TEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

Felder und Wellen

WÄrme (VII)

In einem Bericht vom Januar 2016 und einem Video im Folgemonat beschreiben Forscher der University of Rochester im Bundesstaat New York ein neues formwechselndes Polymer, das auf Körperwärme reagiert. Das von Prof. Mitchell Anthamatten und seinem Doktoranden Yuan Meng sowie Jisu Jiang vom Georgia Instiute of Technology entwickelte Material ist eine Art Formgedächtnispolymer, das so programmiert werden kann, daß er eine temporäre Form solange beibehält, bis es angestoßen wird – typischerweise durch Wärme –, um dann in seine ursprüngliche Form zurückzukehren (,Body temperature triggered shape‐memory polymers with high elastic energy storage capacity’).

Neben dem Abstimmen der Auslösetemperatur wird das Material auch so gestaltet, daß es eine große Menge an elastischer Energie speichern kann, wodurch es während seiner Formwiederherstellung mechanische Arbeit zu leisten vermag. Beim Dehnen des Materials wird eine Kraft ausgeübt, welche seine interne Struktur kristallisieren läßt (strain-induced crystallization). Dabei entstehen Segmente, die als chains (Ketten) bezeichnet werden und sich in der spezifischen Form des Materials anordnen.

Der Schlüssel zur Entwicklung des neuen Polymers war herauszufinden, wie sich die Kristallisation steuern läßt, die auftritt, wenn das Material abgekühlt oder gedehnt wird. Wenn das Material verformt wird, werden Polymerketten lokal gedehnt und kleine Segmente des Polymers richten sich in kleinen Bereichen oder Domänen in der gleichen Richtung aus. Diese Kristallite genannten Segmente fixieren das Material in einem vorübergehend verformten Aufbau. Je mehr die Anzahl der Kristallite zunimmt, umso stabiler wird die Polymerform – womit es für das Material immer schwieriger wird, wieder in seine Ausgangs- oder Permanent-Form zurückzukehren.

Die Fähigkeit zum Abstimmen der Auslösetemperatur wird durch die Einführung molekularer  Streben erreicht, welche die einzelnen Polymerstränge miteinander verbinden. Als das Team entdeckt, daß diese Streben die Kristallisation hemmen aber nicht stoppen, wenn das Material gedehnt wird, ist es in der Lage, durch Ändern der Anzahl und Art der verwendeten Streben und wie sie im gesamten Polymernetzwerk verteilt sind die Materialstabilität einzustellen und exakt den Schmelzpunkt der Kristalle zu bestimmen, an dem die Formänderung ausgelöst wird.

Im Hinblick auf die anvisierten Verwendungsmöglichkeiten in der Medizin erforschen die Wissenschaftler, wie viele dieser Streben nötig sind, um die Umschlagtemperatur, bei der die internen Ketten kollabieren und das Material zu seiner permanenten Form zurückkehrt, auf genau 35°C einzustellen, also knapp unterhalb der Körpertemperatur. Das Material ist außerdem in der Lage Objekte anzuheben, welche das Tausendfache seiner eigenen Masse haben. Es läßt sich aber nichts darüber finden, daß sich Anthamatten später weiter damit beschäftigt hat.

Im Februar 2016 folgt eine Veröffentlichung der University of Surrey in England, wo Wissenschaftler mit Hilfe einer neuartigen Technik namens Nano-Texturierung ultradünne Graphenschichten so modifizieren, daß sie damit das bislang effizienteste lichtabsorbierende Material kreieren, das Strom sowohl aus eingefangenem Licht als auch aus Abwärme erzeugen kann.

Neben seiner hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit und bemerkenswerten mechanischen Festigkeit hat Graphen auch interessante optische Eigenschaften, da es durch viele verschiedene Lichtfrequenzen erregbar ist – vom ultravioletten und sichtbaren Licht bis über das gesamte Infrarotspektrum. Da das Graphen aber nur ein einziges Atom dick ist, erfaßt es Licht und Wärme nicht besonders effizient.

Das Team um S. Ravi P. Silva, in welchem auch Kollegen der Firmen BAE Systems und QinetiQ mitwirken, sucht die Lösung in der Natur – und nimmt sich die Augen von Motten zum Vorbild, die mikroskopische Strukturierungen aufweisen, mit denen die Insekten auch unter den dunkelsten Bedingungen sehen können. Dies geschieht, indem die winzigen, in hexagonalen Mustern angeordneten Unebenheiten auf den Augen das Licht in Richtung der Augenmitte kanalisieren, was den zusätzlichen Vorteil hat, Reflexionen zu verhindern, die sonst Räubern den Standort der Motten verraten würden.

