TEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

Felder und Wellen

Elektromagnetische Induktion

Die elektromagnetische Induktion in direkter Nachbarschaft zum Verursacher nutzt der  Prototyp einer Überwachungskamera, die von der NEC Engineering Ltd. auf der iExpo 2007 im Dezember in Tokyo vorgestellt wird.

Bei dem System wird ein von der Firma Sharp entwickelter ringförmiger Adapter, der im Januar 2006 erstmals präsentiert worden ist, einfach über eine Leuchtstoffröhre gezogen. Der Adapterring nutzt die elektromagnetische Induktion im Bereich von 45 – 100 kHz um 120 mW Strom zu erzeugen, was zur Versorgung der VGA-Kamera und eines Wi-Fi Chips ausreicht, der die in 10 Sekunden Abstand aufgenommenen Bilder an einen PC sendet.

NEC bietet außerdem ein Positionsinformationssystem an, das ebenfalls mittels dieser Drahtlos-Technologie mit Strom versorgt wird.

Das Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS in Duisburg stellt im April 2010 ein System zur Rostfrüherkennung bei Betonbrücken vor, deren größte Feinde Streusalze wie Natriumchlorid sind, die von den Winterdiensten zum Bekämpfen von Glatteis eingesetzt werden.

Bei Tauwetter zerfallen die Salze zu Ionen, die in den Beton eindringen und dessen 5 cm dicke alkalische Schutzschicht zerstören. Erreichen die gelösten Salze die Stahlmatten, beginnen diese zu rosten und die Bausubstanz wird geschädigt. Der neue, im Beton eingelassene Sensortransponder gibt an, wie weit die Korrosion fortgeschritten ist, indem er die Ioneneindringtiefe in den Beton permanent mißt und überwacht.

Der von der Materialprüfanstalt für das Bauwesen Braunschweig (MPA Braunschweig) entwickelte Sensor selbst ist mit sehr dünnen Eisendrähten durchzogen, die in regelmäßigen Abständen zueinander angebracht sind. Gelangen die gelösten Salze an die Eisendrähte, beginnen diese zu rosten und es kommt zum Drahtbruch. Anhand der Anzahl der defekten Eisendrähte läßt sich feststellen, wie weit die Korrosion fortgeschritten ist um zu berechnen, wann die nächste Instandsetzung erfolgen muß.

Die Forscher des IMS integrieren den Sensor in ein passives, kabelloses Transpondersystem, das die Meßdaten per Funk an ein Lesegerät überträgt. Dabei bezieht es die für die Messung erforderliche Energie nicht über eine Batterie, sondern über ein magnetisches Feld, das durch das Lesegerät erzeugt wird. Ein erster Feldversuch erfolgt in einer Versuchsbrücke der MPA.

Im September 2010 meldet das U.S. Office of Naval Research Global (ONR Global), daß seine Niederlassung in Tokio ein von Prof. Ryuichi Shimada und dessen Team am Tokyo Institute of Technology entworfenes System namens Magnetic Energy Recovery Switch (MERS) nun gemeinsam mit der Anfang 2007 gegründeten Spin-Off-Firma MERSTech Inc. bis zur Produktreife weiterentwickeln wird.

Das MERS-System ist eine hocheffiziente Plattform, die den elektrischen Fluß von Beleuchtungen steuert, sodaß Glühbirnen ihr Potential maximieren können. Dabei nutzt und recycelt es die Restmagnetkraft, die durch elektrische Ströme erzeugt werden.

In einer Reihe von Experimenten, die von OCR Global finanziert zwischen April und Juni 2010 in den Hardy Barracks in Tokio mit Leuchtstofflampen im 24-Stunden-Betrieb durchgeführt worden sind, erwies sich, daß die MERS-Technologie den Energieverbrauch der Beleuchtung deutlich reduziert und Einsparungen von bis zu 39 % erlaubt. Im Folgejahr sind weitere Tests geplant.

Im April 2012 wird die MERSTech zwar noch mit einem Minister of METI Preis geehrt (Minister of Economy, Trade and Industry) – neuere Informationen gibt es seitdem aber nicht.

