Professor Dr. Kornelius Nielsch, Universität Hamburg, zu den Chancen der Nanotechnologie
»Mit der Abwärme des Motors werden wir künftig Auto fahren«
In jedem Thermogenerator sitzen demzufolge solche Metallstäbe?
Nein. Metalle sind ausgezeichnete elektrische, aber auch sehr gute Wärmeleiter und ein Wärmefluss vermindert die Effizienz der Stromerzeugung. Deshalb verwendet
man vorzugsweise sogenannte halbleitende Materialien, die Strom bei gewissen Temperaturen ähnlich gut wie Metalle leiten, nicht aber die Wärme. Solche Materialien
herzustellen, ist eine große physikalische Herausforderung. Man versuchte sie mit verschiedenen Methoden zu meistern, den Durchbruch brachte vor etwa zehn Jahren
allerdings erst die Nanotechnologie. Mit ihrer Hilfe konnte man die Effizienz von Thermogeneratoren im Labor um das Zwei- bis Dreifache steigern, bei kommerziellen
Produkten können in einigen Jahren bald schon 50% Leistungssteigerung umgesetzt werden.
Daran forschen Sie an der Universität Hamburg?
Ja. Wir betreiben bei uns Grundlagenforschung und bauen neuartige, nanostrukturierte Materialien für Thermogeneratoren. Zum Beispiel entwickeln wir spaghettiförmige Stäbchen,
die einen Durchmesser von weniger als einem Tausendstel eines Haares haben.
Die Miniaturisierung allein reduziert bereits den Wärmefluss. Zudem treten gewisse Quanteneffekte auf. Die Elektronen spüren, dass sie auf kleinstem Raum eingesperrt sind,
und verhalten sich anders, als wenn sie sich quasi in einem unendlich großen Raum bewegen können. Unsere Stäbchen lassen wir dann in Waben einer größeren Formstruktur
hineinwachsen die sogenannte Matrix. Die Milliarden Stäbchen in den Waben bilden den Halbleiter, die Matrix erfüllt die Aufgabe eines Isolators und dämpft den Teil der Wärme,
der physikalisch gesehen durch Schwingungen vom Kristallgitter entsteht.
Könnte man mit einem solchen Generator den Strombedarf eines Hauses decken?
Wenn das Haus eine Zentralheizung hat, ist das durchaus möglich. Man kann den Generator auch mit photovoltaischen Elementen kombinieren und so zusätzlich die
Wärme der Sonneneinstrahlung nutzen. In Miniaturform an einem Heizkörper angebracht, könnte er einen Sensor betreiben, der die Zimmertemperatur steuert oder auch
Daten für die Heizkostenabrechnung liefert. Solche Sensoren, die ohne Stromleitung auskommen müssen und die über Funk mit einem Zentralrechner verbunden sind,
werden an vielen Orten benötigt: an den Außenwänden von Schiffen, Flugzeugen oder zur Überwachung von Brückenträgern und Industrieanlagen. Auch der Unterschied
von Körper- und Umgebungstemperatur lässt sich nutzen, etwa für den Betrieb einer Armbanduhr oder eines GPS-Empfängers. Zudem wird an Anwendungen geforscht,
die nicht nur in Fahrzeugen für eine effizientere Rohstoffnutzung sorgen.
Welche Rohstoffe kann man mithilfe der Thermoelektrik noch sparen?
In den Niederlanden wird ein tragbarer Holzofen hergestellt, der vor allem in Entwicklungsländern von Bedeutung werden könnte. Ein mit Elektronik sowie Batterie bestückter
Thermogenerator betreibt einen Ventilator, der die Luftzufuhr steuert und so die Verbrennung des Holzes optimiert. Das könnte den enormen Verbrauch dieses Rohstoffes
zu Heizzwecken um mehr als 50% reduzieren – und damit auch die CO2-Emissionen.
Ist Deutschland auf dem Gebiet der Thermoelektrik im internationalen Vergleich gut aufgestellt?
Das Grundprinzip der Thermoelektrik wurde um 1820 von Thomas Johann Seebeck in Berlin entdeckt und bis vor einigen Jahrzehnten waren wir weltweit führend.
Danach verlor die Forschung bei uns an Dynamik, weil Professoren in den Ruhestand gingen und nicht ersetzt wurden. Man sah die sinnvollsten Anwendungen
weniger bei der Stromerzeugung als bei der Kühltechnik. Denn auch diese Technik bedient sich des thermoelektrischen Prinzips und war bis vor einigen Jahren
das Hauptanwendungsgebiet. Erst die Fortschritte der Nanotechnologie belebten die ursprüngliche Idee der Thermoelektrik neu, allerdings vor allem in den USA.
Wie sehen Sie die Chancen, den Forschungsrückstand gegenüber den USA wettzumachen?
In den USA wird viel Druck auf die Hochschulen ausgeübt, sich möglichen Anwendungen zu widmen. Wir dagegen haben den Vorteil, uns auch auf die Grundlagenforschung
konzentrieren zu dürfen. Das sollten wir nutzen, denn die Nachfrage seitens unserer Hochschulen ist groß. Zurzeit kann jedoch aus finanziellen Gründen höchstens
ein Drittel aller thermoelektrischen Forschungsanträge berücksichtigt werden. Bedenken Sie, wie hoch die Kosten sind, die aufgrund der aktuellen Preisentwicklung von
Treibstoffen anfallen. Nimmt man diese Summe und vergleicht sie mit den momentanen 7,5 Millionen Euro, die in Deutschland für thermoelektrische Projekte bereitgestellt
werden, wäre es wohl sinnvoll, diese Forschungsgelder aufzustocken. Deutschland verfügt über viel Expertise in Bezug auf Halbleitermaterialien und Nanotechnologie.
