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Ein Motor, der Schallwellen nutzt
Ein Start-up hat einen neuartigen Motor entwickelt, der mit der Effizienz einer Brennstoffzelle Strom erzeugen könnte, aber nur etwa so viel kostet wie ein Verbrennungsmotor.
Schallmauer: Dieser Prototyp-Motor nutzt Thermokustik, um Wärme in Strom umzuwandeln.
Etalim , mit Sitz in Vancouver, Kanada, sagt, dass sein Motor, der ungefähr die Größe eines Basketballs hat, die Wirtschaftlichkeit der Stromerzeugung für die Kraft-Wärme-Kopplung in Häusern verbessern und die von konzentrierenden Sonnenkollektoren erzeugte Wärme nutzbar machen könnte. Das Unternehmen hat einen Prototyp erstellt, muss jedoch noch die Effizienz erreichen – über 40 Prozent –, die laut Computermodellen in Reichweite sind.
Das Gerät teilt einige Prinzipien eines Stirlingmotors, bei dem eine externe Wärmequelle verwendet wird, um eine feste Menge Arbeitsgas (normalerweise Helium) zu expandieren, das sich dann zusammenzieht, wenn es in einen kühleren Raum gedrückt wird. Dieser Expansions-Kontraktions-Zyklus wiederholt sich und wandelt Wärme in mechanische Arbeit um, indem ein Kolben angetrieben wird.
Laut Ron Klopfer, CEO von Etalim, besteht ein grundlegendes Problem bei Stirling-Motoren darin, dass sie bei sehr hohen Temperaturen und Drücken laufen müssen, um effizient zu sein, was es schwierig macht, das Gas im Zylinder, der den Kolben umschließt, dicht zu halten. Bei diesen Temperaturen kann man herkömmliche Versiegelungsmethoden nicht anwenden, sagt er. Sie können weder Gummi noch Gleitmittel verwenden. Es muss trockenes Metall auf Metall sein, und das sind sehr teure, hochpräzise Teile, die zu hohen Kosten führen.
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Sehen Sie, wie der Motor funktioniert.
Der Gründer und Chefwissenschaftler von Etalim, Thomas Steiner, sah die Möglichkeit, alle scheuernden Teile und Dichtungen, die anfällig für Verschleiß und Leckagen sind, zu beseitigen, indem ein auf Thermoakustik basierendes Design verwendet wird, das Wärme verwendet, um die Intensität der Schallwellen in einem abgedichteten Hohlraum zu steuern.
Im Kern des Etalim-Motors befindet sich eine Metallplatte, die die Funktion eines Kolbens in einem herkömmlichen Stirling-Motor ersetzt. Wenn unter Druck stehendes Helium auf der Oberseite der Metallplatte erhitzt wird, werden Schallwellen, die sich durch das Gas bewegen, verstärkt, wodurch die Platte vibriert und eine Metallmembran darunter (durch eine kühlere Heliumschicht getrennt) auf eine Welle gedrückt wird. Jegliche mechanische Reibung wird eliminiert. Die Welle ist mit einer Lichtmaschine verbunden, die Strom erzeugt.
Die Vibration der Platte bewegt die Welle nur um zwei Zehntel Millimeter pro Zyklus, sodass bei jedem Zyklus nicht viel Helium bewegt wird. Dafür schafft der Motor rasante 500 Zyklen pro Sekunde. Wenn Sie zu Hochfrequenz gehen, können Sie mehr Leistung daraus ziehen, sagt Greg Swift, ein Thermoakustik-Experte bei Nationale Laboratorien von Los Alamos der eine frühe Version von Etalims Motor gesehen hat. Steiner hat wirklich gute Arbeit geleistet, eine andere [Design-]Richtung einzuschlagen und keine Fehler zu machen.
Das Unternehmen hat ehrgeizige Ziele. Ein erster Prototyp, der letztes Jahr fertiggestellt wurde, zeigte, dass das Konzept funktioniert, aber relativ wenig Wärme verbraucht wurde, sodass sein Wirkungsgrad nur 10 Prozent betrug. Ein zweiter Prototyp, der bei 500 °C einen Wirkungsgrad von 20 bis 30 Prozent anstrebt, wird im Frühjahr erwartet.
Für 2012 wird ein kommerzielles Produkt mit 40 Prozent Wirkungsgrad bei 700 °C angestrebt. Es soll zunächst als günstigerer und langlebigerer Konkurrent zu Brennstoffzellen für die Kraft-Wärme-Kopplung in Wohngebäuden verkauft werden. Das Unternehmen glaubt, den Motor für weniger als 1 US-Dollar pro Watt herstellen zu können, und hat ein langfristiges Ziel von 15 Cent pro Watt, was ihn günstiger machen würde als ein vergleichbarer Verbrennungsmotor.
Alles, um uns auf 40 Prozent Effizienz zu bringen, entspreche dem, was wir bisher an unserem Prototyp gesehen haben, sagt Klopfer und fügt hinzu, dass 50 Prozent das längerfristige Ziel seien. Um von 40 auf 50 Prozent zu kommen, müssen wir die Temperatur auf 1.000 °C erhöhen, und das erfordert etwas Keramik.
Mike Hayden , Physikprofessor an der Simon Fraser University, sagt, dass das Design von Etalim vielversprechend ist, aber es stehen noch viele technische Arbeiten bevor, um zu beweisen, dass das Gerät mit hohen Temperaturen umgehen kann und die Art von Effizienz erreicht, die es auszeichnen würde. Aber es besteht kein Zweifel, dass diese Jungs etwas Interessantes haben, sagt er.