Die Firma KCF Technologies aus State College, Pennsylvania, erhält im August 2011 einen mit rund 750.000 $ dotierten Forschungsvertrag, um vergeudete elektromagnetische Energie zu ernten und sie stattdessen andere wichtige Funktionen zuzuführen – und zwar an Bord der modernsten Klasse von nuklear betriebenen schnellen Angriffs-U-Booten der US-Navy.

Die dabei zu entwickelnden fortgeschrittenen Energy-Harvesting-Funksensoren sollen die Systemkosten reduzieren, indem sie die Verdrahtung und Batterien überflüssig machen und dabei ermöglichen, die Systemwartung und Entscheidungen über das Ersetzen von Komponenten auf Grundlage einer kontinuierlichen Beurteilung des Zustandes durchzuführen, anstatt auf Basis beliebiger Wartungspläne.

Eine erfolgreiche Umsetzung der Magnetfeldenergie-Harvesting-Technologie kann zu einer breiten Palette von Anwendungen führen, einschließlich Temperatursensoren in Elektromotoren und Generatoren, Stromleitungs-Durchhangssensoren und Überwachungssensoren des elektrischen Stromverbrauchs. Da der experimentelle Entwicklungsaufwand im Rahmen des Zwei-Jahres-Planes der Firma als relativ hoch erwartet wird, besteht die Option, den Vertrag um weitere knapp 250.000 $ aufzustocken.

Auf der Firmen-Homepage werden 2016 mehrere Energy Harvesting Geräte angeboten, wobei es sich allerdings um Systeme handelt, welche die Wärme- und Schwingungsenergie nutzen – über den elektromagnetischen Energie-Harvester ist dagegen nichts (mehr) zu finden.

Im Januar 2014 berichten Forscher der Hong Kong Polytechnic University um Prof. Derek Siu-wing Or, daß Sicherheit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit elektrotechnischer Anlagen und der öffentlichen Stromversorgung nun durch einen winzigen Chip mit elektrischen Stromsensoren gewährleistet werden können. Der etwa 1 mm dicke Chip kann auf jedem Meßpunkt von Interesse plaziert werden, wie elektrische Kabel, Leiter, Knotenpunkten, Sammelschienen usw., um elektrische Ströme zu erfassen. Dabei ist weder eine zusätzliche Stromversorgung noch ein Signalaufbereiter erforderlich.

Der Chip ist ein Produkt moderner Funktionsmaterialien und besteht aus Multiferroika aus seltenen Erden mit extrem hohen magnetoelektrischen Eigenschaften, die dem Chip eine direkte Erfassung der Magnetfelder erlaubt, welche durch die Elektrizität erzeugt werden – sowie eine lineare Umwandlung dieser Magnetfelder in elektrische Spannungssignale. Die Amplitude der konvertierten Signale ist linear proportional zu den Magnetfeldern, während ihre Frequenz genau den Magnetfeldern folgt.

Aus dem magnetoelektrischen Smart Material, wie es von dem Team genannt wird, werden sich selbstversorgende magnetoelektrische Sensoren entwickelt, welche die Veränderungen von elektrischen Strömen in elektrischen Geräten erkennen – genauso einfach, wie sie mit einem Thermometer Temperaturen messen. Indem die bislang erforderliche Stromversorgung herkömmlicher Stromsensoren obsolet wird, können die intelligenten Sensoren sogar in bisher undenkbaren Gebieten bequem, sicher und zuverlässig zur Fehlerfrüherkennung verwendet werden.

Zudem können die Sensoren so zugeschnitten werden, daß sie die elektromagnetische Strahlung ernten, die durch die überwachte elektrische Ausrüstung emittiert wird, und sie in nutzbare elektrische Energie umwandeln. Die gespeicherte elektrische Energie kann verwendet werden, Mikrocontroller, Displays, Funksender usw. zu versorgen. Die patentierte Technologie wird in den elektrischen Antriebssystemen von Zügen in Hong Kong und Singapur getestet, um eine in-situ-Überwachung der Traktionsbedingungen zu ermöglichen und elektrische Fehler zu erkennen, die den Bahnverkehr zum Erliegen bringen könnten.

