigen, früher nie geahnten Dimensionen hervorbringen.

Dies geschieht, indem über galvanisierte Eisendrähte Elektrizität aus der Luft aufgefangen und in den Ackerboden geleitet wird, wodurch die Pflanzen „sozusagen ein elektrisches Fußbad nehmen, das von ungeheurer, befruchtender Wirkung ist“. Leider scheint es diese Riesengewächse in Wirklichkeit aber nicht gegeben zu haben.

So gut wie unbekannt ist, daß der berühmte deutsche Windkraftpionier Hermann Honnef im Juli 1928 das Reichspatent Nr. 463 654 für einen Sammler von Luftelektrizität erteilt bekommt, der aus einem feststehenden Gerüst von großer Höhe und von diesem getragenen Teilen zum Auffangen der Elektrizität besteht.

Dabei  sind die zum Auffangen der Elektrizität dienenden Teile in einzelne voneinander isolierte Abschnitte unterteilt und jeweils mit einer zur Erde bzw. zum Verbraucher führenden Ableitung versehen.

Die Erfindung beruht auf der Erwartung, daß in der Atmosphäre auch außerhalb von Gewittern eine derart große Menge elektrischer Ladung vorhanden ist, daß diese wirtschaftlich genutzt werden kann.

Etwas mehr bekannt - zumindest in den Kreisen jener, die sich mit der Erforschung neuartiger Energiequellen beschäftigen – ist der US-amerikanische Physiker und UFO-Forscher Thomas Townsend Brown, der sich im Jahr 1934 einen elektrostatischen Motor patentieren läßt (US-Nr. 1.974.483, angemeldet 1930).

Durch die teilweise enthusiastischen Berichte über die diversen Versuche wird nicht nur die öffentliche Phantasie angeregt, sondern auch Science-Fiction-Autoren: Der deutsche Schriftsteller und Ingenieur Hans Dominik veröffentlicht 1937 den Roman Himmelskraft, in dem eine große deutsche Elektrogesellschaft mit einer amerikanischen Konkurrenzfirma um die Vorherrschaft bei der Nutzung der atmosphärischen elektrischen Energie kämpft.

Die Beschreibung der Energiegewinnung durch ein riesiges Metallnetz, das an Helium-Ballons in 8 km Höhe schwebt und durch ein neues Element gewaltige Mengen Strom erzeugen kann, erinnert an die Plauson-Patente.

Nach dem Zweiten Weltkrieg gehört aber auch diese Erfindung zu den Technologie, die so gut wie vollständig von der Bildfläche verschwinden – denn neue Energieformen, die sich nicht wie die Brennstofftechnik und die Kernkraft monopolisieren lassen, sind zu dieser Zeit nicht mehr gewollt.

Erst in den 1970er Jahren beschäftigt man sich erneut mit der atmosphärischen Elektrizität, als der aus Kharkov stammende und seit 1956 an der West Virginia University in Morgantown lehrende Prof. Oleg Dimitri Jefimenko Experimente durchführt, um elektrostatische Motoren mit Energie aus dem elektrischen Feld der Erde zu betreiben.

Zusammen mit dem Doktoranden David K. Walker installiert er im September 1970 eine etwa 7,20 m hohe Erdfeld-Antenne mit einer kleinen Menge radioaktiven Poloniums in einer Kapsel am einen Ende, die mit einem Draht mit einem Elektret-Motor verbunden ist – der sich daraufhin tatsächlich in Bewegung setzt. Durch Emission positiver Ladungen können Sonden dieser Art das Feld der Erde etwas effizienter anzapfen als Nadelspitzen.

Zwei Monate später führt Jefimenko gemeinsam mit dem Doktoranden Henry Fischbach-Nazario einen Koronamotor (corona motor) vor, der 70 W erreicht und mit einer Antenne verbunden ist, die an einem Ballon in etwa 25 m Höhe hängt.

Der Koronamotor bildet eine besondere Bauform des elektrostatischen Motors, die aus einer geraden Anzahl von Nadeln oder Blättern als Elektroden besteht, die eine Scheibe oder einen Zylinder umgeben, welche(r) aus einem elektrisch isolierenden Material wie Kunststoff hergestellt ist. Die Elektroden sind abwechselnd mit unterschiedlichen Polaritäten geladen: eine ist negativ, die nächste positiv. Eine gute Beschreibung nebst Versuchs-Videos findet sich auf der Seite rimstar.org (s.d.).

Jefimenko gibt beiden Motoren eine Erstladung aus einem 20.000 V Generator. Wenn sie mit voller Geschwindigkeit laufen, verbrauchen sie etwa ein Millionstel Ampere Strom. Dies entspricht 0,02 W, also der Leistung die benötigt wird, um ein 20 g Gewicht in einer Sekunde 10 cm anzuheben.