Graphit verhält sich wie ein Halbleiter
Berliner Forscher haben herausgefunden, dass sich Graphit auf ultrakurzen Zeitskalen wie ein Halbleiter verhält. Die Ergebnisse sind von grundlegender Bedeutung für künftige elektronische Bauelemente aus Kohlenstoff, die hohe elektrische Spannungen oder hohe Frequenzen verarbeiten, so die Wissenschaftler.
Nanomaterialien aus Kohlenstoff besitzen einzigartige Eigenschaften, die erste Anwendungen in neuen elektronischen Bauelementen und Sensoren gefunden haben. Grundlage dieser Materialien sind atomar dünne Schichten aus regelmäßig angeordneten Kohlenstoffatomen, zum Beispiel eine einzelne ebene Schicht in so genanntem „Graphen“ oder aufgerollte Schichten in Kohlenstoff-Nanoröhrchen.
Die Eigenschaften von Elektronen in solchen Strukturen sind verwandt mit denen in Graphitkristallen, die aus einem Stapel vieler Graphenschichten bestehen. Trotz intensiver Forschung ist das grundlegende Verhalten von Elektronen nicht vollständig verstanden und wird kontrovers diskutiert.
Ultrakurze Laserimpulse regen Elektronen an Die Wissenschaftler Markus Breusing, Claus Ropers und Thomas Elsässer vom Max-Born-Institut in Berlin haben jetzt das Verhalten von Elektronen in dünnen kristallinen Graphitschichten in Echtzeit untersucht. Wie sie in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ berichten, zeichneten sie die Bewegungen der Elektronen mit einer bisher unerreichten Zeitauflösung von zehn Femtosekunden - eine Femtosekunde ist das Millionstel einer Milliardstel Sekunde - auf. Dazu regten sie Elektronen mit ultrakurzen Laserimpulsen in Zustände hoher Energie an und beobachteten ihre Rückkehr zum Gleichgewicht.
Einzelne Schritte dieses Ablaufs lassen sich zeitlich trennen und so die momentane Verteilung der Elektronen auf verschiedene Zustände bestimmen. Innerhalb von 30 Femtosekunden bilden die Elektronen ein heißes Gas mit einer extrem hohen Temperatur von 2500°C aus, das im Kristall innerhalb von nur 500 Femtosekunden auf etwa 200°C abkühlt. Die dabei freiwerdende Energie wird an das Kristallgitter übertragen.
Danach kehren die Elektronen auf einer deutlich langsameren Zeitskala in ihre ursprünglichen Zustände zurück. Diese Untersuchungen zeigen nach Angaben der Forscher erstmals eindeutig, dass sich Graphit auf ultrakurzen Zeitskalen wie ein Halbleiter, also etwa wie Silizium oder Galliumarsenid, und nicht wie ein Metall verhält.
Fortschritt in der Nano-Technik
Winzige Röhrchen aus Kohlenstoff gehören zu den Hoffnungsträgern des Halbleiterherstellers. Die Nanoröhrchen hätten die Voraussetzungen, Nachfolger der heutigen Silizium-Chips zu werden.
Villach - Forschern des Halbleiter-Herstellers Infineon ist ein wichtiger Schritt für die Entwicklung künftiger Chips auf der Basis von Kohlenstoff gelungen. Erstmals hätten die Wissenschaftler es geschafft, Kohlenstoff-Nanoröhrchen für die Herstellung von leistungsfähigen Halbleitern zu nutzen, teilte das Unternehmen am Freitag im österreichischen Villach mit.
Die Erfindung gilt nach Angaben von Infineon als "Durchbruch" für die Nanotechnik, da man bislang davon ausgegangen ist, dass die Nanoröhrchen sich nicht für die hohen Spannungen und Stromstärken in Leistungshalbleitern eignen.
Nanoröhrchen sind winzige Schläuche aus Kohlenstoff-Atomen mit einem Durchmesser von nur einem Millionstel Millimeter. "Nanoröhrchen könnten die Nachfolgetechnologie unserer heutigen Silizium-Chips werden", sagte Wolfgang Hönlein, der in der zentralen Forschungsabteilung des Unternehmens für Nanotechnik zuständig ist. Bei der neuen Technologie würden spezielle Kohlenstoffe verwendet, die eine Struktur wie Draht haben.
"Durch die Röhrchen bewegen sich die Elektronen vollkommen ballistisch wie eine Kanonenkugel und werden von nichts mehr abgelenkt." Die Struktur entwickle sich im Nanometer-Maßstab selbstständig. Den Forschern von Infineon sei es erstmals gelungen, die Kohlenstoffmoleküle nicht nur an einer vordefinierten Stelle, sondern auch in eine bestimmte Richtung wachsen zu lassen. Auf Basis der neuen Erfindung ließen sich schon heute zum Beispiel Leuchtdioden an- und abschalten sowie kleine Elektromotoren betreiben. "Der Herstellungsprozess ist dabei wesentlich billiger als bei Halbleitern aus Silizium", sagte Hönlein.
Ausschnitt aus "Google-Anzeigen"
Weltweit gibt es intensive Anstrengungen, Materialien zu entwickeln, die alleine über Temperaturunterschiede Strom erzeugen können. Zudem lassen sich bereits die ersten Märkte erkennen,
deren Erschließung eine deutliche Beschleunigung bringen wird. Ab 2010 wird mit einem Markt von 10 Mrd. Euro gerechnet. Dazu gehören dann Stromerzeugung aus beispielsweise Sonnenenergie,
Bioenergie, sowie aus Abwärme von Motoren und Computer-Prozessoren. Überall, wo Wärme zur Verfügung steht, wird sich direkt Strom, ohne z.B. den Umweg über Turbinen zu gehen, erzeugen lassen.