Durch die Strukturierung des Graphen in ähnlicher Weise kann nun ein erstaunlich dünnes und effizientes lichtabsorbierendes Mehrschicht-Material geschaffen werden, mit dem sich die Lichtabsorptionsfähigkeit von nur 2 – 3 % auf fast 95 % steigern läßt. Neben der Möglichkeit, Solarzellen mit diesem Material zu beschichten und damit ihre Effizienz deutlich zu erhöhen, könnte es innerhalb des Hauses als eine Art ,intelligente Tapete’ dienen, die Abwärme aufnimmt und dafür geringe Mengen an Strom erzeugt, mit denen sich bestimmte Funktionen in zukünftigen ,intelligenten Haushalten’ versorgen ließen.

Empfehlenswert ist auch die Dissertation ,Einsatz einer thermoakustischen Wärmekraftmaschine zur Abwärmenutzung in einem Kraftfahrzeug’ von Dipl. Ing. Jörg Fritzsche an der Universität Rostock vom April 2016, die im Netz einsehbar ist und vertiefende Informationen zu den bisherigen Entwicklungen enthält.

Ebenfalls im April 2016 publizieren Forscher der Universität Mainz, des Max-Planck-Institut für Quantenoptik und der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg unter der Leitung von Prof. Kilian Singer den Artikel ,A single-atom heat engine’ über die experimentelle Realisierung einer einatomigen Wärmekraftmaschine. Bei der Umsetzung wird ein Ion in einer linearen Paul-Falle mit verjüngter Geometrie eingeschlossen und thermisch angetrieben, indem es abwechselnd an heiße und kalte Reservoire gekoppelt wird.

Die Ausgangsleistung der Einzelatommaschine wird zum Antrieb einer harmonischen Oszillation verwendet. Aus direkten Messungen der Ionendynamik können die thermodynamischen Zyklen für verschiedene Temperaturunterschiede der Reservoire bestimmt werden. Anhand dieser Zyklen werden die Leistung P und den Wirkungsgrad η des Motors ermittelt und dabei Werte bis zu P = 3,4 x 10^-22 Joule pro Sekunde und η = 0,28 % erhalten, die mit vorangegangenen analytischen Schätzungen übereinstimmen. Das klingt äußerst gering, doch Normiert man die Leistung der Einzelatommaschine auf die geringe Masse eines Atoms, ist ihre Leistung vergleichbar mit der eines Automotors.

In diesem Kontext: Bereits im Februar 2017 erscheint die Studie ,Quantum Performance of Thermal Machines over Many Cycles’ einer internationalen Forschungsgruppe, an der Physiker der Universität Innsbruck, der Universität Augsburg, der Schlesischen Universität Katowice in Polen, der University of Massachusetts, der Zhejiang University in China und des Institute for Basic Science (IBS) sowie der University of Science and Technology (UST) in Korea beteiligt sind.

Prof. Choongho Yu und seine Studentengruppe an der Texas A&M University entwickeln wiederum neues Konzept zur Speicherung elektrischer Energie, den thermisch selbstaufladbaren, flexiblen Festkörper-Superkondensator (Thermally Chargeable Supercapacitor, TCS). Dieser funktioniert, indem er thermische Energie in Form menschlicher Körperwärme oder anderer wärmeabgebender Objekte in elektrische Energie umwandelt und diese gleichzeitig speichert - zusätzlich zu der herkömmlichen elektrischen Lademethode für Kondensatoren.

Die im Juli 2016 publizierte Arbeit ,Thermally Chargeable Solid-State Supercapacitor’ beschreibt, wie das Team die Thermophorese (auch: Thermodiffusion o. Ludwig-Soret-Effekt) nutzt, der die Bewegung von Teilchen aufgrund eines Temperaturgradienten innerhalb eines Fluids bezeichnet, um durch Temperaturgefälle entlang des Superkondensators die Ionen von der heißen zur kalten Seite zu bewegen und so eine hohe thermisch induzierte Spannung zu erzeugen.

Bei einem Temperaturunterschied von nur 5°C, wie er bei tragbaren Energiegewinnungsgeräten leicht auftreten kann, erzeugt der thermisch aufladbare Superkondensator 38 mV. Die Forschung wird direkt vom Air Force Office of Scientific Research finanziert. Yu befaßt sich danach aber primär mit organischen thermoelektrischen Materialien und Bauelementen, von dem thermisch selbst aufladenden Superkondensator ist in seinem Umfeld hingegen nichts mehr zu hören.

Allerdings erscheinen im Dezember 2017 die einsehbare Studie ,Thermally chargeable supercapacitor based on nickel-coated nanoporous carbon’ eines Teams der University of California – San Diego; im Oktober 2021 der Bericht ,Thermally Chargeable All-Solid-State Supercapacitor’ von Mert Akin und Xiangyang Zhou an der University of Miami; im April 2022  die ebenfalls einsehbare Arbeit ,Superior thermal-charging supercapacitors with bio-inspired electrodes of ultra-high surface areas’ eines Teams der Nanjing University of Aeronautics and Astronautics; und im Juli 2023 publizieren Akin und Zhou mit ,Thermally Chargeable All-Solid-State Supercapacitor for Low-Grade Thermal Energy Harvesting’ einen weitere Bericht über die Entwicklung - die demnach an verschiedenen Orten weitergeht, bislang aber noch keine Umsetzungen erbracht hat.

