Forschung -

Stromerzeugung mit dem Phänomen der Strahlungskühlung

Wenn sich über Nacht Frost am Boden bildet, auch wenn die Temperaturen weit über dem Gefrierpunkt liegen, oder Wassertropfen auf den Windschutzscheiben von Autos auch in einer klaren Nacht auftreten, ist die Ursache oft ein Phänomen, das als strahlende Himmelskühlung bezeichnet wird.

In einem in "Joule" veröffentlichten Artikel berichten Forscher unter der Leitung eines UCLA-Materialwissenschaftlers, dass sie die Prinzipien der Strahlungskühlung nutzten, um eine innovative Methode zur Erzeugung erneuerbarer Energien bei Nacht zu entwickeln.

Dieser Ansatz könnte in eine kostengünstige Technologie überführt werden, die letztendlich ein Segen für die mehr als 1 Milliarde Menschen auf der ganzen Welt wäre, die laut der Internationalen Energieagentur keinen zuverlässigen Zugang zu Elektrizität haben.

Das Konzept kann als eigenständige Technologie genutzt werden oder sie lässt sich in Kombination mit der Solarenergie zur Stromerzeugung bei Tag und Nacht einsetzen.

Die Strahlungskühlung ist ein natürliches Phänomen, bei dem eine dem Himmel zugewandte Oberfläche ihre Wärme als Wärmestrahlung an die Luft abgibt. Ein Teil dieser Wärme steigt schließlich in die obere Atmosphäre und dann in kältere Weltraumbereiche auf.

"Dieser Effekt tritt natürlich immer auf, besonders in klaren Nächten", sagte Aaswath Raman, Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der UCLA Samueli School of Engineering, der das Forschungsprojekt leitete. "Das Ergebnis ist, dass das Objekt, das die Wärme abgibt, egal ob Auto, Boden oder Gebäude, etwas kühler ist als die Umgebungstemperatur."

Die neue Technologie nutzt diesen Temperaturunterschied aus, indem sie einen Teil der Wärme aus der Umgebungsluft, die sonst in den Himmel steigen würde, aufnimmt und in Strom umwandelt.

Die Forscher entwickelten ein einfaches und kostengünstiges Gerät, um die Technologie zu demonstrieren: Alle im Experiment verwendeten Teile wurden in Hardware- und Elektronikgeschäften für Gesamtkosten von weniger als 30 US-Dollar gekauft.

Ihr Aufbau auf einem Gebäudedach, bestand unter anderem aus einer Aluminiumscheibe, die auf einer Seite schwarz lackiert war und dem Himmel zugewandt war.

Mit der Scheibe strahlten die Forscher die Wärme ab, die von der Umgebungsluft abgegeben wird. Ein thermoelektrischer Generator - eine Vorrichtung, die als Reaktion auf eine Temperaturdifferenz elektrische Spannung erzeugt - wandelt diese Wärme anschließend in Strom um.

Das Gerät erzeugte bis zu 25 mW/m2, genug, um eine LED-Glühbirne zu betreiben. Obwohl das Gerät wesentlich weniger Energie erzeugt als eine ähnlich große Solarzelle, meinte Raman, dass es doch zur Stromerzeugung in der Nacht, an Orten außerhalb des Stromnetzes oder für Benutzer, die keinen einfachen Zugang zu Batterien haben, verwendet werden könnte.

Raman fügte hinzu, dass sich die Technologie mit besseren Komponenten verbessern lässt und dass sie potenziell bis zu 0,5 W/m2 erzeugen könnte - etwa 20-mal mehr als das Gerät, das die Forscher demonstrierten - besonders in heißen, trockenen Klimazonen, in denen der Strahlungskühlungseffekt am stärksten ist.

Mit diesen Ergebnissen, sagte er, könnte ein kleiner Aufbau auf dem Dach eines Hauses über Nacht genug Strom liefern, um ein Handy aufzuladen oder einen Raum mit LED-Glühbirnen zu beleuchten.

"Wir denken, dass dies eine faszinierende Demonstration ist, wie die Kälte des Weltraums als erneuerbare Energiequelle genutzt werden kann und zu bescheidenen, aber nutzbaren Elektrizitätsmengen führt", sagte Raman.

"Wir sind der Ansicht, dass sie auch die Grundlage für eine komplementäre Technologie zur Solarenergie bilden könnte. Während die Leistungsabgabe immer deutlich niedriger sein wird als bei Solargeräten, kann diese neue Technologie zu Zeiten betrieben werden, in denen Solarzellen nicht funktionieren."

Die Strahlungskühlung des Himmels hat sich in den letzten zehn Jahren zu einem aktiven Forschungsthema entwickelt. In einer in 2014 in "Nature" veröffentlichten Studie zeigten Raman und Kollegen, wie das Phänomen genutzt werden kann, um Objekte wie ein Gebäude an warmen, sonnigen Tagen zu kühlen. Diese Studie war ein wichtiger Schritt, um das Phänomen für Energieanwendungen zu nutzen.

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