Thermoelastic Harvesting Outperforming Thermoelectric Generators Below 100 {\deg}C

Stellen Sie sich vor, die Welt betreibt eine riesige, unsichtbare Heizung. Jedes Mal, wenn wir einen Computer einschalten, ein Auto fahren oder auch nur herumlaufen, erzeugen wir Wärme. Ein Großteil dieser Wärme ist „niedriggradig“, was bedeutet, dass sie nicht heiß genug ist, um Wasser für eine Dampfmaschine zum Kochen zu bringen, aber es handelt sich dennoch um eine gewaltige Menge an Energie, die wir normalerweise einfach in die Luft entweichen lassen. Wissenschaftler nennen dies „Abwärme“, und im Moment haben wir ein großes Problem: Wir haben keinen guten Weg, sie aufzufangen und wieder in Elektrizität umzuwandeln. Die Geräte, die wir besitzen, wie etwa thermoelektrische Generatoren, sind wie der Versuch, Regen mit einem Thimble (einem kleinen Becher) aufzufangen – sie funktionieren zwar, aber sie sind langsam, teuer und bestehen oft aus seltenen Materialien.

Um dieses Problem zu lösen, untersuchen Forscher eine besondere Familie von Materialien, die „Ferroika“ genannt werden. Betrachten Sie diese Materialien als Gestaltwandler. Wenn man sie aufheizt oder abkühlt, verändern sie nicht nur ihre Temperatur, sondern auch ihre interne Struktur, was dazu führt, dass sie sich dehnen, zusammenziehen oder ihre magnetische Anziehungskraft verändern. Das ist wie ein Zaubertrick, bei dem ein Metalldraht plötzlich beschließt zu wachsen oder zu schrumpfen, nur weil sich die Temperatur geändert hat. Wenn wir diese „Muskelkraft“ nutzen könnten, um einen Kolben zu drücken oder ein Rad zu drehen, könnten wir diese verschwendete Wärme in nützliche Energie umwandeln. Die große Frage ist: Können wir eine Maschine bauen, die dies effizient genug tut, um nützlich zu sein?

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Der gestaltwandelnde Draht, der Abwärme einfängt

In einer Welt voller verschwendeter Energie hat ein Team von Wissenschaftlern eine Maschine gebaut, die wie eine hochtechnologische Wippe funktioniert und spezielle Drähte nutzt, um Niedrigtemperatur-Wärme (unter 100 °C) in Elektrizität umzuwandeln. Ihr neuer Gerät, ein thermoelastischer Harvester, ist ein bedeutendes Upgrade gegenüber bisherigen Versuchen und beweist, dass wir weita viel mehr Leistung aus diesen gestaltwandelnden Materialien herauspressen können, als bisher für möglich gehalten wurde.

Das Problem: Die „halbleere“ Maschine

Seit Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler, Maschinen mit Formgedächtnislegierungen (FGL) zu bauen, also Drähten, die sich an ihre Form „erinnern“ können. Wenn man einen FGL-Draht erhitzt, schnellt er in seine ursprüngliche Form zurück; wenn man ihn abkühlt, wird er weich und leicht dehnbar. Die Idee besteht darin, diese Drähte in einem Zyklus zu erhitzen und abzukühlen, um sie vor und zurück zu bewegen und so Energie zu erzeugen.

Alte Designs hatten jedoch einen großen Makel. Stellen Sie sich ein langes Seil vor, das über zwei Rollen läuft, eine heiße und eine kalte. In den alten Maschinen war nur das winzige Stück des Seils, das gerade die heihe Rolle berührte, aktiv. Der Rest des Seils lag einfach nur da, ungenutzt, entweder im heißen oder im kalten Wasser, während es auf seinen Einsatz wartete. Es war wie in einer Fabrik, in der nur ein einziger Arbeiter tatsächlich das Produkt herstellt, während der Rest des Teams danebensteht und nur zusieht. Dies machte die Maschinen sehr ineffizient.