Im August 2016 berichten Forscher der chinesischen Huazhong University of Science and Technology, daß sie eine neue, am Körper tragbare Thermozelle entwickelt haben, die auf zwei verschiedenen gelartigen Elektrolyten basiert. Die Innovation des Teams um Prof. Jun Zhou nutzt den thermogalvanischen Effekt, der erstmals um 1880 untersucht wurde, obwohl erst in den 1950er Jahren ernsthaftere Forschungen auf diesem Gebiet durchgeführt wurden.

Werden zwei Elektroden, die sich im Kontakt mit einer Elektrolytlösung oder einem Elektrolytgel befinden, auf unterschiedlicher Temperatur gehalten, baut sich eine Potentialdifferenz auf. Die Ionen eines Redoxpaares im Elektrolyten können rasch zwischen zwei verschiedenen Ladungszuständen wechseln, indem sie an den Elektroden Elektronen aufnehmen beziehungsweise abgeben.

Um dies zur Gewinnung von Strom zu nutzen, werden dem Bericht ,Wearable Thermocells Based on Gel Electrolytes for the Utilization of Body Heat’ zufolge zwei Typen von Zellen mit unterschiedlichen Redoxpaaren miteinander kombiniert. Jede Zelle besteht aus zwei winzigen Metallplättchen als Elektroden, dazwischen befindet sich das Elektrolytgel. Die Wahl der Redoxpaare bewirkt, daß bei einer Temperaturdifferenz auf der kalten Seite in Zellentyp 1 ein negatives Potential entsteht, in Typ 2 dagegen ein positives.

Zur praktischen Umsetzung wird eine Vielzahl der beiden Zellentypen in einem Schachbrettmuster angeordnet. Je zwei benachbarte Zellen werden alternierend oben und unten von einem gemeinsamen Metallplättchen bedeckt und somit alle Zellen in Reihe geschaltet. Dieses ,Schachbrett’ wird in einen Handschuh integriert - und wird dieser angezogen, entsteht eine Temperaturdifferenz zwischen den oberen und unteren Metallplättchen, wodurch eine elektrische Spannung zwischen benachbarten Zellen aufgebaut wird, die sich aufsummiert.

Bei einer Umgebungstemperatur von 5°C werden etwa 0,7 V (andere Quellen: 1 V) Spannung sowie eine Leistung von etwa 0,3 µW erreicht. Eine Reihe von Optimierungen soll nun die Leistung auch bei geringeren Temperaturdifferenzen verbessern. Die Forschungsergebnisse zeigen, daß die thermogalvanische Technologie auch ein vielversprechendes Potential als Kühlmechanismus besitzt und eine nachhaltige Alternative zur derzeit verwendeten Dampfkompressionstechnologie sein könnte.

Im Fall dieser Innovation läßt sich belegen, daß an der Huazhong University weiter daran gearbeitet wird. So erscheint im März 2025 die gemeinsam mit Kollegen des Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems der Chinesische Akademie der Wissenschaften sowie der Shandong University of Technology erstellte Studie ,Solvation entropy engineering of thermogalvanic electrolytes for efficient electrochemical refrigeration’, die über deutliche Fortschritte bei der Entwicklung der Kühltechnologie berichtet: Lag der experimentelle Kühlungseffekt von thermogalvanischen Zellen bislang bei gerade einmal 0,1°C, so kann inzwischen mit nur 0,11 W/cm² Input eine Kühlung um 1,42°C erreicht werden.

Wie im Februar 2017 bekannt wird, haben Prof. Yang Bai und seine Kollegen an der Universität Oulu in Finnland ein neuartiges Material entwickelt, das gleichzeitig Energie aus drei verschiedenen Quellen gewinnen kann: Bewegung bzw. Druck, Sonnenlicht und Wärme (,Ferroelectric, pyroelectric, and piezoelectric properties of a photovoltaic perovskite oxide’). Es basiert auf einem Perowskit-Mischkristall namens KNBNNO (o. Ba, Ni co-modifizierte KNbO₃-Nanokristalle) mit abstimmbaren Bandlücken im Energiebereich des sichtbaren Lichts sowie piezoelektrischen, ferroelektrischen und pyroelektrischen Eigenschaften.

Wie alle Perowskite ist auch KNBNNO ein ferroelektrisches Material, das mit winzigen elektrischen Dipolen gefüllt ist, die den winzigen Kompaßnadeln in einem Magneten entsprechen. Wird es Temperaturschwankungen ausgesetzt sind, richten sich die Dipole falsch aus, wodurch ein elektrischer Strom induziert wird. Je nachdem, in welche Richtung die Dipole zeigen, sammelt sich auch elektrische Ladung an. Eine Verformung des Materials führt dazu, daß bestimmte Bereiche Ladungen anziehen oder abstoßen, wodurch wiederum ein Strom erzeugt wird.