Leider fristet diese Technologie in Deutschland und Europa im Gegensatz zu den USA, China und Japan noch ein Mauerblümchen-Dasein. Es gibt keinen Universitätslehrstuhl, kein Förderprogramm,
noch nicht einmal einen Verband, der auf diese spannende Technologie zugeschnitten ist.
Dies muss sich schon bald ändern, damit der Thermoelektrik-Zug nicht ohne Deutschland abfährt.
TREND-KOLUMNE
Milliardenmarkt Thermoelektrik
Strom aus der Steckdose war gestern – wie wir künftig Strom aus der Luft „ernten” verrät Matthias Horx, der bekannteste Zukunftsforscher im deutschsprachigen Raum.Beim Prinzip der Thermoelektrik
macht man es sich zunutze, das bestimmte Leiter, die an zwei Stellen unterschiedliche Temperaturen aufweisen, Strom erzeugen. Künftig wird so immer öfter Energie vom Menschen „direkt” geerntet
oder aus seiner Umgebung direkt generiert werden., statt sie umständlich über die Steckdose aus dem Kraftwerk zu beziehen. Mit thermoelektrischen Materialien kann man Wärme „Abfall” effektiv in
nutzbaren Strom umwandeln. Geräte, die Energie aus Temperatur-Unterschieden des Körpers oder der Raumluft erzeugen, machen uns künftig unabhängig von Netzanschlüssen, Batterien oder Akkus.
Das Marktpotential für die sogenannten Thermoelektrika ist daher enorm. Dass die Elektrik für spezielle Anwendungen bereits serienreif ist, beweist die thermoelektrische Uhr Eco Drive Thermo von Citizen.
Bereits seit 1999 nutzt sie Körperwärme als Energiequelle. Enorme Nachfrage in fünf Jahren prognostiziert
Den umgekehrten thermoelektrischen Effekt nutzen einige Kühlschränke der Firma Waecco. Durch das Anlegen einer Spannung an thermoelektrischen Materialien lassen sich auch Temperaturunterschiede
erzeugen. Mit geringem Stromverbrauch kühlen sich die mobilen Kühlboxen so bis auf 20 Grad unter die Umgebungstemperatur ab und können ohne weiteres an jedem Zigarettenanzünder im Auto angeschlossen
werden, um beispielsweise Getränkedosen zu kühlen. Gerade im Auto könnte die Technologie, die bereits eine 200-jährige Geschichte hat, zukünftig aber auch zum Betrieb größerer Stromverbrauchen
eingesetzt werden: Eckard Müller vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt ist sich sicher, dass sich mit Hilfe sogenannter Thermo-Generatoren im Fahrzeug massiv Energie einsparen liese.
Dazu soll einfach die Wärme aus den Autoangasen genutzt werden, um sie direkt in Strom umzuwandeln. Die so gewonnenene Energie könnte für die Motorsteuerung oder andere elektronische Komponenten Verwendet werden und die Lichtmaschine des Motors ersetzen oder zumindest entlasten. Dies könnte zu bis zu 10 Prozent weniger Treibstoffverbrauch führen und der Autoindustrie endlich zu den vieldiskutierten,
energieeffizienten Fahrzeugflotten verhelfen. Den Prototypen eines Thermo-Generators für Kraftfahrzeuge haben DLR-Forscher vom Institut für Fahrzeugkonzepte in Stuttgart bereits entwickelt. Bislang erzeugt
dieser Generator eine elektrische Leistung von 200 Watt.
Trendprognose: Thermoelektrika werden in spätestens fünf Jahren einen Boom erleben. Dann werden die ersten thermoelektrischen Generatoren auf den Markt kommen. Mit verbesserten thermoelektrischen Materialien wird
die breite praktische Nutzung zur Stromgewinnung erfolgen.
Alkohol ermöglicht gute Kohlenstoff-Halbleiter Forscher melden Durchbruch bei Nanoröhren-Züchtung
Durham (pte/22.01.2009/12:35) - Einem Forscherteam unter Führung der Duke University http://www.duke.edu ist es gelungen, gut ausgerichtete Bündel ausschließlich halbleitender Kohlenstoff-Nanoröhren zu züchten. Das ebnet den Weg, zuverlässige elektronische Nanoschaltkreise in Skalen von Milliardstel Metern zu fertigen, sagt Jie Lie, Duke-Chemieprofessor und Forschungsleiter. Gelungen ist die Fertigung in einem Verfahren, das auf eine Mischung von Alkoholen und Gasen zur Züchtung der Nanoröhren setzt. "Das sieht wirklich nach einem echten Durchbruch aus", kommentiert Christoph Strunk, Physiker an der Universität Regensburg http://www.uni-regensburg.de, im Gespräch mit pressetext.
"Gerade für die Anwendung als Transistor sind halbleitende Kohlenstoff-Nanoröhren sehr interessant", erklärt Strunk. Dabei ist es sehr wichtig, die Beimischung metallischer Nanoröhren zu vermeiden. Mit bisherigen Herstellungs-Ansätzen war das nicht der Fall, da zu viele Nanoröhren metallische Eigenschaften zeigten und in Transistoren zu Kurzschlüssen führen. Deshalb verspricht die jetzt entdeckte Methode großes Potenzial für die Anwendung der Nanoröhren. "Das ist wohl der Heilige Gral auf dem Gebiet", meint Liu. Alle Faktoren wie die Kontrolle über die Position, die Ausrichtung und der elektronischen Eigenschaften der Nanoröhren seien vereint. "Wir sind in der Position, große Mengen an Elektronik wie Feldeffekt-Transistoren für große Ströme und Sensoren zu fertigen", sagt der Wissenschaftler.
