Reflective, water-permeable diatomite masks doubling output voltage of water- floating single-walled carbon nanotube thermoelectric generators

Stellen Sie sich ein Gerät vor, das Elektrizität erzeugen kann, ohne an eine Wand angeschlossen zu sein oder neben einem Feuer zu sitzen. Es benötigt keine Wärmequelle auf der einen Seite und eine Kaltquelle auf der anderen, wie es die meisten Stromerzeuger tun. Stattdessen erzeugt es seinen eigenen Temperaturunterschied durch Wasser und Sonnenlicht. Dies ist das Reich der thermoelektrischen Generatoren, die auf dem Wasser treiben. Sie funktionieren nach einem einfachen Prinzip: Wenn Wasser von einer nassen Oberfläche verdunstet, nimmt es Wärme mit sich und hinterlässt diese Oberfläche kühler als die Umgebungsluft. Wenn ein Material Sonnenlicht absorbieren kann, um warm zu bleiben, während es gleichzeitig Wasser verdunstet, um kühl zu bleiben, entsteht ein Temperaturunterschied über seine Oberfläche. Diese Lücke kann direkt in Elektrizität umgewandelt werden. Jahrelang haben Wissenschaftler versucht, diese schwimmenden Geräte leistungsfähiger zu machen, aber sie stießen auf ein hartnäckiges Problem. Dasselbe Sonnenlicht, das das Gerät erwärmt, erwärmt auch genau jene Teile, die eigentlich kühl bleiben sollten, was den Temperaturunterschied, auf den das Gerät angewiesen ist, effektiv zunichtemacht.

Ein Forschungsteam der Tokai University in Japan hat einen Weg gefunden, dieses Problem zu lösen, indem es die Kühlseite des Geräts mit einer speziellen Maske behandelt. Sie entdeckten, dass sie die elektrische Leistung des Geräts verdoppeln konnten, indem sie den Kühlbereich mit einem Material bedeckten, das Sonnenlicht reflektiert, während es dennoch Wasser passieren lässt. Der Schlüssel zu ihrem Erfolg war ein Material namens Diatomit, ein natürliches Pulver, das aus den fossilen Schalen mikroskopisch kleiner Algen besteht. Dieses Material ist von Natur aus porös und weiß. Als die Forscher eine Schicht davon auf die Kühlseite ihres schwimmenden Generators auftrugen, wirkte es wie ein Spiegel, der die Sonnenwärme abprallte, während seine winzigen Löcher es dem Wasser ermöglichten, hindurchzuwandern und zu verdunsten. Das Ergebnis war ein Gerät, das auf einer Seite deutlich kühler blieb, wodurch ein viel größerer Temperaturunterschied und folglich ein viel stärkeres elektrisches Signal entstand.

Das Gerät selbst besteht aus einem dünnen, freistehenden Film aus einwandigen Kohlenstoffnanoröhren, die unglaublich winzige, röhrenförmige Formen aus Kohlenstoff sind. Dieser Film ist leicht, flexibel und stark genug, um zu schwimmen. Er wird auf einer Kunststoffplatte mit rechteckigen Ausschnitten platziert, die es dem Wasser ermöglicht, durch Kapillarkräfte durch den Film aufzusteigen, ähnlich wie Wasser in einem Küchentuch aufsteigt. Wenn das Wasser die Oberfläche des Films erreicht, verdunstet es und kühlt diesen spezifischen Bereich ab. Der Rest des Films, der dem Sonnenlicht ausgesetzt, aber nicht mit dem Wasser in Kontakt steht, bleibt warm. Dieser Temperaturunterschied über den Film erzeugt eine Spannung. In früheren Versionen dieses Geräts absorbierte die gesamte Oberfläche, einschließlich des Kühlbereichs, das Sonnenlicht, was die Kühlzone erwärmte und den Temperaturunterschied abschwächte. Die Forscher erkannten, dass sie mehr Leistung gewinnen mussten, indem sie verhinderten, dass die Sonne die Kühlzone erwärmt, ohne jedoch die Wasserverdunstung zu stoppen.

