Forschung -

Energie aus Meerwasser

Unterwasserfahrzeuge und -detektoren sowie Tauchroboter benötigen eine eigene Energieversorgung, wenn sie über längere Zeit unabhängig von Begleitschiffen betrieben werden sollen. Praktikabler als Akkus ist die elektrochemische Energiegewinnung aus Meerwasser. Ein neuer Ansatz erlaubt bei langen Laufzeiten auch kurzzeitige Belastungsspitzen, indem das System autonom zwischen zwei Betriebsmodi umschaltet.

Unterseeisches Gelände erforschen, Strömungen und Temperaturen aufzeichnen, Pipelines und Tiefseekabel inspizieren und reparieren – das sind nur einige Beispiele für Aufgaben, die Unterwassergeräte selbsttätig in den Tiefen der Ozeane ausführen sollen. Die Herausforderung dabei: Ihre Stromgeneratoren sollen sowohl eine hohe Energiedichte (lange Laufzeit bei Grundstromverbrauch) als auch eine hohe Leistungsdichte (kurzzeitiger hoher Stromfluss) bieten.

Ein Forscherteam der East China Normal University in Shanghai der Shanghai University sowie der Chinese Research Academy of Environmental Sciences in Beijing hat sich von marinen Mikroorganismen inspirieren lassen, die ihre Zellatmung je nach benötigtem Leistungs-Output entweder in einem aeroben oder einem anaeroben Modus vollziehen, indem sie verschiedene Stoffe als Elektronenakzeptoren verwenden. Nach diesem Prinzip arbeitet auch ein neuer Stromgenerator.

Erfolgsgeheimnis ist eine Kathode aus Berliner Blau, einer offenen Gerüststruktur mit Cyanidionen als Verstrebungen und Eisenionen als Knotenpunkten, die leicht Elektronen aufnehmen und abgeben können. Mit einer Metallanode kombiniert lässt sich damit Strom aus Meerwasser generieren.

Ist die abgerufene Leistung gering, werden die in die Kathode einfließenden Elektronen sofort auf gelösten Sauerstoff übertragen. Da gelöster Sauerstoff im Meer unerschöpflich ist, kann die Energieversorgung bei niedrigem Stromfluss theoretisch ewig laufen. Die Konzentration des Sauerstoffs jedoch ist gering. Bei stark erhöhter Leistung ist nicht genug Sauerstoff an der Kathode, um alle ankommenden Elektronen sofort aufzunehmen. Nun muss das Berliner Blau diese speichern, indem Eisenionen vom dreifach in den zweifach positiv geladenen Zustand wechseln.

Für den Ladungsausgleich lagern sich positiv geladene Natriumionen in das Gerüst ein. Da diese in hoher Konzentration in Meerwasser vorhanden sind, können viele Natriumionen und damit auch viele Elektronen in kurzer Zeit aufgenommen werden. Nimmt der Strombedarf dann wieder ab, werden die Elektronen wie zuvor auf den Sauerstoff übertragen. Der Sauerstoff regeneriert das Gerüst zudem, Fe2+ wird wieder zu Fe3+, die Natriumionen treten aus.

Das neue System zeigte sich in korrosivem Meerwasser sehr stabil und überstand eine Vielzahl an Moduswechseln. Im Hochenergiemodus lief es kontinuierlich über vier Tage, ohne an Leistung zu verlieren. Im Hochleistungsmodus konnte es 39 Leuchtdioden versorgen und einen Propeller antreiben.

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