Schon im April 2008 hatte das Duke-Team einen Ansatz vorgestellt, der die Fertigung vieler gerader parallel verlaufender Kohlenstoff-Nanoröhren ermöglicht. Allerdings hatte damals nur ein Teil der Nanoröhren halbleitende Eigenschaften, während der Rest sich metallisch verhielt. Jetzt wurde ein Verfahren gefunden, mit verschiedenen Mischungen der Alkohole Ethanol und Methanol sowie der Gase Argon und Wasserstoff das Wachstum der Nanoröhren auf einem Quarz-Einkristall voranzutreiben. "Wir haben festgestellt, dass wir mit der richtigen Mischung der beiden Alkohole mit Argon und Wasserstoff rein halbleitende Nanoröhren züchten können", sagt Liu. Mehr als 95 Prozent der entstehenden Nanoröhren haben halbleitende Eigenschaften, berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Nano Letters.
Die Methode wurde zum Patent angemeldet, bietet aber noch weiteres Forschungspotenzial. Die Wissenschaftler wollen besser verstehen, wie genau die Änderung an der Wachstums-Gasmischung zu rein halbleitenden Nanoröhren geführt hat. Auch interessiert sie, ob andere Mischungen zu rein metallischen Ausprägungen führen könnten. "Es wäre wirklich sehr interessant, eine wirklich vollständige Kontrolle auch über die genauen halbleitenden Eigenschaften zu erzielen", meint dazu Strunk. Die Züchtung rein metallischer Kohlenstoff-Nanoröhren wäre wissenschaftlich ebenfalls wertvoll. "Die metallischen Nanoröhren sind für die Grundlagenforschung interessanter", erklärt Strunk. Denn sie haben teils ungewöhnliche, von anderen Materialien bislang nicht bekannte Eigenschaften.
Jedem Energiewandler sind vollständige technische Daten zugeordnet, ebenso auch für Thermoelemente empfehlenswert.
Es wäre wünschenswert die veröffentlichten Spannungstabellen von Thermoelementen zusätzlich auch mit
Ampere/mm²-Angaben zu ergänzen.
Each energy converters are assigned to complete technical data, as well as for thermocouples recommended. It would be desirable to supplement published tables of power of thermocouples also entrusted with amps / mm ² information.
Der Hochsromwechselrichter (HSWR)
Mit vier Schaltereinheiten ist der HSWR für Thermogeneratoren konzipiert, es ist ein neuartiges Schaltelement das praktisch verlustfrei einen sehr hohen Stromdurchlass hat, bedingt durch die Grösse und Bauart mehrere hunderttausend Ampere und Gleichspannungen ab 0,002 Volt bis über 250 Volt, mit Schaltfrequenzen variabel von Null bis in den Kiloherzbereich, in Wechselspannung umsetzt.
Die Fertigung dieser Schalter ist einfach und preisgünstig im Vergleich zur erbrachten Leistung sind robust und umweltfreundlich und die Betriebstemperatur kann von -50°C bis einige hundert Grad sein. Mono-Schaltelement-Einheiten sind vielfältig anwendbar als Ein-Aus oder Umschalter und bieten noch viele Anwendungen im Elektro/Elektronikbereich. Der Hochstromwechselrichter ist patentiert, jedoch rechtlich nicht mehr geschützt.Mein marktfähiges Angebot ist die nicht veröffentlichten Funktionsbeschreibung mit Bauplänen, die für die Fertigung von Hochstromwechselrichter erforderlich sind. Die Technologie des Inverters ist erweiterbar und erobert eine neue Marktniesche auf dem Weltmarkt.
The high current inverter with four switch units designed for thermal generators, is a new circuit element that virtually lossless has a very high current flow and due to the size and type several hundred thousand amperes and DC voltage from 0.002 volts to over 250 volts, with switching frequencies variable from zero to in the heart kilo range in AC voltage implements.
The fabrication of this switch is simple and inexpensive compared to the performances are robust and environmentally friendly, and the operating temperature is from -50 ° C to several hundred degrees. Mono switching element units are versatile applicable and offer many applications in the electrical / electronics field. The high voltage inverter is patented, but not legally protected. My offer is the unpublished description of plans required for the production of high-current inverter.
Speicherung von Wasserstoff
Es gibt heute verschiedene Techniken, um Wasserstoff zu speichern, bei denen man zwischen der Speicherung in gasförmigem, flüssigem oder
chemisch gebundenen Zustand unterscheiden kann.
Gasförmiger und flüssiger Wasserstoff
Stationäre Speicher dienen der Speicherung von großen Wasserstoff-Mengen. So wird gasförmiger Wasserstoff zum Beispiel in unterirdische Salz-
und Felskavernen gepumpt, wo er bei Druckverhältnissen um 50 bar gelagert wird. Diese Lösung ist jedoch erst ab einem Speichervolumen von
mehreren Millionen Normkubikmetern (Nm3) relevant.