Da die auch bei Raumtemperatur erzielten Ergebnisse eine erhebliche Verbesserung im Vergleich zu anderen Zusammensetzungen wie z.B. ZnO und AlN darstellen, forscht das Team nun an einer verbesserten Version des hybriden Energiesammlers, indem es dessen Oberfläche mit Natrium behandelt. Der Prototyp soll dann innerhalb des nächsten Jahres in der Lage sein, die verschiedenen Energieformen mit hoher Effizienz zu nutzen.

Bislang ließ sich aber nichts darüber finden, daß die entsprechenden Arbeiten zu einer praktischen Umsetzung geführt haben, auch wenn Bai noch diverse weitere Publikationen veröffentlicht und sein Projekt UNIFY im Jahr 2022 vom Europäischen Forschungsrat gefördert wird.

Als periphere Information ist interessant, daß Wissenschaftler des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums gemeinsam mit Kollegen der Kent State University und der University at Albany eine neue Methode zur Kontrolle molekularer Schwingungen entwickelt haben, die Wärme übertragen. Die Kontrolle dieser Schwingungswellen in weichen Materialien wie Polymeren oder Flüssigkristallverbindungen könnte zu einer Reihe von energiebezogenen Umsetzungen führen - von thermischen und akustischen Isolatoren bis hin zu Möglichkeiten, Abwärme in Strom oder Licht in mechanische Bewegung umzuwandeln.

Die im Mai 2017 veröffentlichten Ergebnisse des Teams um Dima Bolmatov eröffnen nun den Weg, um Materialien so zu ,tunen’, daß sie den Fluß von Wärme, Schall und anderen Formen hochfrequenter Molekularschwingungen erleichtern oder umgekehrt isolieren (,Emergent Optical Phononic Modes upon Nanoscale Mesogenic Phase Transitions’).

Die Forschungen von Prof. Paul M. Thibado und seiner Gruppe an der University of Arkansas (UA), die im November 2017 bekannt werden, liefern einen deutlichen Beweis dafür, daß die Bewegung von zweidimensionalen Materialien wie Graphen als Quelle für saubere, unbegrenzte Energie genutzt werden könnte. Die Presse betitelt die Nachricht sogar mit der Aussage, „unmögliche endlose Stromquelle aus Graphen widerlegt physikalische Gesetze“. Im Vorfeld hatte Thibado gemeinsam mit Kollegen der Universität Antwerpen und der Shahid Rajaee Teacher Training University im Iran im September 2016 die Studie ,Anomalous Dynamical Behavior of Freestanding Graphene Membranes’ veröffentlicht.

Das Team stellt bei seinen Forschungen an freistehendem Graphen fest, daß sich dieses in einem ,zufriedenstellenden’ Bewegungszustand befindet - anstatt zu zerreißen oder selbst bei einer Temperatur von absolut Null zu schmelzen, wie es zweidimensionale Materialien ohne die Unterstützung eines Substrats laut den Regeln der Physik eigentlich tun müßten.

Wie sich zeigt, erklärt sich das Weiterbestehen dieser Einzelschicht von Kohlenstoffatomen, aus denen Graphen besteht, durch die Brownsche Molekularbewegung, d.h. durch kleine zufällige Fluktuationen der Kohlenstoffatome. Diese führen dazu, daß sich das Material in die dritte Dimension ausbreitet, ähnlich wie Wellen, die sich über die Oberfläche des Ozeans bewegen.

Diese Bewegungen in und aus der flachen Oberfläche heraus ermöglichen es dem Graphen, „sich an die Gesetze der Physik zu halten“, wie es die Forscher ausdrücken, die daraufhin eine Methode entwickeln, um es als bewegliche Komponente eines nanoskaligen Schaltkreises zu nutzen, der aus Vibrationen auf dem atomaren Level Energie gewinnt.

Der entsprechende Vibration Energy Harvester (VEH) umfaßt eine negativ geladene Graphenschicht, die zwischen zwei Metallelektroden hängt. Wenn das Graphen nach oben klappt, lädt sich die obere Elektrode positiv auf, und wenn es nach unten klappt, lädt sich die untere auf, wodurch ein Wechselstrom entsteht. Da es sich um eine mikroskopische Größe handelt, ist die erzeugte Energiemenge natürlich winzig. Jede einzelne Welle verformt eine Fläche von 10 nm2, und wenn diese mit einer Elektrode in Berührung kommt, erzeugt sie eine Leistung von 10 pW. Das ist weniger als ein Funke, aber die Energie steigt exponentiell an, wenn man sie auf 10 µm große Graphen-Flächen überträgt.

Ende 2017 wird ein Patent auf die Erfindung angemeldet (US-Nr. 12.163.508, erteilt 2024). Mehr über solche Technologien findet sich weiter unten bei den mechanischen Systemen.