Das Forschungsteam arbeitet nun daran, die Energiegewinnungsfähigkeit zu verbessern und die intelligenten Sensoren noch empfindlicher und zuverlässiger zu machen. Dabei kooperiert man mit der deutschen E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH (E-T-A) aus Altdorf bei Nürnberg, dem Weltmarktführer bei Geräteschutzschaltern. Hier besteht das Interesse daran, die Smart-Wireless-Sensor-Technologie in die neue Generation elektrischer Stromkreisschutzprodukte einzubetten, weshalb die Firma die Forschungsarbeit mit einen Zuschuß in Höhe von 500.000 € unterstützt.

Ein Chip zum Aufkleben auf der Haut, der drahtlos die Gesundheit des Trägers überwacht und per Induktion von einem Mobilgerät mit Strom versorgt wird, wird im August 2016 von einem großen, internationalen Team rund um Prof. John A. Rogers vorgestellt (der auch in diversen anderen Bereichen des Micro Energy Harvesting aktiv ist).

An dem Team sind Wissenschaftler der University of Illinois at Urbana-Champaign, der Northwestern University, der University of California San Diego, der Hanyang University in Seoul, der Tsinghua University in Peking, der Tongji University in Shanghai sowie der Eidgenössische Technische Hochschule Zürich beteiligt.

Der Chip besteht aus einem dünnen, elastischen Kunststoff, auf dem Schaltkreise, kleine LEDs und einige Sensoren angeordnet sind. Er beleuchtet die Haut und mißt das Licht, das von dieser reflektiert wird. Außerdem erkennt die Temperatur der Haut und die UV-Strahlung. Er funktioniert allerdings nur in Kombination mit einem Mobilgerät, das die Near Field Communication (NFC) Technik besitzt. Bevor der Chip an Probanden getestet wird, wollen die Forscher aber noch die Stromversorgung verbessern – im Gespräch ist ein Akku, der auf der Haut getragen wird.

Elektrostatik (I)

Die elektrostatische Aufladung des Bernsteins (gr. elektron) durch Reiben mit einem Tuch oder Fell war bereits den alten Griechen bekannt. Um etwa 600 v. Chr. hat sich der Naturphilosoph Thales von Milet mit diesem Phänomen beschäftigt, das auch als Reibungselektrizität bezeichnet wird.

Im 13. Jahrhundert experimentiert der französische Gelehrte Petrus Peregrinus de Maharncuria (Pierre Pèlerin de Maricourt) mit Magneten und beschreibt 1269 in seiner Abhandlung Epistola de Magnete als erster ihre Polarität. Seine Arbeiten werden allerdings erst 1601 durch den britischen Arzt und Physiker William Gilbert fortgeführt, der systematisch die elektrische Aufladung an vielen Substanzen untersucht und für diese Erscheinungen die Bezeichnung Electrica einführt – womit er als Erster eindeutig zwischen Magnetismus und der statischen Elektrizität unterscheidet.

Um 1663 entwickelt der Magdeburger Bürgermeister Otto von Guericke, berühmt durch seinen Vakuum-Versuch von 1657, eine Schwefelkugel mit einer Drehachse, die mit der Hand gerieben ,kosmischen Wirkkräfte, nachweisen soll und als erste Elektrisiermaschine gilt. Er beschreibt unter anderem Anziehungs- und Abstoßungserscheinungen, die heute als elektrische Phänomene verstanden werden. 1671 schickt er eine solche Schwefelkugel an Gottfried Wilhelm von Leibniz, der damit einen ersten künstlichen elektrischen Funken erzeugt.

Gezielt zum Erforschen dieser Funken entwickelt der britische Wissenschaftler Francis Hauksbee der Ältere im Jahr 1706 eine Reibungselektrisiermaschine, deren Kugel aus Glas statt aus Schwefel besteht. In dem kugelförmigen Behälter seines elektrostatischen Generators plaziert er Quecksilber und saugt die Luft ab. Sobald die Kugel geladen ist und die Oberfläche mit der Hand berührt wird, entsteht ein recht helles Licht, bei dem man sogar lesen kann.

Dieses Phänomen ähnelt dem Elmsfeuer und wird später zur Basis der Entwicklung von Glimmlampen und Quecksilberdampflampen. Die hier abgebildete Glaskugel-Elektrisiermaschine stammt aus späterer Zeit und ist im Deutschen Museum in München zu sehen.