Kleiner H2-Mengen lassen sich einfach in Druckgasflaschen speichern. Hier gilt der Grundsatz: Je höher der Druck im Tank, desto höher ist
auch die Speicherdichte. In Zuge der Einführung erdgasbetriebener Fahrzeuge wurden Druckgastank aus Stahl entwickelt, die in der Regel
für einen Fülldruck bis 200 bar zugelassen sind. Hinzu kamen später Composite-Tanks (Vollverbunddruckflaschen), die mitunter bis zu einem
Druck von 350 bar befüllt werden können. Die volumenspezifische Speicherdichte reicht von 0,5 kWh/l bei Stahlflaschen bis zu 0,8 kWh/l bei
leichten Vollverbundflaschen.
Flüssiger Wasserstoff (LH2 = engl. liquid hydrogen) lässt sich hingegen in stationären und mobilen Tanks, die durch spezielle Isolierungen
eine Abdampfrate von unter 0,05% erreichen können, speichern. Diese Tanks werden auch Kryotanks oder Kryospeicher genannt
(griech. kryos = kalt). Zwar liegt die volumenspezifische Speicherdichte bei 2,13 kWh/l (ca. 4,5 kWh/kg), doch der Wasserstoff muß
dafür zunächst verflüssigt werden. Die Verflüssigung bedarf jedoch einer Energie von 36kJ/g um Wasserstoff auf eine Temperatur
von -253°C herunterzukühlen, was ca. einem Drittel der gespeicherten Energie entspricht.
Metallhydridspeicher
In den 80er Jahren verstärkte Daimler-Benz gemeinsam mit Mannesmann die Forschung an einer weiteren Speichertechnologie:
Metallhydridspeichern. Der Vorteil dieses Wasserstoffschwamms ist die größere volumetrische Speicherdichte (1-1,5 kWh/l) und
die einfache Handhabung.
Metallhydride entstehen aus Metallen (wie z.B. Palladium oder Magnesium) oder intermetallischen Verbindungen (wie z.B. ZrMn2),
die Wasserstoff sozusagen wie ein Schwamm "aufsaugen" können. Bei Standardtemperatur und geringem Überdurck reagieren
sie dabei nach folgender Gleichung:
Me + x/2 H2 <=> MeHx (exotherm)
In der ersten Reaktionsphase, der sogenannten a-Phase (Alpha-Phase), werden an der Metalloberfläche katalytisch gespaltene
Wasserstoffmoleküle, also Wasserstoffatome, als Einlagerungs- oder Zwischengitteratome in das Metallgitter gelöst. Erhöht man
nun den Druck im Speicher, erhöht sich auch die Wasserstoffkonzentration im Metallgitter bzw. in der intermetallischen Bindung.
Ist eine Sättigung der α-Phase erreicht, bildet sich an einigen Stellen Metallhydrid. Dies wird β-Phase (Beta-Phase) genannt.
Da diese Reaktion exotherm verläuft, muß die Reaktionswärme abgeführt werden, um einen Stillstand der Reaktion zu vermeiden.
Da der Phasenübergang von der α- in die β-Phase mit einer starken Änderung des ursprünglichen Metallgitters einher geht,
zerfällt das Ausgangsmaterial in feines Pulver.
Zur Desorption des Wasserstoffs muß die Reaktionswärme, die bei der Beladung des Speichers abgeführt wurde, wieder zugeführt werden.
Die Reaktion läuft nun in die entgegengesetzte Richtung ab. Es entstehen wieder die Ausgangsstoffe, Metall und ultrareiner Wasserstoff.
Je nach Anwendungsfall kann man durch verschiedene Legierungen das jeweils beste Druck- oder Temperaturniveau schaffen.
Für eine Anwendung im Kraftfahrzeug kommt es zum Beispiel auf eine niedrige Desorptionstemperatur und eine schnelle Be- bzw.
Entladung an. Problematisch ist beim KFZ jedoch die geringe massenspezifische Speicherdichte, wodurch die Speicher verhältnismäßig schwer sind.
Im Vergleich zu Druckgasflaschen und Kryospeichern stellt der Metallhydridspeicher eine wesentlich sicherere und kompaktere Speichertechnologie dar.
Grafit Nanofasern - die Zukunft?
An der Northeastern University in Boston soll eine neue revolutionäre Speichertechnik entwickelt worden sein: die Grafit Nanofasern.
Wasserstoff wird hierbei zwischen mehreren Lagen Grafitfasern eines Querschnitts von 5-10nm eingelagert.
Vermutlich wird diese hohe Speicherdichte durch den hohen kristallinen Anteil zwischen den Kophlenstoffgitterebenen möglich, wodurch
sich die Wasserstoffmoleküle dicht gepackt anlagern können. Genau ist der Anlagerungsprozeß jedoch noch nicht erforscht.
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BASF - Thermoelektrik
Die Nutzung neuer halbleitender Legierungen erlaubt die effiziente Nutzung von
Abwärme zur Erzeugung von elektrischem Strom.
Neue Materialien bringen eine deutliche Effizienzsteigerung eines lang bekannten Effektes.
Somit erschließen sich neue Anwendungen, wie z.B. Abwärmenutzung von
Kraftwerken und Automobilen.
Die systematische Weiterentwicklung der thermoelektrischen Materialien
bringt die erwünschten Eigenschaftsverbesserungen
Dadurch öffnet man die Tür für flächendeckenden Einsatz in
neuen Anwendungen
Die Gewinnung von Strom aus Kraftwerksabgasen und aus
dem Verbrennungsprozess im Automobil ist bald möglich
Die Verarbeitung der Materialien zu fertigen Modulen ist ein
Teil der Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten
Langfristig leisten wir einen Beitrag zur ökologischeren
Stromgewinnung und der Reduktion von Treibhausgasen
Die Vernetzung von Materialentwicklung und Modulbau ist für eine erfolgreiche
Umsetzung von großer Bedeutung.