Im Jahr 2018 wird die von Julie und Donald Meyer drei Jahre zuvor gegründete US-Firma NTS Innovations Inc. (o. Nanotube Solutions LLC) Entwicklungspartner der University of Arkansas Technology Ventures und sichert sich die exklusive Lizenz zur Entwicklung des Graphene Energy Harvesting und anderen nanoskaligen Energy-Harvesting-Technologien zu kommerziellen Produkten.

Weitere Patente in diesem Zusammenhang sind ,Energy harvesting devices and sensors, and methods of making and use thereof’ (US-Nr. 20190386584, angemeldet 2019); ,Device for Ambient Thermal and Vibration Energy Harvesting’ (US-Nr. 20210336480, angemeldet 2021); sowie ,Device for Ambient Thermal and Vibration Energy Harvesting’ (US-Nr. 20230352975, angemeldet 2023).

Im Oktober 2020 folgt die Veröffentlichung ,Fluctuation-induced current from freestanding graphene’, an der neben Thibado auch Kollegen der New York University, der University of Pennsylvania, der Universidad Carlos III de Madrid sowie der Universidad de Granada beteiligt sind. Der darin vorgestellte Schaltkreis-Prototyp ist der Beweis für die vor drei Jahren entwickelte Theorie. Das nächste Ziel des Teams ist es, herauszufinden, ob der Strom in einem Kondensator zur späteren Verwendung gespeichert werden kann.

In einer Publikation vom August 2023 unter dem Titel ,Charging capacitors from thermal fluctuations using diodes’, an der diesmal auch Forscher der University of California, Berkeley mitwirken, werden die weiteren diesbezüglichen Arbeiten beschrieben. Demnach erzeugen die thermischen Fluktuationen, wenn sie an einen Schaltkreis mit Dioden mit nicht-linearem Widerstand und Speicherkondensatoren angeschlossen sind, nützliche Arbeit, indem sie letztere aufladen, wobei die Schaltung Energie aus der thermischen Umgebung bezieht.

Die weiteren Bemühungen konzentrieren sich nun auf den Bau eines Geräts, das Graphene Energy Harvester (GEH) genannt wird. Erleichtert wird dies durch einen fünfjährigen Zuschuß der WoodNext Foundation in Höhe von 904.000 $, dieThibado im Januar 2024 erhält.

Weiter mit der allgemeinen Chronologie: Wie im April 2018 berichtet wird, haben Materialwissenschaftler der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg (RKA), der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH) und der Université de Strasbourg (Unistra) in Frankreich einen Motor und Energiespeicher gebaut, der lediglich aus einer einzigen Komponente besteht. Der minimalistische Ansatz setzt nicht auf komplexe High-Tech-Materialien, sondern basiert darauf, wie die Geometrie und Topologie eines Materialstücks zu einer intelligenten Funktion, etwa einer Drehbewegung, führen kann (,Motorizing fibres with geometric zero-energy modes’).

Dies gelingt dem Team um Falko Ziebert und Igor M. Kulić mit einer vorgespannten, elastischen Polymerfaser, die zu einem Ring geformt und mit Hilfe einer äußeren Energiezufuhr zum Rotieren gebracht wird. Im Gegensatz zum klassischen starren Rad mit fester Achse bildet sich bei diesem ,eingebetteten Rad’ (wheel within) eine elastische Verformungswelle aus, die sich im Material bewegt.

Die zu Ringen geschlossenen Polymerfasern zeigen eine Selbstaktivierung und kontinuierliche Bewegung, wenn sie zwischen zwei Wärmebädern plaziert werden. Ihr Antrieb erfolgt durch einfaches Heizen, das eine thermische Ausdehnung des Materials bewirkt, ähnlich wie bei der thermischen Konvektionsströmung in der Atmosphäre, die Wetter und Klima mitbestimmt. Das Drehmoment kommt dabei durch die Wechselwirkung dieser thermischen Deformation mit der vorgegebenen Deformation der Ringgeometrie zustande.

Damit haben die Wissenschaftler ein sehr einfaches Prinzip entdeckt, um polymere Materialien, wie etwa Nylonfäden oder ein Gummibänder, spontan in Bewegung zu setzen. Es bildet die Grundlage für weiterführende Forschungen, die u.a. zu neuen Geräten mit robusten, selbst-bewegten Elementen führen sollen, beispielsweise in Form künstlicher Muskeln.

In diesem Zusammenhang sei auch auf die vollständig einsehbare Studie ,Light-steerable locomotion using zero-elastic-energy modes’ eines Teams der finnischen Tampere University um Hao Zeng verwiesen, die im Oktober 2024 erscheint. In dem gemeinsam mit Kai Li von der Anhui Jianzhu University in China verfaßten Bericht wird ein mit Licht gespeister, weicher Flüssigkristall-Elastomer-Torus mit selbsterhaltender Bewegung beschrieben, dessen seitliche und vertikale Fortbewegung in verschiedenen trockenen und flüssigen Umgebungen durch Ausnutzung der dynamischen Reibung oder des Luftwiderstandes optisch gesteuert werden kann.