Im Magazin der Universität vom Frühjahr 1971 wird erklärt, daß es sich um die „weltweit ersten Motoren“ handelt, die durch die atmosphärische Energie betrieben werden. Mit Antennen verbunden laufen sie mit bis zu 1.000 U/m, wobei die Leistung allerdings nur etwa ein zehntausendstel PS beträgt. Gemessen werden dabei bis zu 6.000 V.

Sehr ausführlich gehen die US-Magazine New Scientist im März 1971 bzw. Popular Science im Mai auf diese Entwicklungen ein. In letztgenanntem Magazin werden sogar detaillierte Anleitungen veröffentlicht, wie man z.B. eine Wimshurst-Maschine selbst bauen kann (s.u. elektromagnetische Induktion).

Im Jahr 1973 veröffentlicht Jefimenko das Buch ,Electrostatic motors; their history, types, and principles of operation’, das ebenso wie seine anderen Publikationen von seiner Firma Electret Scientific Co. in Waynesburg, Pennsylvania, herausgegeben wird. Der Autor berichtet davon, daß ein neuartiger elektrostatischer Motor bereits 1961 von dem russischen Physiker A. N. Gubkin erfunden worden sei. Dieser Motor basiert auf einem 1919 von Prof. Mototaro Eguchi am Higher Naval College in Tokio als Kleinenergiespeicher entwickelten Elektret.

Eine kleinere und einfachere Version soll ebenfalls 1961 von J. D. N. Van Wyck und G. J. Kühn in Südafrika gezeigt worden sein. Dieser Motor besteht aus einer etwa 3 mm dicken und 40 mm durchmessenden, horizontal gelagerten Kunststoffscheibe, deren Rand von sechs radial gerichteten Nadelspitzen in gleichen Abständen gestreift wird. Wird die Maschine an eine Quelle von 8.000 – 13.000 V angeschlossen, erreicht sie Drehzahlen bis zu 12.000 U/m.

Ein Übersichtsartikel ,Electrostatic Motors Are Powered By Electric Field of the Earth’, der im Netz einsehbar ist, wird im Oktober 1974 von C. L. Stong veröffentlicht. Der Autor berichtet darin auch über eigene Versuche. Inzwischen lassen sich im Netz auch schon diverse Bauanleitungen für derartige atmosphärische Motoren finden, die sich mit einem 3D-Drucker realisieren lassen.

Weitere Patente aus jener Zeit stammen von Bollee Boudewijn aus Eindhoven, Niederlande (Electrostatics Synchronous Motor, US-Nr. 3.433.981, angemeldet 1967, erteilt 1969; s.a. US-Nr. 3.436.630); von Tex Yukl aus Baker, Oregon (Method and apparatus for capturing an electrical potential generated by a moving air mass, US-Nr. 4.494.009, angemeldet 1983, erteilt 1985); sowie von Philippe Robert, Jean-Sebastien Danel und Bernard Diem (Electrostatic Motor,  US-Nr. 5.965.968, angemeldet 1997, erteilt 1999).

Ab 1997 erforscht das Unternehmen Meridian International Research (MIR) die Grundlagen der Umwandlung atmosphärischer Energie in nutzbare Elektrizität. Mit einer einfachen, 5 m hohen Zink-Antenne wird eine ausreichende Ladung gewonnen, um eine Anzahl von weißen LEDs zu betreiben. Die Firma erwähnt zwar weitere experimentelle Untersuchungen mit metallischen Aerostat-Sammlern und anderen Antennen, veröffentlicht aber keinerlei nähere Details. Das letzte Update der Unternehmensseite stammt zudem von 2008.

Mit der Energiegewinnung aus der Atmosphäre beschäftigt sich auch die 2009 gegründete US-Firma Ion Power Group LLC von Lisa Monique McCowen in Navarre, Florida, deren Gründer Clint McCowen und Andreas J. G. Baumgaertner bereits in den frühen 2000er Jahren die Theorie aufstellen, daß sich aus natürlich vorkommenden atmosphärischen Ionen nützliche Mengen an sauberer, erneuerbarer elektrischer Energie geerntet werden können, sobald es gelingt, eine wirksame Methode zur ,Einkopplung’ dieser Ionen zu entdecken.

In den Folgejahren wird primär erforscht, welche Materialien sich hierfür als besonders effizient erweisen. Dabei werden Hunderte von Kandidaten getestet, sowohl synthetische wie auch organische. Um die verschiedenen Materialien auf ausreichende Höhe zu bringen und ihre Eignung zu prüfen, werden Wetterballons verwendet.

Und um zu belegen, daß die Ernte elektrischer Ladungen aus Luftionen kein lokales Phänomen in Florida ist, wo die Tests über Land und Wasser sowie während des Tages und auch in der Nacht erfolgten, werden zusätzliche Versuche in den Wüsten von Nevada und in Höhenlagen auf dem Mount Charleston durchgeführt.