Mit BASF know-how und der Anstrengung unserer Partner, z.B. das IPM
(Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik) in Freiburg, schaffen wir
Thermo-electric generators convert heat directly into electricity, using the voltage generated at the junction of two different metals. The history begins in 1821 when Thomas Johann
Seebeck found that an electrical current would flow in a circuit made from two dissimilar metals, with the junctions at different temperatures. This is called the Seebeck effect.
Apart from power generation, it is the basis for the thermocouple, a widely used method of temperature measurement. The voltage produced is proportional to the temperature difference between the two junctions. The proportionality constant a is called the Seebeck coefficient.
A series-connected array of thermocouples was known as a "thermopile", by analogy with the Voltaic pile, a chemical battery with the elements stacked on top of each other.
The thermopile was developed by Leopoldo Nobili (1784-1835)and Macedonio Melloni (1798-1854). It was initially used for measurements of temperature and infra-red radiation,
but was also rapidly put to use as a stable supply of electricity for other physics experimentation.
George Simon Ohm was probably the most famous user. In 1825 he was working on the relationship between current and voltage by connecting wires of differing resistance
across a voltaic pile- pretty near short-circuiting it. After an initial surge of current rapid polarization of the pile caused the voltage to decrease steadily, complicating the measurements.
Ohm took a colleague's advice and replaced the voltaic pile with a thermopile, and life became simpler. Note that this is only four years after the discovery of the Seebeck effect.
As an aside, Ohm's law met with a very cool reception in his own country; one account soberly states: "Unfortunately, Ohm's law was met with resistance."
THE EARLY HISTORY OF THERMO-ELECTRIC GENERATORS
Here are displayed some early thermo-electric generators or "thermopiles". I have tried to put them in chronological order but not all have a definite date, so this is rather iffy.
The maximum power is obtained from a thermopile when its load resistance is equal to its internal resistance, as with all electrical sources. Since the internal resistance of a
chain of thermocouples is very low, this means that it can supply large currents but only low voltages, unless a large number are wired in series.
This, I think, is the earliest thermopile I have found so far. Unfortunately I have no details on it, and its operation is obscure.
It is not clear where the heat is applied; perhaps one brass tank held hot water and the other cold? If so, that would be a much
less effective source of heat than a gas flame.
In each tank, one of the L-shaped pipes appears to go into a glass vessel, for reasons unknown.
Claude Pouillet (1790-1868) was a pioneer in the detection of infra-red radiation. He used a "pyroheliometer"- essentially a
water calorimeter- to measure the intensity of solar radiation. The apparatus shown above is NOT the pyroheliometer;
however it may be some sort of measuring instrument rather than a power source as such.
Example in CNAM, the Conservatoire National des Arts et Metiers, in Paris. Author's photograph.
Left: Thermopile by Ruhmkorff: circa 1860.
The gas burners are inside the black body of the device; the spigot for the gas supply pipe is at lower left. The brass tanks
hold the cooling water for the cold junctions.
An interesting feature is the sliding contact at the top, which allows the output voltage to be altered by connecting a variable
number of junctions into the circuit. The output terminals are at top right.
Heinrich Daniel Ruhmkorff, electrical researcher and instrument maker, is best known for the remarkable improvements he
made in the induction coil. However, it appears he was also in the thermopile business. Ruhmkorff was born on 15 January
1803, in Hanover, Germany, and died 20 December 1877, in Paris.
Example in CNAM, the Conservatoire National des Arts et Metiers, in Paris. Author's photograph.
Left: Markus's thermopile: 1864.
The EMF of a single couple was quoted as "One-twentieth of a Daniel cell" which makes it about 55 milliVolts.
The negative metal was a 10:6:6 alloy of copper, zinc and nickel, similar to German silver, and the positive metal was
a 12:5:1 alloy of antimony, zinc and bismuth. The iron bar a-b was heated and the lower ends cooled by immersion
in water. A defect of this design was a rapid increase in internal resistance as the two alloys oxidised at their point of contact.
Markus' thermopile won a prize in 1864/5 from the Vienna Society for the Promotion of Science.
From "Electricity in The Service of Man" published in its 3rd edition in 1896; the thermopile section
appears to have been written much earlier, and certainly before 1888. It was originally published in
Germany and was written by Dr A R Von Urbanitsky.
Left: Becquerel's thermopile.
This was invented by M. Edmond Becquerel (1820-1891), at a date unknown. The junctions were composed of
copper sulphide for one metal, and German silver for the other.
It appears that D is a trough of cooling water for the cold junctions, supplied at B and exiting at C.
There appears to be another trough on the other side of the central burner E. Gas for the burner is supplied via pipe A.
Edmond Becquerel was the father of physicist Henri Becquerel, who discovered radioactivity
From "Electricity and Magnetism", 1891.
Left: The Clamond Thermopile:
This pile, developed in association with Mure, used a zinc-antimony alloy for one metal and iron as the other.
It was gas-fired, and could liberate 0.7 oz of copper per hour by electrolysis while consuming 6 cubic feet of gas in the same period.
The output current was quoted in this outlandish fashion because electroplating was the main application of these devices;
possibly practical ammeters did not yet exist.
The diagonal connections that join each ring of couples in series can be seen between the two vertical strips.
The gas pipe can be seen coming in from bottom right. The little coffee-pot thing in the line is actually a gas pressure regulator.
From "Electricity in The Service of Man"
Left: The Clamond Thermopile: plan view.
The solid sectors A were made of the alloy, while the cooling fins F were made of sheet iron to act as cooling
fins for the cold junctions.