Der britischer Priester William Wall soll im Jahr 1708 einer der ersten gewesen sein, dem auffällt, daß die Funken aus einem geladenen Stück Bernstein Miniatur-Blitzen ähneln.

Der deutsche Physiker und Astronom Georg Matthias Bose, übrigens der Erste, der Schießpulver durch einen elektrischen Funken entzündet, fügt 1743 der Elektrisiermaschine von Hauksbee einen Konduktor hinzu, der elektrische Ladungen speichert, die ihm dann auch wieder entzogen werden können. Damit verfügt er über ein Mittel, um elektrische Schläge zu verstärken. Besonderes Aufsehen erregt Bose, als er, mit verschiedenen Metallgegenständen ausgerüstet, auf eine durch einen Pechanstrich isolierte Kiste steigt und sich elektrisieren läßt, wodurch sein Körper wie mit einem Glorienschein umgeben erscheint.

Eine weitere Verbesserung erfolgt 1744 durch den ebenfalls deutschen Philosophen und Naturforscher Johann Heinrich Winckler, der Hauksbees Maschine mit einem  Tretmechanismus versieht, dessen Grundaufbau dem einer fußbetriebenen Drechselbank ähnelt.

In den Folgejahren beschäftigt sich Winckler zudem mit der Verbesserung der gerade neu entwickelten Leidener Flasche und ist einer der ersten Naturwissenschaftler, die erkennen, daß der Unterschied zwischen einem Gewitterblitz und einer künstlich erzeugten elektrischen Entladung nur ihrer Stärke besteht. Er vermutet bereits die Möglichkeit, mit Hilfe der Elektrizität Signale übermitteln zu können.

Elektrostatische Generatoren lassen sich in zwei Klassen aufteilen: die vorstehend genannten Elektrisiermaschinen, welche die Reibung zwischen Isolatoren nutzen (z.B. Schwefel, Glas, Holz, Gummi usw.) – sowie die Influenzmaschinen, bei denen die Aufladung dagegen durch den Effekt der elektrischen Influenz in leitenden Metallteilen entsteht. Sie erzeugen statische Elektrizität mit hoher Spannung und geringer Stromstärke.

Als erste Influenzmaschine gilt der sogenannte Elektrophor, der 1762 von dem schwedischen Physiker Johan Carl Wilcke beschrieben wird, konstruktionsbedingt jedoch keine kontinuierliche Gleichspannung liefern kann. Die Bezeichnung leitet sich von den griechischen Begriffen elektron und pherein = tragen ab. Die Entwicklung eines brauchbaren Geräts erfolgt dann 1775 durch den italienischen Physiker Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Graf von Volta.

Ein Elektrophor besteht aus einer Metallplatte mit isoliertem Griff und einem so genannten ,Kuchen’, der aus einer Mischung aus Harz, Siegelwachs und Schellack besteht und auf einer metallenen Grundplatte sitzt. Der rückseitig geerdete Kuchen wird mit einem (Katzen-)Fell gerieben, wobei auf dem Kuchen Reibungselektrizität in Form überschüssiger negativer Ladungen entsteht. Wird nun der elektrisch neutrale Metallteller mit einem kleinen Abstand über den Kuchen gesetzt, so bewirkt die Influenz des elektrischen Feldes der Kuchenladungen eine Verschiebung der Ladungsträger im Metallteller, ohne daß die Ladung des Kuchens dabei abgeleitet wird.

Dadurch  kommt es auf der Seite der Metallplatte, die dem Kuchen zugewandt ist, zu einer Ansammlung von positiven Ladungsträgern, und auf der entgegengesetzten Seite der Metallplatte zu einer Ansammlung von negativen Ladungsträgern. Wird nun die Metallplatte während des Aufliegens über dem geladenen Kuchen an ihrer dem Kuchen abgewandten Seite geerdet, beispielsweise indem sie mit der Hand berührt wird, können die überschüssigen Elektronen von dieser Seite der Platte abfließen.

Zwar ist die Metallplatte jetzt nicht mehr elektrisch neutral, sondern trägt einen Überschuß positiver Ladungen, die aber im Gleichgewicht mit den ortsfesten negativen Ladungen im Kuchen stehen. Unterbricht man nun die Erdverbindung zur Oberfläche des Metalltellers, indem man die Hand zurückzieht, und wird die Metallplatte an ihrem isolierten Griff vom Kuchen abgehoben, baut sich mit zunehmender Entfernung zwischen Metallplatte und Erdpotential eine steigende elektrische Spannung auf.

