TEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

Mechanische Systeme

Weitere Technologien (II)

Wissenschaftler der University of Texas in Dallas um die Professoren Jiyoung Kim und Kyeongjae Cho haben nach Berichten vom Oktober 2014 eineTechnologie geschaffen, welche die Leistung eines einzelnen Elektrons anzapft, um den Energieverbrauch innerhalb von Transistoren zu steuern. Mit im Team sind auch Kollegen der Lam Research Corporation in Kalifornien, der Nankai University in China, der University of Michigan und der University of Texas in Arlington.

Die Forscher hatten festgestellt, daß bei Hinzufügen einer Atom-dünnen Schicht eines Chromoxid-Dünnfilms zu einem Transistor, diese Schicht als Filter gegenüber der Energie wirkt, die bei Raumtemperatur durch den Transistor fließt. Das Signal, das von der Vorrichtung resultiert, ist sechs bis sieben mal steiler als bei herkömmlichen Geräten. Was bei einem gleichstarken Signal weniger Spannung verbraucht.

Das Erschließen des einzigartigen und subtilen Verhaltens eines einzelnen Elektrons ist die energieeffiziente Art und Weise, Signale in elektronischen Geräten zu übertragen. Da das Signal so klein ist, kann es leicht durch thermisches Rauschen bei Raumtemperatur ,verdünnt’ werden. Um dieses Quantensignal sehen zu können, verwenden die Ingenieure und Wissenschaftler in der Regel externe Kühltechniken, welche die Wärmeenergie in der Elektronenumgebung kompensieren. Der neue Filter bietet nun einen weiteren Weg, um das thermische Rauschen effektiv herauszufiltern.

Eine der verwendeten Innovationen, um diese Technologie zu schaffen, ist die vertikale Schichtung des System, die praktikabler ist, wenn die Geräte kleiner werden. Hierbei fließt der Strom von oben nach unten, statt wie traditionell von links nach rechts. Die Testergebnisse im Labor zeigen, daß damit bei Raumtemperatur eine Elektronen-Signalstärke erreicht wie, wie sie in herkömmlichen Vorrichtungen erst bei bei minus 192°C gelingt. Außerdem behält das Signal alle seine anderen Eigenschaften bei.

Cho, der fortgeschrittene Modellierungstechniken verwendet, um die Labor-Phänomene zu erklären, weist darauf hin, daß die Kühlung der thermischen Ausbreitung in modernen Transistoren die Grenze dafür bildet, wie klein die Elektronik hergestellt werden kann. Mit der neuen Technik, um die Elektronen intern zu kühlen, was zudem eine Reduzierung der Betriebsspannung ermöglicht, können somit kleinere und energieeffizientere Geräte geschaffen werden. Diese Arbeit wird vom Office of Naval Research und der National Science Foundation finanziert.

Im September 2014 erhält der Erfinder Harold J. Goldbaum aus Vero Beach, Florida, das Patent für ein ,Electromagnetic induction device for generation of electrical power’ (US-Nr. 8.847.720, angemeldet 2012), dessen Funktion ausschließlich auf bekannten elektromagnetischen Phänomenen basiert, die bislang aber noch nicht angewendet worden sind, wie der Beschreibung zu entnehmen ist.

Mit dem Konzept seiner elektromagnetischen Induktions-Vorrichtung zur Erzeugung von Elektrizität beteiligt sich Goldbaum auch am Create the Future Design Contest der NASA des Jahres 2014 – erhält dort aber Null Stimmen. Da ich die Erklärungen zum Aufbau und zur Funktion nicht nachvollziehen konnte, verweise ich bei Interesse auf das genannte Patent.

Im Dezember 2014 meldet die Presse, daß Prof. Trisha Andrew Milliarden von Wattstunden einsparen will, indem sie so gut wie jedes existierende elektronische Gerät revolutioniert. Dies soll durch die Steuerung des Elektronenspins erreichen lassen – wobei die Geräte heruntergefahren werden, wenn der richtige Spin fehlt.

Andrew hatte bereits eine lange Reihe von Auszeichnungen erhalten, bevor sie im Jahr 2010 begann, an der University of Wisconsin-Madison zu arbeiten. Im Jahr 2013 erhielt sie den 3M Non-Tenured Faculty Award, und im Oktober dieses Jahres wurde sie zum Packard Fellow für Wissenschaft und Technik ernannt. Die  Auszeichnung in Höhe von 875.000 $ wird nun dazu beitragen, ihre Forschungen fünf Jahre lang zu finanzieren.

