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Terahertz-KalorimetrieWie sich Wasser in der Umgebung von gelösten Molekülen verhält

Hat Idee des Terahertz-Kalorimeters realisiert: Martina Havenith

Chemikerinnen und Chemiker der Ruhr-Universität Bochum haben eine neue Methode entwickelt, mit der sie Veränderungen in der Energie und Struktur von Wassermolekülen in der Umgebung gelöster Moleküle erfassen können. 

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Strom aus MeereswellenEPoSil-Konsortium zeigt ersten Demonstrator

Ein an der TU Darmstadt entwickelter erster Demonstrator zeigt im Labor von Bosch bereits heute, wie sich die Energie von Meereswellen in Elektrizität wandeln lässt. Ziel des Forschungsverbundes EPoSiL, an dem vier Unternehmen und die TU Darmstadt sowie TU Hamburg-Harburg beteiligt sind, ist die nachhaltige Energieversorgung entlang der weltweiten Küstenlinien.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt die Arbeit des Projekts EPoSIL (Elektroaktive Polymere auf Silikonbasis zur Energiegewinnung) bis Januar 2015 finanziell mit fast 2 Mio. Euro. Die Förderung ist Teil des Programms "Intelligente Werkstoffe für innovative Produkte".

Nach einer Berechnung der Vereinten Nationen ist in den Wellen ein riesiges Energiepotenzial von 29500 Terawattstunden im Jahr gespeichert. Zum Vergleich: 2010 wurden weltweit rund 21500 Terawattstunden elektrische Energie erzeugt, berichtet die Internationale Energie-Agentur. EPoSil soll den Zugang zu dieser regenerativen Energieform ermöglichen. In einem Bericht des UN-Weltklimarates zur Ozeanenergie heißt es unter anderem: "Energie aus dem Ozean hat auf lange Sicht das Potenzial, den Ausstoß von Kohlendioxid zu verringern." Diese Ansicht teilt auch das Bundesverkehrsministerium in seinem "Entwicklungsplan Meer".

Die Beteiligten
Um die Kraft der Wellen zu nutzen, haben sich kompetente Partner zusammengefunden: Die Wacker Chemie AG liefert einen Werkstoff auf Siliconbasis. Dieser ist wesentlicher Bestandteil des sogenannten elektroaktiven Polymers, das mechanische in elektrische Energie umsetzt. Die Koordination übernimmt Bosch, zusammen mit dem Unterauftragnehmer Compliant Transducer Systems.

Das Institut für Elektromechanische Konstruktionen an der TU Darmstadt entwickelt eine Methode, um die elektroaktive Polymere zu testen. Ein geplantes, schwimmendes Maßstabmodell soll im Wellenkanal der TU Hamburg-Harburg erprobt werden. Die Anlagen zum Test der Generatoreinheiten werden vom Ingenieurbüro Brinkmeyer & Partner in Winnenden entwickelt. Bosch-Rexroth unterstützt das Konsortium beim Bau der Modelle.

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Wandlung der Wellenkraft

Strom aus Meereswellen: EPoSil-Konsortium zeigt ersten Demonstrator

Der Energiewandler besteht im Kern aus einer dreilagigen Folie. Oben und unten befindet sich je eine elektrisch leitende Schicht (Elektrode). In der Mitte liegt ein extrem elastisches, sehr gut isolierendes Silicon, das sich auch unter industriellen Bedingungen in immer gleich bleibender Stärke fertigen lässt. Durch die Bewegung der Wellen wird eine mechanische Kraft auf den Wandler übertragen. Die Welle presst das Silicon zunächst zusammen. Damit rücken auch die beiden Elektroden näher aneinander.

Jetzt wird von außen eine elektrische Spannung angelegt: Eine der Elektroden wird positiv, die zweite negativ geladen. Bewegt sich die Welle weiter, nimmt die Kraft auf den Wandler ab. Das Silicon entspannt sich, wird wieder dicker. Daher entfernen sich die Elektroden und mit ihnen die Ladungen voneinander. Dieser Effekt bewirkt, dass sich die elektrische Energie im Wandler erhöht. Gewünschte Folge: Die mechanische Energie aus der Welle ist in elektrische Energie umgesetzt. Diese wird entnommen, und dann beginnt der Zyklus von vorne.

Folienstapel
Es gibt mehrere technische Möglichkeiten, wie Meereswellen die mehrlagigen Folien stauchen und dehnen können. Vereinfacht lässt sich eine Boje aus zwei Teilen vorstellen: Die obere Hälfte schwimmt auf der Oberfläche, die untere ist am Meeresboden fest verankert. Beide sind durch einen Stapel aus tausenden Folien miteinander verbunden. Die Wellenbewegung deformiert die Folien im Abstand von 3 bis 10 Sekunden.

"Die elektrischen Ströme der Einzelschichten addieren sich", erklärt Projektleiter Dr. Istvan Denes von der zentralen Forschung und Vorausentwicklung von Bosch in Waiblingen bei Stuttgart. Später liefern mehrere Wandler im Verbund Strom. Dass dies im Labor während sogenannter Trockentests bereits funktioniert, zeigt Denes an einem ersten Demonstrator, der am Institut für Elektromechanische Konstruktionen an der TU Darmstadt hergestellt wurde.

Test im Wellenkanal
Das erste, maßstabgetreu verkleinerte Modell eines Wellen-Generators soll 2014 im Wellenkanal der Technischen Universität Hamburg-Harburg zu Wasser gelassen werden. Die Pläne sehen vor, dass kommerzielle Wellen-Generatoren mehrere zehnmillionen Dehnungs- und Stauchungsvorgänge absolvieren. Der angestrebte Wirkungsgrad bei der Wandlung der mechanischen in elektrische Energie liegt bei 50 %.

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