From "Electricity in The Service of Man", a much longer book than "Electricity in The Service of Chameleons"
Left: The Clamond Thermopile: reality.
Note gas feed with tap running into the centre of the pile.
This example is in the History Museum of the University of Pavia in Lombardy, Italy.
Left: The Clamond Thermopile: section.
Showing the multiple annular burners in the centre of the pile. Gas enters through tube T.
According to the French journal La Nature for 1874, one of these piles was in use at the printing works of the Banque
de France, presumably for electroplating.
Picture from La Nature 1874.
Left: The Improved Clamond Thermopile: 1879.
The EMF of this pile was no less than 109 Volts, with an internal resistance of 15.5 Ohms. The maximum power
output was therefore 192 Watts, at 54 Volts and 3.5 Amps.
This pile was fired by coke. The hot junctions were at C, while the cold junctions D were cooled by sheet iron as
in the original design above. What purpose was served by the tortuous path T-O-P taken by the hot gases is unclear,
because there seem to have been no hot junctions in the inner sections.
This beast was 98 inches high and 39 inches in diameter.
It was a serious piece of machinery, quite capable of delivering a lethal voltage.
From "Electricity in The Service of Man"
Left: The Noe Thermopile.
The hot junctions are the pointed things directed inwards to the central burner. The cold junctions are cooled by radiation
and convection from the vertical strips on the outside.
The inventor, Fr. Noe, came from Vienna. The output EMF of this pile was about 2 Volts, with an internal resistance of 0.2 Ohm.
This was for a pile with 128 couples.
From "Electricity in The Service of Man".
Left: One thermocouple from the Noe Thermopile.
The hot junction is a copper pin in a brass case, surrounded by "an alloy" which is presumably the other half of the junction.
The connecting wires visible here on each side were of "German silver". German silver (better known nowadays as nickel silver) is the
generic name for a range of bright silver-grey metal alloys, composed of copper, nickel and zinc; it contains no real silver.
These wires were essential to join the thermocouples together, but reduced its efficiency as they conducted heat away from the hot
junctions to the cold ones. The problem is elegantly solved in modern semiconductor versions by using alternate P and N type materials that do not require these connections.
From "Electricity in The Service of Man".
Left: The Noe Thermopile in reality.
This high-performance version is surrounded by little cylindrical fins for cooling the cold junctions, permitting a greater output.
This example is in the History Museum of the University of Pavia in Lombardy, Italy.
Left: Hauck's thermopile.
The EMF of a single couple was quoted as "0.1 of a Daniel cell" which makes it about 110 milliVolts; this seems
rather high to me. The current capacity using 30 couples was "capable of making a platinum wire 1.2 inches
long red-hot" which is not a very useful sort of spec, since we have no idea how thick the wire was. The Hauck pile was fired by gas, using something looking very much like a Bunsen burner. The cold junctions
were water-cooled by a series of little cylindrical tanks, and there was an obscure little glass device in the middle;
possibly to show the rate of gas flow?
These devices appear to have been produced commercially in different sizes, with two or three placed on a
common frame. They were used for science education and electroplating. To put a time marker on this, it was 1843
when Moses Poole took out a patent for the use of thermoelectricity instead of batteries for electro-deposition purposes.
This was long before practical dynamos and alternators.
In the days when chemical cells needed a lot of attention, something that provided power at the strike of a match
must have had its attractions.
From "Electricity in The Service of Man".
Left: Article in Nature: Nov 18,1875.
Doctor Stone reads an article on thermopiles.
This gives some interesting practical details on the problems of brittle thermocouple materials and the difficulty of avoiding
oxidation when iron was used as one half of the couple, as it was in the Clamond pile. There is also the interesting
suggestion that petroleum should be vaporised at the cool junctions, reducing their temperature, and the resulting vapour
burnt at the hot junctions.
Attempts to find out more about Dr Stone have so far failed.
This article comes from the English journal Nature, not to be confused with the French journal of the same name.
Left: Gülcher's thermopile: c 1898.
It looks as if it was gas-fired, with the gas going in through the spigot on the right, but unfortunately that is all I know about it at present.
This example is in the History Museum of the University of Pavia in Lombardy, Italy.
Left: Commercial thermopile: 1898.
A handy thermopile with wall-mounting bracket. It is gas-fired, with the gas going in through the central spigot.
The output terminals are bottom left. Manufacturer unknown, but if it really could be supplied by "any respectable
electrician" it must have seen some commercial success.
Cooling looks like it might be any issue; presumably it relied on convection and radiation from the cylindrical
outer surface, as there are no signs of water cooling arrangements. I would have thought that would have reduced
its effciency markedly. There are no visible fins to improve cooling.
If the biggest model gave 2.5A at 8.5V, that's a healthy output of 21 Watts.
Bottone was a regular contributor to discussions in the English Mechanic at the time.
From English Mechanic 9 Sept 1898, p98
AN ASIDE ON EARLY GAS SUPPLY. Coke-firing is clearly not an attractive option unless you had a big thermopile like the Improved Clamond above. Coal gas was far superior for table-top models.
But when did gas supply to buildings start? Here are a few historical nuggets that show that gas could be laid on rather earlier than you might think. But for a year or two,
the Duke of Wellington could have written his despatch reporting his victory over Napoleon at Waterloo by gaslight.
By 1819, 288 miles of gas pipes had been laid in London to supply 51,000 burners.
The first commercial town gas supply in the USA began at Baltimore, Maryland in 1816, lighting residences, streets, and businesses.
By 1850, all public lighting in France was by gas.