Das Problem bei der Verschwendung von Strom in elektronischen Geräten begründet die Wissenschaftlerin mit einem quantenmechanischen Phänomen namens Tunneleffekt. Solange die Geräte eingesteckt sind – auch wenn der Netzschalter ausgeschaltet ist – besteht eine geschlossene Schaltung, die Leckstrom zieht. Da dies in jedem Transistor in jedem Gerät geschieht, würde dies zu jeder Zeit etwa 5 % des gesamten weltweiten Stromverbrauchs verbrauchen.

Da Elektronen ein Charakteristikum aufweisen, das Spin genannt wird, soll es durch eine Änderung der Struktur der elektronischen Schaltung, bei der nur Strom der einen Spinrichtung oder der anderen passiert, möglich sein den Strom zu steuern und die Leckage zu verhindern. Was natürlich erfordern würde, jedes Bit der Elektronik neu zu konfigurieren.

Der Forscher Jing Liu und seine Kollegen von der Tsinghua University in Peking berichten im März 2015 über die Entwicklung eines Motors aus Flüssig-Metall, der sich von selbst fortbewegt und nicht auf externe Energiequellen angewiesen ist. Durch Zugabe von Strom ist der kugelähnliche Motor zudem in der Lage, seine Gestalt beliebig zu verändern. Wird der Strom abgeschaltet, verwandelt sich der Motor wieder in seine Ausgangsform zurück – was in den Blogs natürlich sofort mit dem gefürchteten Cyborg T1000 aus dem Film Terminator 2 in Verbindung gebracht wird, der ebenfalls eine beliebige Gestalt annehmen kann.

Bei dem aktuellen Durchbruch kommt ein Gemisch aus Gallium, Zinn und Indium zum Einsatz, das dafür sorgt, daß das Metall bei Raumtemperatur flüssig ist. Wird das Gemisch in eine Natriumhydroxid- oder Kochsalzlösung befördert und trifft dort auf Aluminium-Flocken, bewegt es sich etwa eine Stunde lang von alleine, ohne daß dafür äußere Einflüsse benötigt werden. Die beiden Zusatzstoffe können folglich als Treibstoff angesehen werden.

Das Gemisch kann sich dabei in einer geraden Linie bewegen, im Kreis entlang der Innenseite einer runden Schale, oder sich durch komplexe Formen hindurch quetschen, wobei der Motor perfekt die Bewegungen natürlicher Organismen nachahmt. Bei den Experimente zeigt sich, daß zwei Mechanismen für die Bewegung verantwortlich sind. So stammt ein Teil des Schubs aus einem Ladungsungleichgewicht in dem Tropfen, das wiederum zu einer Druckdifferenz zwischen der Vorderseite und der Rückseite führt und den Tropfen nach vorne drückt. Außerdem reagiert das Aluminium mit dem Natriumhydroxid, wobei Wasserstoffblasen freigesetzt werden, die den Tropfen noch schneller werden lassen.

Zum Einsatz kommen sollen die neuen Flüssigmetall-Motoren vorranngig als selbstangetriebene Wasserpumpen, die kaltes Wasser durch Kühlanlagen befördern. Forscher am Royal Melbourne Institute of Technology University hatten schon im Januar 2014 gezeigt, daß ein stationärer Galliumtropfen als Pumpe wirken kann, wenn er in einem elektrischen Feld plaziert wird. Das Tsinghua-Team entwickelt diese Idee nun weiter und kann zeigen, daß der neue selbstangetriebene Motor ebenfalls als Pumpe agiert und pro Sekunde etwa 50 ml Wasser befördern kann, wenn er fixiert wird.

Daß der weltweit kleinste Motor von nur einem einzigen Atom angetrieben werden kann, meldet ein Team deutscher Physiker der Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) um Prof. Kilian Singer und Johannes Roßnagel im April 2016. Die neuartige Wärmekraftmaschine wurde in der Arbeitsgruppe QUANTUM am Institut für Physik der JGU aufgebaut und in Zusammenarbeit mit theoretischen Physikern der Universität Erlangen-Nürnberg realisiert.