Um diese Idee zu testen, baute das Team vier verschiedene Versionen des schwimmenden Generators. Das erste war ein Kontrollgerät ohne jegliche Maske. Das zweite war mit einer soliden weißen Maske aus Acrylharz bedeckt, die Sonnenlicht gut reflektierte, aber den Wasserfluss blockierte. Das dritte war eine zweischichtige Maske mit demselben Acrylharz unten und einer Schicht aus Diatomit obenauf; dies reflektierte zwar Licht, blockierte aber immer noch den Wasserweg, da das Harz die Oberfläche versiegelte. Das vierte Gerät war nur mit der Diatomitschicht bedeckt, die das Licht reflektierte und gleichzeitig Wasser durch ihre natürlichen Poren passieren ließ. Sie platzierten alle vier Geräte in einem Wasserbehälter unter einer hellen künstlichen Sonne, die die Intensität eines klaren Tages simulierte, und maßen die erzeugte Elektrizität sowie die Menge des verdunsteten Wassers über einen Zeitraum von dreißig Minuten.

Die Ergebnisse zeigten einen klaren Gewinner. Das unmaskierte Gerät erzeugte eine geringe Spannung von 0,25 Millivolt. Die Geräte mit den soliden weißen Masken, die die Sonne reflektierten, aber den Wasserfluss stoppten, erzeugten eine etwas höhere Spannung von 0,34 Millivolt. Diese Verbesserung bewies, dass das Abprallen des Sonnenlichts half, selbst wenn dies zulasten der Verdunstungskühlung ging. Das Gerät mit der Diatomitmaske, das sowohl das Sonnenlicht reflektierte als auch das Wasser durchließ, erzeugte jedoch eine Spannung von 0,50 Millivolt. Dies war genau die doppelte Leistung des unmaskierten Geräts. Die Diatomitmaske ließ auch am meisten Wasser verdunsten, nämlich 670 Milligramm in dreißig Minuten, verglichen mit 535 Milligramm beim unmaskierten Gerät. Die poröse Struktur des Diatomits erhöhte die Oberfläche, an der Wasser zu Dampf werden konnte, was den Kühleffekt verstärkte, während die weiße Farbe die Sonnenwärme fernhielt.

Die Forscher analysierten sorgfältig, warum diese Kombination so gut funktionierte. Sie fanden heraus, dass der Gewinn an Leistung aus zwei unterschiedlichen Quellen stammte, die sich perfekt ergänzten. Die erste Quelle war die Reflexion des Sonnenlichts, die verhinderte, dass sich der Kühlbereich aufheizte. Die zweite Quelle war die anhaltende Verdunstung des Wassers durch die poröse Maske, die aktiv Wärme abführte. Beim Vergleich der Geräte sahen sie, dass das bloße Reflektieren des Lichts ohne Wasserdurchlass einen kleinen Schub gab, aber das Öffnen des Wasserwegs bei gleichzeitiger Beibehaltung der Reflexion einen viel größeren Schub bewirkte. Die Diatomitmaske bewältigte beides gleichzeitig. Das Team berechnete, dass der Temperaturunterschied über dem Film im besten Gerät 2,60 Grad Celsius betrug, also das Doppelte der 1,30 Grad des unmaskierten Modells. Diese Verdoppelung des Temperaturunterschieds führte direkt zur Verdoppelung der elektrischen Ausgabe.

Diese Entdeckung ist bedeutend, weil sie einen neuen Weg zeigt, die Energiegewinnung aus der Umwelt zu verbessern. Die meisten thermoelektrischen Geräte benötigen eine stetige Wärmezufuhr auf der einen Seite und eine stetige Kältequelle auf der anderen, was ihren Einsatzbereich einschränkt. Geräte, die ihren eigenen Temperaturunterschied erzeugen können, können überall dort eingesetzt werden, wo es Wasser und Licht gibt, was sie ideal für unbewachte Sensoren auf Seen oder Ozeanen macht. Die Studie beweist, dass man nicht das Kernmaterial des Generators ändern muss, um ihn besser zu machen; man muss lediglich die Oberfläche konstruieren, die der Kühlseite zugewandt ist. Durch den Einsatz eines Materials, das sowohl reflektierend als auch durchlässig ist, schufen die Forscher eine Kühlschicht, die weitaus effektiver ist als jedes bisherige Design. Die Diatomitmaske, ein einfaches Komposit aus natürlichen Siliziumschalen und einem Gipsbinder, erwies sich als die perfekte Lösung und bot einen praktischen Weg zu leistungsstärkeren, selbstversorgenden Energiequellen für die Zukunft.