Im Mai 2018 folgt ein Bericht von Ingenieuren des California Institute of Technology (Caltech) und der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH) um Kristina Shea und Osama Bilal, die einen kabellosen, schwimmenden Robot konstruiert haben, der durch Materialverformung als Reaktion auf Temperaturschwankungen angetrieben wird. Das etwa 7,5 cm lange Mini-U-Boot soll mittelfristig Aufgaben unter Wasser übernehmen und einprogrammierte Aufgaben ohne Elektronik, Kontroller oder Stromquellen an Bord bewältigen.

Der Prototyp, der komplett aus dem 3D-Drucker kommt, besitzt ein neu entwickeltes System aus Paddeln, die jeweils aus zwei Streifen eines temperaturempfindlichen Formgedächtnis-Polymers bestehen und dem U-Boot als ,Muskelantrieb’ dienen. Bei Temperaturunterschieden ändert sich die Krümmung der Paddel, woraus ein Vortrieb entsteht. Im kalten Zustand ist dieses Material von Natur aus gewellt, aber sobald es sich erwärmt, glättet es sich, dehnt es sich aus und bewegt das Ruder.

Da dickere Polymerstreifen länger brauchen, um sich zu erwärmen, können sie fein abgestimmt werden, um eine Reihe von Bewegungen in einer bestimmten Reihenfolge auszuführen, wobei unterschiedliche Dicken verwendet werden. Im Experiment wird das Vehikel so programmiert, daß es autonom eine kleine Fracht transportiert, am Ziel abliefert und dann zum Ausgangspunkt zurückkehrt. Hierzu besitzt es einen Greifer, der ebenfalls aus Formgedächtnis-Material besteht. Der entsprechende Artikel unter dem Titel ,Harnessing bistability for directional propulsion of soft, untethered robots’ ist im Netz einsehbar.

Ebenfalls im Mai publizieren Forscher um Paul S. Davids an den Sandia National Laboratories die Studie ,Power Generation from a Radiative Thermal Source Using a Large-Area Infrared Rectenna’ über die Entwicklung eines winzigen Geräts auf Siliziumbasis, das Abwärme auffangen und in elektrischen Strom umwandeln kann. Hierzu wird eine großflächige Gleichrichterantenne (Rectenna) aus Aluminium, Silizium und Siliziumdioxid eingesetzt, die unter Verwendung von Standardverfahren der integrierten Schaltkreisindustrie hergestellt ist.

Das Team um Davids befaßt sich schon seit mehreren Jahren mit derartigen Rectennas, wie z.B. aus der im September 2015 publizierten Arbeit ,Infrared rectification in a nanoantenna-coupled metal-oxide-semiconductor tunnel diode’ hervorgeht.

Das neue Gerät ist kleiner als ein Fingernagel, mißt etwa 0,32 cm im Quadrat und ist halb so dick wie ein Zehncentstück. Die Oberseite besteht aus Aluminium, in das Streifen geätzt sind, die etwa 20 Mal kleiner sind als die Breite eines menschlichen Haares. Zwischen der Aluminium-Oberseite und der Unterseite aus Silizium befindet sich eine etwa 20 Atome dünne Schicht aus Siliziumdioxid. Die strukturierte und geätzte Aluminiumantenne leitet die Infrarotstrahlung in diese dünne Schicht.

Die im Siliziumdioxid eingefangene Infrarotstrahlung erzeugt sehr schnelle elektrische Schwingungen, etwa 50 Billionen Mal pro Sekunde. Dadurch werden Elektronen zwischen dem Aluminium und dem Silizium asymmetrisch hin- und hergeschoben und durch den Prozeß der Gleichrichtung elektrischer Gleichstrom erzeugt. Bei Bestrahlung durch eine temperaturstabilisierte Wärmequelle von 450°C erzeugt die Festkörper-Infrarot-Rectenna ohne bewegliche Teile eine Leistungsdichte von 8 nW/cm².

Das Team hat bereits ein Patent für die Infrarot-Rectenna erhalten und mehrere weitere Patente angemeldet. Nun soll im Laufe der nächsten fünf Jahre eine kompakte Infrarotenergieversorgung entstehen, die vielleicht die thermoelektrischen Radioisotopengeneratoren (RTGs) ersetzen wird, die bislang bei Weltraummissionen zum Einsatz kommen, bei denen nicht genug direktes Sonnenlicht zur Verfügung steht, um Solarzellen zu betreiben.

Forscher der University of Colorado Boulder arbeiten wiederum an einem neuen Material, das auf Licht und Wärme reagiert, indem es zwischen komplexen, vorprogrammierten Formen wechselt. Wie aus dem im August 2018 veröffentlichten und im Netz einsehbaren Bericht ,A readily programmable, fully reversible shape-switching material’ hervorgeht, gelingt es dem Team unter der Leitung von Prof. Christopher Bowman die Einschränkungen anderer formveränderlicher Materialien zu überwinden, indem es einen Flüssigkristall-Elastomer (LCE) verwendet.