Die Lösung: Die „Protagonist-Antagonist“-Wippe

Die Forscher in dieser Arbeit behoben dies, indem sie eine neue Art von Motor bauten. Anstatt einer langen Schleife verwendeten sie zwei Sätze von Drähten, die mit einer zentralen Wippe verbunden sind.

• Der Protagonist: Ein Satz Drähte wird heiß und zieht sich zusammen, wodurch eine Seite der Wellen nach unten gezogen wird.
• Der Antagonist: Gleichzeitig wird der andere Satz Drähte kalt und wird durch die Bewegung der Wippe gedehnt.

Hier liegt der magische Teil: Die Energie, die benötigt wird, um die kalten Drähte zu dehnen, stammt direkt von den heißen Dräht, die ihre Arbeit verrichten. Es ist wie ein Tauziehen, bei dem das gewinnende Team automatisch das Seil für das verlierende Team zieht, sodass man keinen externen Motor benötigt, um das System zurückzusetzen. Dieses Design stellt sicher, dass das gesamte aktive Material in jedem Augenblick arbeitet und nicht nur ein winziger Bruchteil davon.

Sie lösten auch ein zweites Problem: wie man Wärme schnell genug überträgt. Alte Designs leiteten Wasser entlang der Länge des Drahtes, was langsam war. Diese neue Maschine schießt das Wasser quer über die Drähte (wie ein Duschkopf, der auf einen Schlauch trifft), was es den Drähten ermöglicht, viel schneller heiß und kalt zu werden, ohne dass sie kürzer sein müssen.

Die Ergebnisse: Ein Kraftpaket

Das Team testete seine Maschine mit kommerziell erhältlichen Nickel-Titan-Drähten (NiTi), genau jenen, die auch in medizinischen Geräten wie Stents verwendet werden. Sie haben nicht nur geschätzt, wie gut es funktioniert; sie haben die Kraft und die Bewegung direkt gemessen.

Die Ergebnisse waren beeindruckend:

• Leistungsdichte: Die Maschine erzeugte 366 mW/cm³ Leistung im Verhältnis zur Größe des aktiven Materials. Das ist etwa 1,7-mal besser als der nächstbeste thermoelastische Device, der je gebaut wurde.
• Bezwinger der Konkurrenz: Diese neue Maschine übertraf alle anderen Typen von Wärmeerntemaschinen, die unter 100 °C getestet wurden, einschließlich thermomagnetischer und pyroelektrischer Generatoren.
• Kosteneffizienz: Betrachtet man die Leistung pro investiertem Euro in die Rohmaterialien, lieferte dieses Gerät 4,9 W/€. Dies ist höher als die besten thermoelektrischen Generatoren, die im gleichen Temperaturbereich getestet wurden.

Warum es wichtig ist

Die Arbeit zeigt, dass der Engpass nicht das Material selbst ist, sondern wie wir die Maschine konstruieren. Durch die Änderung der Architektur hin zu einem „Protagonist-Antagonist“-Setup und der Verwendung von Querstrom-Wasserkühlung haben sie ein Leistungsniveau freigeschaltet, das zuvor verborgen war.

Die Forscher haben die Leistung direkt gemessen, ohne sich auf Computersimulationen oder Schätzungen zu verlassen. Sie fanden heraus, dass das Material bereits eine großartige Arbeit leistet, es aber noch Raum für Verbesserungen beim Wärmeaustausch gibt (also wie schnell das Wasser die Wärme übertragen kann). Sie merkten auch an, dass diese Maschine zwar bei größeren Temperaturunterschieden (um 66 °C) hervorragend ist, andere Arten von Harvestern jedoch bei sehr kleinen Temperaturänderungen immer noch besser sein könnten.

Kurz gesagt: Diese Arbeit beweist, dass wir mit dem richtigen Engineering einen Festkörpermotor bauen können, der alltägliche Abwärme in eine signifikante Menge an Leistung umwandelt und potenziell eine günstigere und effizientere Möglichkeit bietet, die Energie einzufangen, die wir derzeit einfach wegwerfen. Die Tür steht nun offen, um dies zu skalieren und dieselben Konstruktionsregeln zu nutzen, um noch größere und leistungsstärkere Harvester zu bauen.