Die Wissenschaftler nutzen eine sogenannte Paul-Falle, um ein einzelnes, elektrisch geladenes Kalzium-Atom zu speichern, das dann durch elektrisches Rauschen geheizt und mittels Laserstrahlen gekühlt wird. Dadurch durchläuft es einen thermodynamischen Kreisprozeß, vergleichbar mit den Abläufen im Zylinder eines klassischen Motors. Die erzeugte Leistung wird in eine Schwingung des Atoms umgesetzt, womit das Atom gleichermaßen die Rolle des Motors und des Energiespeichers spielt.

In ausführlichen Meßreihen können die Physiker das thermodynamische Verhalten des Ein-Atom-Motors charakterisieren: So liefert dieser eine Leistung von 10^-22 W und hat eine Effizienz von 0,3 %. Bezogen auf die geringe Masse eines Atoms ist diese Leistung vergleichbar mit der eines Automotors, auch wenn der Wirkungsgrad bislang noch wesentlich geringer ist. Durch die Umkehr des Kreisprozesses kann die Maschine auch noch als einatomiger Kühlschrank betrieben werden und angekoppelte Nanosysteme kühlen.

Besonders wichtig an diesen Forschungen ist aber, daß die Realisierung eines solchen Nanomotors auch einen Einblick in die Thermodynamik einzelner Teilchen erlaubt. In Zukunft ist daher geplant, die Arbeitstemperatur der Maschine weiter abzusenken und die thermodynamischen Quanteneffekte zu untersuchen. In theoretischen Arbeiten wird zudem vorgeschlagen, die Leistung des Motors durch die Kopplung an ein Quantenbad zu steigern.

Das durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und die VolkswagenStiftung geförderte Projekt bietet somit vielfältige Möglichkeiten, über die Paradigmen der klassischen Thermodynamik hinauszugehen und neuartige Motoren zu bauen.

Im Mai 2016 kursieren in den Blogs Abbildung eines autarken Brandbekämpfungssystems, welches als Energiequelle das Feuer selbst verwendet.

Der Sea-Can des Erfinders Eddie Paul besteht aus einem Container voll mit feuerhemmendem Schaum und einer Spritzpumpe, die durch die Hitze des Feuers aktiviert und mit Strom versorgt wird. Die Form eines Containers ist ideal dafür, um schnell und einfach per LKW, Schiff oder Hubschrauber zu dem Punkt gebracht zu werden, wo das System gebraucht wird.

Dieses ruht am Boden, bis durch das Feuer die direkte Umgebungstemperatur auf knapp 95°C ansteigt. An diesem Punkt fallen die Seitenteile nach unten und eine Reihe von Düsen steigen aus dem Dach hervor. Die Seitenteile sind über ihre gesamte Fläche mit Kupferrohren bestückt, in denen Wasser zu kochen beginnt, sobald in diesen Rohren eine Temperatur von 100°C erreicht wird.

Nur durch die Hitze ,befeuert’ treibt das kochende Wasser eine ebenfalls von Paul erfundene und patentierte hocheffiziente, kompakte und einfache Dampfpumpe namens Cylindrical Energy Module (CEM)  an, die aus den oberen Düsen feuerhemmenden CAFS-Schaum versprüht (= Compressed Air Foam System), welcher ein Bereich von 150 m im Durchmesser bedeckt. Der Schaum wird solange gepumpt, bis der Nachschub erschöpft ist oder die Hitze des Feuer unter die Siedeschwelle des Wassers in den Kupferrohren sinkt.

Ein besonderer Vorteil ist, daß das System ohne Wartung jahrelang an Ort und Stelle in Bereitschaft bleibt und auch keinen externen Kraftstoff benötigt. Und da das selbsttätige Öffnen und die Löschfunktion ohne menschliches Eingreifen erfolgen, braucht sich auch niemand in Gefahr zu bringen, um es zu aktivieren.

Im gleichen Monat stellen Forscher des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme in Stuttgart in Zusammenarbeit mit Kollegen des Institute for Bioengineering of Catalonia (IBEC) in Barcelona und der Nanyang Technological University in Singapur einen neu entwickelten, röhrenförmigen Mikroroboter vor, kleiner als ein menschliches Haar breit ist, der eine billigere und effektivere Methode zur Entfernung von Schwermetallen aus dem Wasser bietet, als bisherige Verfahren.