Den mit 2,5 m² größten Elektrophor seiner Zeit baut der Göttinger Physikprofessor Georg Christoph Lichtenberg, der auch als Begründer des deutschsprachigen Aphorismus gilt (,Sudelbücher’). Er erzeugt damit Funken bis zu 40 cm Länge (andere Quellen: bis über 70 cm), was etwa 1 Million Volt entspricht.

Spätere Influenzmaschinen bestehen zumeist aus Metallfolien-Segmenten als Elektrizitätsträger (z.B. Stanniolstreifen), die an der Außenseite von Isolierscheiben aufgebracht sind. Dabei stehen sich zwei Scheiben (heutzutage z.B. aus Plexiglas oder Hartgummi) in geringem Abstand gegenüber und rotieren gegenläufig – zumeist per Handkurbel mechanisch betrieben.

Über die Staniolstreifen jeder Scheibe schleifen zwei gegenüberliegende, durch einen Ausgleichskonduktor als Leiter verbundene Metallpinsel. Ist einer der beiden Elektrizitätsträger der Scheiben elektrisch geladen, dann sammelt sich auf dem gegenüberliegenden Elektrizitätsträger durch Influenz die entgegengesetzte Ladung. Diese Ladung bleibt bei weiterer Drehung auch beim Verlassen der Ausgleichskonduktoren bestehen.

Auch hier tritt der selbe Effekt auf, daß sich bei gleichbleibender Ladung die Spannung zwischen zwei elektrisch aufgeladenen Körpern erhöht, wenn einer der beiden von dem anderen räumlich entfernt wird. Dabei wandelt sich die mechanische Arbeit zur Überwindung der elektrostatischen Anziehung in Energie des elektrischen Feldes um. Wird die positive und die negative Ladung jeder Scheibe über sogenannte Saugbüschel elektrisch abgeleitet und in Leidener Flaschen gespeichert, läßt sich schließlich bei sehr hoher Spannung (bis über 100 kV) ein geringer Strom (einige 10 µA) entnehmen.

Die damals größte Scheiben-Elektrisiermaschine, die heute im Teylers Museum in Haarlem steht, wird 1785 von dem niederländischen Arzt und Wissenschaftler Martinus van Marum der Öffentlichkeit präsentiert. Mit einem Glasscheiben-Durchmesser von 1,65 m kann sie Funken in einer Funkenstrecke von bis 61 cm Abstand erzeugen. Ein 1968 erfolgter, genauer Nachbau der Universität Eindhoven erreicht Spannungen von über 500 kV.

Diese und ähnliche Elektrostatische Generatoren dienen in den Folgejahren vor allem der gesellschaftlichen Belustigung und sind bis zur Entwicklung der Voltaschen Säule durch Alessandro Volta um 1800 herum die einzigen Quellen künstlich erzeugter Elektrizität. Volta hatte bereits 1792 von den Froschschenkel-Versuchen des Anatomen Luigi Galvani erfahren, deren Zucken dieser auf ,animalische Elektrizität’ zurückführte, erkannte aber statt dessen die Ursache der Muskelzuckungen in äußeren Spannungen – was zu einem Streit unter Wissenschaftlern in ganz Europa führte.

Volta prägt daraufhin den Begriff Berührungselektrizität (o. Kontaktelektrizität), falls mit mehreren Metallen experimentiert wird. Die o.g. Reibungselektrizität stellt dem zufolge einen Spezialfall der Berührungselektrizität dar, während die elektrische Aufladung zweier Materialien durch Kontakt miteinander und anschließendes Trennen als triboelektrischer Effekt bezeichnet wird. Auch hier steht ein griechischer Begriff Pate, nämlich tribein = reiben.

Um eine kontinuierliche Gleichspannung zu erreichen, mechanisiert der deutsche Physiker und Erfinder Wilhelm Holtz im Jahr 1865 in Berlin die Funktionsweise des Elektrophors und nennt sein Gerät Influenzelektrisiermaschine.