Im Jahr 2005 wird in der Nähe von Milton in Florida ein Testfeld errichtet, das weit genug von großen Städten entfernt ist, um die Auswirkungen der von Menschen verursachten elektrischen Ausstrahlungen zu minimieren. Hier werden 40 m hohe Stangen aufgerichtet, welche Ionen-Kollektoren tragen. Die dort geerntete Energie wird über Kabel in das kleine Forschungslabor auf dem Gelände geführt, wo sich eine Kondensatorbank befindet.

Als Spitze kann eine elektrische Leistung 1,236 kW gemessen werden. Für Demonstrationszwecke wird die gespeicherte Energie zur Versorgung von Leuchtstoffröhren genutzt, zum Antrieb eines Motors und um Wasserstoff zu erzeugen.

Basierend auf den Ergebnissen meldet das Unternehmen mehrere Patente für die Verwendung von Kohlenstoff/Graphit/Graphen-Verbindungen zur Gewinnung von Hochspannungselektrizität aus natürlich vorkommenden atmosphärischen Ionen an (Energy collection, US-Nr. 7.439.712, angemeldet 2006, erteilt 2008; US-Nr. 8.686.575, angemeldet 2008, erteilt 2014; US-Nr. 8.810.049, angemeldet 2012, erteilt 2014).

Zudem werden Mitte 2014 einige Group-Funding-Kampagnen in den USA gestartet, um die Technologie schnellstens produktreif zu machen, was aber nicht klappt. Auf der Plattform Indiegogo beispielsweise werden 3 Mio. $ als Ziel vorgegeben – von denen dann jedoch nur äußerst magere 18.762 $ zusammenkommen.

Auch mit weiteren Erfolgen tut sich die Firma schwer. Die einzige spätere Meldung stammt vom Mai 2016, als ein weiteres Patent erteilt wird (US-Nr. 9.331.603, angemeldet 2014). Neben verschiedenen Clips und Graphiken mit Konzeptionen und künstlerischen Entwürfen, wie dem hier abgebildeten eigenständigen Ionen-Ernte-Turm, wird das Konzept auf der Firmen-Hompage inzwischen auch zur Gewinnung von Strom und Wasserstoff auf dem Mars angepriesen.

Die Firma SEFE Inc. in Tempe, Arizona, meldet 2011 das Patent für eine neue Methode an, die atmosphärische Energie zu sammeln (Atmospheric Energy Collection, US-Nr. 20120286623). Als Erfinder wird ein Mark Ellery Ogram aus Tucson genannt. Das System basiert auf einem Windsack aus elektrisch leitendem Material als Energiekollektor.

Obwohl sich noch diverse weitere Patente dieses Unternehmens bzw. Erfinders finden lassen, die mit Ballons, Blimps und Antennen funktionieren sollen, lassen sich bislang keinerlei Umsetzungen nachweisen (z.B. Atmospheric electrical generator, US-Nr. 7.855.476, angemeldet 2008, erteilt 2010; Dynamic electrical converter system, US-Nr. 8.102.078, angemeldet 2008, erteilt 2012; Atmospheric static electricity collector, US-Nr. 8.102.082, sowie Atmospheric electrical generator with change of state, US-Nr. 8.102.083, beide angemeldet 2009, erteilt 2012). Außerdem scheint die Firma 2015 aufgelöst worden zu sein.

Im Jahr 2013 startet ein gemeinsames Projekt der University of Colorado, der Pennsylvania State University und des National Center for Atmospheric Research, bei dem mit Unterstützung der National Science Foundation (NSF) ein Computermodell des elektrischen Erdfeldes erstellt wird (,The Global Electric Circuit project’).

Die virtuelle Darstellung soll es Wissenschaftlern auf der ganzen Welt ermöglichen, mit dem System zu experimentieren und das Wissen über die Elektrizität in der Atmosphäre vorantreiben.

Es ist befremdlich, daß sich danach und zumindest bis Mitte 2023 keinerlei weitere Meldungen im Zusammenhang mit der Nutzung der atmosphärischen Elektrizität mehr finden lassen.

Aus der im Juli 2020 veröffentlichten Studie ‚Challenges in coupling atmospheric electricity with biological systems‘ eines großen Wissenschaftlerteams um Ellard R. Hunting von der britischen University of Bristol stammt die Abbildung der kosmischen und atmosphärischen Phänomene, die zusammen den globalen Stromkreislauf antreiben.

Angefertigt wurde die Grafik von der National Science Foundation (NSF) in den USA. Die sehr interessante und im Netz vollständig einsehbare Arbeit gibt einen Überblick über diegeochemischen und biologischen Phänomene, die direkt oder indirekt von Blitzen beeinflußt werden. Siehe dazu nachfolgend Blitze sowie Elektrostatik.

 

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