I have so far no been able to discover when gas was introduced in the German states; can anyone help? Anyway, I think I have shown that a gas supply
was in fact ready and waiting for the thermopile.
THERMO-ELECTRIC GENERATORS IN THE TWENTIETH CENTURY
Left: Yamamoto patent: 1905.
This thermopile was patented in Japan in 1905 by one Kinzo Yamamoto. Few other details
are known; much information was destroyed in the Tokyo Earthquake of 1923.
The P-type material is made of bismuth, antimony and zinc in the proportions:
Bi:Sb:Zn=12.0:48.0:36.8. In the figure, D is a P-type "Bullet" and E is a Nickel electrical connection.
(Probably that should be nickel-silver: see above)F is the pin to collect heat flow from the flame.
A is an electrical and thermal metal connection. B is a cooling fin.
This design has an unmistakable resemblance to the Noe thermopile above; in fact it appears to be a very faithful copy. It was presumably intended for powering radios,
but this is pure guesswork on my part.
It appears that Great Britain was rather slow in electrification compared with other European countries. Light could be provided by gas, and heating by coal, but electricity
was needed to run radios and a gas-fired thermopile was one way to get it. Alternatively, you took your lead-acid filament accumulator into town to get it charged for you,
which was somewhat less than convenient.
THE THERMATTAIX: circa 1925
Left: The Thermattaix: circa 1925.
Not a name that exactly trips off the tongue. The voltmeter on the front registers from 0 to 10 Volts;
a suitable voltage range for charging accumulators running 6.3 Volt valve heaters. The black knob
below the meter obviously controlled something- presumably the gas supply. It appears this device was designed to charge lead-acid accumulators rather than power the radio directly.
This may have been because output voltage fluctuations would have had little effect on accumulators,
but would have been very bad for the filaments of valve heaters.
This example is in the Science Museum in London.
The magazine Amateur Wireless, in April 1929 carried an advert for the Thermattaix, apparently claiming that it could work your wireless set by gas, petrol, electricity or steam. Electricity?
It goes on to claim that amongst their customers were gas companies, the Italian airforce, architects of note and big game expeditions in Africa and India.
THE CARDIFF GAS LIGHT & COKE CO: 1930s
The gas-fired machine below, which seems to have no name, but was sold by the The Cardiff Gas Light & Coke Company, was brought to my attention by John Howell, who says that his father
sold a number of these when working in South Wales during the 1930's; that's what triggered this page. I must admit that I had never heard of such a thing in Britain before- they must have been
fairly rare. I would have thought that by 1930 the provision of mains electricity would have been well advanced. However, apparently not.
Whether The Cardiff Gas Light & Coke Co made this machine themselves, or bought it in, is currently unknown.
Left: The gas-fired thermo-electric generator: 1930s.
Well, it was certainly the invention of a generation, but not of the generation that advertised this machine,
as you will have seen from the thermopiles above.
It is believed it contained thermopiles (ie series arrays of thermocouples) that produced 2 Volts @ 0.5 amps for valve
filaments/heaters and 120 Volts @ 10mA for the HT.
Thermocouples do not generate much voltage, but since they are simply junctions between two kinds of wire,
connecting many in series is feasible. One of the most useful combinations is Ni/NiCr, ie nickel/nickel-chromium.
This has a thermovoltage of about 4 mV/100K and a usable temperature range up to some 1000 K. This is very
likely the type of couple used in this generator; it implies that 40 mV is about the most you can get from each
thermocouple, so 50 in series would have been needed for the 2 V filament supply and 3000 in series for the
120 V HT. This sounds possible, though probably rather protracted to assemble and maybe heavy on labour costs.
It would be interesting to know what the retail price was.
Picture kindly provided by John Howell.
Left: Advertising blurb for the thermo-electric generator. Probably printed on the other side of the page above.
The automatic control feature is intriguing. Given that any radio of the time would have had a Class-A output stage,
whose current drain does not depend on volume, there seems no need to compensate for load changes.
What might have been more useful (and possibly what the copywriter meant) would have been control to stabilise
the 2V filament supply against changes in gas pressure. Excess filament voltage would have seriously
reduced the life of the valves.
You may have heard of "steam radio" but this advertisment offers "gas radio".
Picture kindly provided by John Howell.
Left: The gas-fired thermo-electric generator: 1930s.
With no sign of a connection for an outside flue, I can't help wondering how much carbon monoxide these things produced.
Apologies for poor picture quality.
THE RUSSIAN LAMP: 1959
Left: A Russian thermo-electric generator based on a kerosene lamp.
This lamp was introduced in 1959, once again to power radios. Presumably there were parts of Russia that Stalin's
electrification program had not reached. The output voltage(s) are unknown, but since a picture is known to exist
of it powering a valve radio, HT must have been generated somehow, possibly by a vibrator power supply. (In this context a vibrator is an electromechanical device, similiar to an electric bell, that chops low-voltage DC into
crude AC that can be applied to a step-up transformer. They were widely used in car radios before semiconductors arrived)
I have just been informed by Pine Pienaar that he has seen one of these things, and it yielded both 1.5 and 90 Volts,
so it could replace a composite dry battery with the same output voltages. Such batteries were once widely used to
operate small radios.
Such radios typically used four 7-pin valves and needed a 90V HT supply at around 12mA and a 1.5V filament supply
at 125mA or 250mA depending on the valves used.
This example seems to be missing its metal chimney. (see pictures below)
Left: Cutting about the Russian thermo-electric generator.
This confirms that the 90V HT was generated directly.
Presumably "invested" should read "invented".
Cutting kindly provided by Ed Maurus, original source unknown.