Der irisch-britische Physiker William Thomson (später: Lord Kelvin) beschreibt 1867 eine ganz spezielle Influenzmaschine, welche die Energie zum Aufbau elektrischer Spannungen von bis zu 20 kV aus der kinetischen Energie fallender Wassertropfen gewinnt, die im elektrostatischen Feld abgebremst werden.

Der Kelvin-Generator (o. Wassertropfengenerator, Wasserfadengerät) besteht aus zwei dünnen Wasserstrahlen, die jeweils durch einen kleinen Metallring oder -zylinder in einen Behälter fallen. Dabei sind die Behälter voneinander und vom Boden isoliert. In ähnlicher Weise müssen die Ringe elektrisch voneinander und von ihrer Umgebung isoliert werden. Anschließend werden die Ringe und die Behälter kreuzweise leitend miteinander verbunden.

Da die Ladungen niemals gleich verteilt sind, ist eine Behälter-Ringkombination positiver geladen als die andere. Fällt ein Wassertropfen durch den positiv geladenen Ring, so wird die positive Ladung nach oben abgestoßen, während der nun negativ geladene Wassertropfen weiter nach unten fällt (Influenz) und dort die negative Ladung des Behälters verstärkt.

Da dieser mit dem gegenüberliegenden Ring verbunden ist, wird auch letzterer stärker negativ geladen. So verstärken sich die anfänglich zufällig unterschiedlichen Potentiale, sodaß eine Hochspannung aufgebaut werden kann. Indirekt stammt die Elektroenergie damit aus der potentiellen Energie des von oben abtropfenden Wassers.

Kleinere Geräte, mit unteren Zylindern 60 mm Höhe und Durchmesser, erreichen ungefähr 3 kV Spannung, was einer Funkenstrecke von etwa 3 mm entspricht. Ein Kelvin-Generator soll selbst mit entionisiertem (destilliertem) Wasser funktionieren, und zwar infolge der Eisendissoziation des Wassers in positiv geladene Oxonium-Ionen (Oxidanium-Ionen, H₃O+) und negativ geladene Hydroxid-Ionen (OH-).

Der italienische Physiker Augusto Righi konstruiert 1872 die erste elektrostatische Maschine, die ein endloses Kautschukband verwendet, das über seine Länge mit Ringen aus Kupferdraht versehen ist, die als Ladungsträger agieren, über zwei Walzen geführt und in eine kugelförmige Metallelektrode geleitet wird.

Auf das Band aufgebracht wird die Ladung von der geerdeten unteren Walze durch elektrostatische Induktion, unter Verwendung einer geladenen Platte.

Mit Hilfe von Matthew Van Schaik von der Humboldt-Universität zu Berlin erfindet Righi zudem einen Induktions-Elektrometer, der in der Lage ist kleine elektrostatische Aufladungen zu erkennen und zu verstärken.

Praktische Bedeutung erlangt jedoch erst eine durch den britischen Erfinder James Wimshurst ab dem Jahr 1878 konstruierte Weiterentwicklung der Influenzmaschine, die durch Selbstverstärkung eine kontinuierliche Gleichspannung bis ca. 100 kV liefern kann.

Die Wimshurstmaschine ist mit mehreren parallel auf einer Achse angebrachten und gegensinnig rotierenden, vertikalen Scheiben ausgestattet und nutzt die abgenommene elektrische Ladung zusätzlich zur Verstärkung des elektrischen Feldes des Induktors, wodurch sich der Effekt stetig weiter verstärkt. Anfang des 20. Jahrhunderts dient die Maschine unter anderem zur Stromversorgung von Röntgenröhren.

Der österreichisch-ungarische-deutsche Physiker Philipp Eduard Anton Lenard (der für seine Arbeiten über Kathodenstrahlen und die Entwicklung der Elektronentheorie 1905 den Nobelpreis für Physik verliehen bekommt) führt um 1890 in einem Windkanal Versuche durch, um die negative Aufladung der Luft beim Zerstäuben von Wassertropfen zu untersuchen.

1892 habilitiert er bei Heinrich Hertz in Bonn mit seiner Arbeit ,Über die Elektricität der Wasserfälle’. Der nach ihm benannte Lenard-Effekt (o. Balloelektrizität) wird umgangssprachlich auch als Wasserfall-Elektrizität bezeichnet. Berichte über Arbeiten an einer praktischen Umsetzung ließen sich bislang nicht finden.