Bei ihrem Machbarkeitsnachweis konzentrieren sich die Wissenschaftler um Sámuel Sánchez zunächst auf die Entfernung von Blei, das als wichtiger und häufiger Abwasser-Schadstoff auftritt. Die ersten selbstangetriebenen Mikroroboter verwenden daher eine Außenhülle aus Graphenoxid, welche die Blei-Ionen bindet, mit denen sie in Berührung kommt.

Mit rund 400.000 Mikrobots pro Milliliter gelingt es, Blei aus 3 ml Industrieabwasser zu adsorbieren und das Niveau von 1.000 ppm (Teilchen pro Milliarde) in nur einer Stunde um mehr als 95 % auf unter 50 ppm zu reduzieren.

Da die innere Platinschicht der Roboter als Antrieb und zerfallendes Wasserstoffperoxid als Treibstoff funktioniert, können sich diese selbst antreiben. Wird dem Abwasser nämlich Wasserstoffperoxid zugesetzt, zersetzt das Platin dieses zu harmlosem Wasser und Sauerstoffblasen, welche von der Rückseite des Mikroroboters zu dessen Antrieb ausgestoßen werden.

Zwischen dem Graphenoxid und den Platinschichten befindet sich als dritte Funktionsschicht eine aus Nickel, die es den Forschern ermöglicht, die Bewegung und Richtung der Mikroroboter magnetisch von außen zu steuern. Ein Magnetfeld kann auch verwendet werden, um sie alle aus dem Wasser zu sammeln, wenn sie ihre Reinigungsarbeit beendet haben. Besonders interessant: Das Blei kann zum Recycling entnommen werden, indem die Bots mit einer sauren Lösung behandelt werden, sodaß sich die Mikroroboter auch immer wieder verwenden lassen – möglicherweise monatelang –, bis sie beginnen beschädigt auszusehen.

Neben dem Abfangen von Schwermetallverunreinigungen studieren die Forscher auch selbstangetriebene Microbots, die in der Lage sind organische Verschmutzungen abzubauen. Außerdem wollen sie daran arbeiten, sie in großen Mengen herstellen zu können – und  die Kosten für ihre Herstellung zu senken.

Ebenfalls im April 2016 berichten der Chemiker Paul Cherukuri und sein Team an der Rice University in Texas über eine neue Technik zur Selbstorganisation von Nanoröhrchen, die zudem auch noch interessante energetische Aspekte aufweist. Weitere Mitglieder dieses Teams kommen von der University of Tennessee - Chattanooga sowie der Texas A&M University.

Für die Teslaphorese genannte Methode bauen die Forscher einen Tesla-Transformator um, ein Gerät, mit dem die Universitäten sonst Blitze demonstrieren, das bisher jedoch keine praktische Anwendung hatte (da man die wissenschaftlichen Erkenntnisse, die sich mit dem Namen Nikola Tesla verbinden, nach dessen Tod erfolgreich hat verschwinden lassen).

Als das Team Kohlenstoff-Nanoröhrchen in das elektromagnetische Feld des Transformators gibt, bilden sich aus kleinen Mengen der Nanoröhrchen plötzlich spinnwebartige Gebilde. Daß sich selbst große Moleküle wie Proteine in elektrischen Feldern ausrichten, ist nicht neu. Überraschend ist jedoch, daß sich ganze Strukturen über große Distanzen von bis zu 15 cm hinweg bilden können.

Grund für die Selbstorganisation der Partikel sind elektrische Ladungen, die durch das elektrische Feld in jedem Nanoröhrchen entstehen. Jenes Ende eines Nanoröhrchens, das dadurch positiv geladen wird, zieht dann das negativ geladene Ende eines anderen Nanoröhrchens an.

Ein weiteres Ergebnis der Rice-Forschungsgruppe zeigt, daß die Kohlenstoff-Nanoröhren wie Antennen die Energie des elektrischen Felds des Transformators aufnehmen. Wenn sie dann zu langen Drähten zusammenwachsen, können sie sogar zwei kleine LEDs miteinander verbinden und zum Leuchten bringen.

Genau dafür hatte Nikola Tesla übrigens seinen Tesla-Transformator einst erdacht: zur drahtlosen Stromübertragung. Ein Thema, das in einem eigenen Kapitelteil noch ausführlich behandelt werden soll (in Arbeit).

 

Weiter mit den bionischen Kontaktlinsen...