Diese leicht vernetzten flüssigkristallinen Polymernetzwerke, die sowohl die Elastizität eines Elastomers als auch die Selbstorganisation eines Flüssigkristalls besitzen, sind außerdem wärme- und lichtempfindlich, so daß sie sich auf makroskopischer Ebene programmieren lassen. Dies wird erreicht, indem ein lichtaktivierter Auslöser in die LCE-Netzwerke integriert wird, der auf bestimmte Wellenlängen des Lichts reagiert und die Molekularstruktur veranlaßt, sich neu zu ordnen.

Sobald das Objekt seine Form ändert, wird der Auslöser gesperrt. Wird er durch einen entsprechenden Wärmereiz reaktiviert, kehrt das Objekt in seine ursprüngliche Form zurück. Als Beispiel präsentiert das Team einen Origami-Schwan, der sich in ein flaches Blatt verwandelt, wenn er auf 93°C erhitzt wird, und wieder seine Schwanenform annimmt, sobald er abkühlt.

Ein Team der National University of Singapore (NUS), der Agency for Science Technology and Research (A*STAR) in Singapur und der Sungkyunkwan University (SKKU) in Korea publiziert im August 2018 die leider nicht offen einsehbare Arbeit ,In-built thermo-mechanical cooperative feedback mechanism for self-propelled multimodal locomotion and electricity generation’, in welcher ein weiches thermomechano-elektrisches System (TMES) beschrieben wird, das die normalerweise als ,nicht nützlich’ abgetane minderwertige Wärme (~ 23 - 65°C) als Treibstoff verwendet, um ständige und ungebundene multimodale Fortbewegung zu ermöglichen.

Ein thermomechanisches Feedback erzeugt selbsttragende Oszillationen durch Wärmeausdehnung und Steifigkeitsänderungen im Material (PVDF mit Kohlenstoffnanoröhren), wobei die Bewegung zu pyroelektrischen (Temperaturgradienten) und piezoelektrischen (mechanische Verformung) Effekten führt, die Strom erzeugen. Während der Oszillationen generiert der Roboter bis zu 67 V und 145 nA aus der Umgebungswärme. Damit wird bei einem Praxistest ein Kondensator aufgeladen und eine rote LED betrieben.

Die elastische Fortbewegung des TMES-Bot synchronisiert selbstgesteuerte und selbstaufrechterhaltene Temperaturschwankungen und mechanische Beweglichkeit ohne externe Stimulusänderung und ermöglicht die gleichzeitige Gewinnung thermomechanischer Energie an der Schnittstelle zwischen Pyro- und Piezoelektrik. Auf den veröffentlichten Abbildungen ist zu sehen, wie sich der Roboter bei Kontakt mit einer heißen Oberfläche einrollt und Oszillationen, Rotationen oder Rollbewegungen vollführt, um sich zu befreien. So formt sich ein umgekippter Roboter beispielsweise binnen Sekunden zu einem ,Rad’ und rollt weg.

Im April 2019 publiziert ein Team von Wissenschaftlern der Stanford University eine überraschende Studie, in welcher zum ersten Mal nachgewiesen wird, wie eine meßbare Menge an Elektrizität in einer Diode direkt aus der Kälte des Universums erzeugt werden kann. Das neue Gerät, dessen Kern eine auf den Himmel gerichtete Infrarot-Fotodiode ist, gewinnt die Energie letztlich aus dem Temperaturunterschied zwischen der Erde und den Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt im tiefen Weltraum.

Die Energiemenge, die mit der ,negativen Beleuchtungsdiode’ erzeugt wird, liegt mit etwa 64 nW/m² zwar noch weit unter dem theoretischen Grenzwert, bildet aber den Konzeptnachweis der Methode, die nun durch eine Verbesserung der quantenoptoelektronischen Eigenschaften der verwendeten Materialien weiterentwickelt werden soll. Berechnungen zeigen, daß das aktuelle Gerät unter Berücksichtigung atmosphärischer Effekte theoretisch 3,99 W/m² erzeugen kann.

Die Arbeit des Teams um Shanhui Fan und Masashi Ono unter dem Titel ,Experimental demonstration of energy harvesting from the sky using the negative illumination effect of a semiconductor photodiode’ ist im Netz einsehbar.

Fan veröffentlicht dann gemeinsam mit Aaswath P. Raman von der University of California, Los Angeles (UCLA) im November die einsehbare Studie ,Generating Light from Darkness’, bei der es um einen kostengünstigen thermoelektrischen Generator geht, der nachts Energie aus der Kälte des Weltraums erzeugen kann. Bei der Recherche zeigte sich, daß Fan, Raman und weitere Kollegen schon seit mehreren Jahren an der Strahlungskühlung arbeiten, wie beispielsweise die im November 2014 veröffentlichte Studie ,Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight’ belegt.