Ab 1929 entwickelt der amerikanische Physiker Robert Jemison Van de Graaff an der Princeton University eine Apparatur zur Erzeugung hoher elektrischer Gleichspannungen namens Bandgenerator, die mechanische in elektrische Energie umwandelt, allerdings mit sehr geringem Wirkungsgrad. Mit entsprechend großen Geräten können trotzdem Spannungen von mehreren Millionen Volt erzeugt werden.

Inspiriert dazu wird Van de Graaff durch einen von W. F. G. Swann in den 1920er Jahren entwickelten Generator, bei dem Ladung durch fallende Metallkugeln zu einer Elektrode transportiert werden, und der damit quasi eine Rückkehr zu Kelvins Prinzip der Wassertropfen darstellt.

Ein Van-de-Graaff-Generator besitzt ein umlaufendes, elektrisch isolierendes Band, z.B. ein Gummiband, das durch Reibung oder durch Aufsprühen der Ladung aus einer externen Spannungsquelle elektrisch aufgeladen werden  kann. Die Ladung wird durch die Bewegung des Bandes in das Innere einer großen metallischen Hohlkugel transportiert und dort durch eine mit der Kugel leitend verbundene Bürste vom Band ,abgestreift’. Die Kugel kann dadurch auf immer höhere Spannung gegenüber der Umgebung aufgeladen werden, wobei die Spannung nur durch Funkendurchschläge bei zu hoch gewordener Feldstärke begrenzt wird.

Nach 1930 entwickelt der Physiker auf Grundlage seines Generators den sogenannten Van-de-Graaff-Beschleuniger, einen Gleichspannungs-Teilchenbeschleuniger, mit dem Spannungen von mehreren Megavolt erreicht werden können, wobei die Stromstärken des Teilchenstrahls im Mikroampere-Bereich liegen. Um die Durchschlagsfestigkeit und damit die erreichbare Spannung wesentlich zu erhöhen, befindet sich der Beschleuniger in einem mit Gas gefüllten Druckbehälter.

Da die Beschleunigungsspannung und damit die Energie der Ionen sehr genau konstant gehalten werden kann, wird der Beschleuniger als Präzisionswerkzeug in der Niederenergie-Kernphysik verwendet. Der weltweit erste industrielle Van-de-Graaff-Generator, ein 20 m hohes Exemplar, das 5 Millionen Volt (5 MeV) erzeugen kann, wird 1937 von der Westinghouse Electric Co. in Forest Hills, Pennsylvania, gebaut und bis 1958 betrieben. Es erhält den Namen Westinghouse Atom Smasher und markiert den Beginn der Kernforschung für zivile Anwendungen.

Eine Weiterentwicklung bildet das etwa 1965 von Raymond ,Ray’ George Herb erfundene Pelletron, das dem Van-de-Graaff-Beschleuniger insofern ähnelt, daß die Beschleunigungsspannung ebenfalls durch den mechanischen Transport elektrisch geladener Körper aufgebaut wird. Allerdings wird bei dem Pelletron, an dem Herb bereits seit 1935 arbeitet, das Prinzip der Influenzmaschine verwendet.

Dabei ist das umlaufende isolierende Band des Van-de-Graaff-Generators durch eine Art Kette ersetzt, die aus metallisch leitenden Körpern abwechselnd mit isolierenden Zwischenstücken besteht und sich in einem unter Hochdruck stehenden, isolierenden Gas bewegt. Somit gelangt die Ladung durch Influenz auf die Metallglieder der Kette und von dort auf die Hochspannungselektrode, und nicht durch Spitzenentladung.

Hier abgebildet ist der (offene) 2,5 MeV-Pelletron-Beschleuniger SIRIUS der École polytechnique in Paris, dessen isolierende umlaufende Kette mit Metallzylindern bestückt ist.

Weitere technische Anwendungen der Elektrostatik sind u.a. Elektrofilter, das elektrostatisch unterstützte Farbspritzen, die Fixierung von Papierblättern auf Flachbettplottern sowie elektrostatische Abscheider, die in einem mit niedriger Energie geladenen Strahl Partikel nach Masse separieren.

 

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