In dem aktuellen Bericht wird ein thermoelektrischer Generator beschrieben, dessen Aufbau eine Aluminiumscheibe umfaßt, die auf einer Seite schwarz gestrichen ist. Mit dem Gerät, dessen Teile aus dem Baumarkt stammen und zusammen weniger als 30 $ kosten, lassen sich bis zu 25 mW/m² erzeugen – immerhin genug für eine einzelne LED. Mit besseren Komponenten sollten etwa 0,5 W/m² möglich sein.

In der im August 2020 erscheinenden Studie ,Maximal nighttime electrical power generation via optimal radiative cooling’ berichten die Forscher unter der Leitung von Fan über ihren Arbeiten, um jeden Schritt der thermoelektrischen Stromerzeugung zu optimieren. Um den Ertrag zu maximieren wird die Energiegewinnung so verbessert, daß mehr Wärme aus der Umgebungsluft in das System fließt, es werden neue thermoelektrische Materialien eingesetzt und es wird ein selektiver Emitter entwickelt, der an der kühlen Seite des Geräts angebracht ist, um die überschüssige Wärme effizienter abzuführen.

Die Forscher demonstrieren den neuen Ansatz mit Hilfe von Computermodellen, die ein System mit realistischen physikalischen Parametern simulieren. Mit einem entsprechenden Gerät zur nächtlichen Stromerzeugung, das auf einem Dach installiert wird, können demnach 2,2 W/m² erzeugt werden. Neben der Durchführung von Experimenten untersuchen die Forscher nun auch einen Einsatz während des Tages, was die praktischen Anwendungsmöglichkeiten des Systems stark erweitern würde.

Über diverse Umsetzungen der Strahlungskühlung im urbanen Bereich findet sich mehr unter dem Schwerpunkt Cool Roof / White Roof.

In diesem Zusammenhang sei auch auf Prof. Mathieu Francoeur an der University of Utah (UU) hingewiesen, der mit seiner Gruppe im Juli 2019 den Artikel ,A near-field radiative heat transfer device’ über ein Nahfeld-Wärmeübertragungsgerät veröffentlicht, das die theoretische Schwarzkörpergrenze durchbricht und mehr Strom aus Wärme erzeugt als gedacht. Die Forscher berichten über eine maximale NFRHT-Verstärkung (near-field radiative heat transfer) von ca. 28,5 über der Schwarzkörpergrenze.

Diese Schwarzkörpergrenze, die im Jahr 1900 von dem deutschen Physiker Max Planck formuliert wurde, ist eine Theorie, die die maximale Energiemenge beschreibt, die durch Wärmestrahlung übertragen werden kann. Wenn sich Objekte jedoch extrem nahe kommen, bricht das Gesetz zusammen und die Wärmeübertragung von einem Objekt zum anderen nimmt exponentiell zu. Je näher die Objekte beieinander liegen, desto besser ist die Energieübertragung, aber die mechanische Schwierigkeit, zwei Objekte so nah wie möglich aneinander zu halten, ohne daß sie sich berühren, war bislang eine große Herausforderung.

Das Team präsentiert nun einen winzigen 5 x 5 mm kleinen Chip, der aus zwei Siliziumscheiben mit einem stabilen Abstand von ca. 110 nm besteht und in einem Vakuum gehalten wird. Wird dann einer der Wafer erhitzt und der andere abgekühlte, entsteht ein Wärmefluß, der zur Erzeugung von elektrischem Strom genutzt werden kann. Die Methode der Stromerzeugung durch Wärmestrom ist an sich nicht neu, wohl aber die Technik des UU-Teams, um einen derartig mikroskopisch engen, gleichmäßigen Abstand zwischen den Siliziumscheiben aufrechtzuerhalten.

Die Bauelemente verwenden Mikrosäulen, die den Hochtemperatursender und den Niedertemperaturempfänger trennen und in mikrometertiefen Gruben hergestellt werden. Diese Mikrosäulen, die 4,5 - 45 Mal länger sind als der nanoskalige Vakuumabstand, in dem die Strahlungsübertragung stattfindet, minimieren die parasitäre Wärmeleitung, ohne die strukturelle Integrität des Bauelements zu beeinträchtigen.

Für weitere Recherchen in Bezug auf die Nahfeld-Wärmeübertragung sei auf vier im Netz einsehbare Artikel aus den Folgejahren verwiesen: ,Integrated near-field thermo-photovoltaics for heat recycling’ von der Columbia University vom Mai 2020; ,Toward applications of near-field radiative heat transfer with micro-hotplates’ von der kanadischen Université de Sherbrooke vom Juli 2021; ,Near-field thermophotovoltaics for efficient heat to electricity conversion at high power density’ von der University of Michigan, ebenfalls vom Juli 2021; sowie aus gleicher Quelle ,A nanoscale photonic thermal transistor for sub-second heat flow switching’ vom Juli 2024.

 

Weiter mit der Wärme...