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Eine Alternative zu Ihrer Lichtmaschine
Forscher des MIT entwickeln eine neue Technologie zur Umwandlung von Wärme in Licht und dann in Strom, die schließlich Kraftstoff in Fahrzeugen sparen könnte, indem sie weniger effiziente Lichtmaschinen ersetzt und elektrische Systeme ohne Motorleerlauf laufen lässt.
Ein thermophotovoltaischer (TPV) Generator verbrennt Kraftstoff, um ein Material zu erhitzen, das Licht emittiert (bezeichneter Radiator). Das Licht wird dann gefiltert und in Photovoltaik (PV)-Zellen in Strom umgewandelt. (Bild mit freundlicher Genehmigung von John Kassakian, MIT.)
Die Thermophotovoltaik genannte Technologie verwendet Benzin, um ein lichtemittierendes Material, in diesem Fall Wolfram, zu erhitzen. Eine Photovoltaikzelle wandelt dann das Licht in Strom um. Die Idee gibt es schon seit den 1960er Jahren, sagt John Kassakian, Professor für Elektrotechnik und Informatik am MIT. Doch bisher produzierten die Lichtsender für die Photovoltaik ineffiziente und sehr kostspielige Systeme. Verbesserungen der Materialien, die in diesen neuesten Geräten verwendet werden – teilweise möglich, weil Forscher die Materialstruktur im Nanobereich modifizieren können – führen jetzt zu viel effizienteren Systemen, sagt Kassakian.
Laut Kassakian könnte das System möglicherweise eine effizientere Möglichkeit sein, elektrische Systeme in einem Fahrzeug mit Strom zu versorgen als das derzeitige auf Lichtmaschinen basierende System, das Energie in zwei Stufen verschwendet: Der Verbrennungsmotor wandelt nur etwa 30 Prozent der Energie des Kraftstoffs in Bewegung, und dann wandelt die Lichtmaschine die mechanische Energie nur zu 50 Prozent in Strom um. Er sagt, dass ein kleiner Prototyp eines Thermophotovoltaik-Geräts, das die verbesserte Effizienz des Systems bestätigen könnte, in einem Jahr fertig sein könnte.
Die Forscher modifizierten die Oberflächenstruktur des Lichtemitters und ätzten darin nanoskalige Vertiefungen, um die Wellenlängen des emittierten Lichts genau auf die Wellenlängen abzustimmen, die eine Photovoltaikzelle am effizientesten in Strom umwandeln kann. Sie verfeinerten das Gerät mit Filtern, die die gewünschten Wellenlängen des Lichts zu den Photovoltaikzellen durchlassen, andere Wellenlängen jedoch zurück zum Lichtemitter reflektieren. Das reflektierte Licht trägt Energie, die dazu beiträgt, den Emitter heiß zu halten, wodurch der Kraftstoffverbrauch reduziert wird.
Neben dem Ersatz des Generators durch ein Thermophotovoltaik-Modul, so Kassakian, könnte die Technologie Teil einer Klimaanlage für Fahrzeuge sein, die keinen Kompressor benötigt. Da dies die Belastung eines Motors erheblich verringern würde, könnte es möglich sein, den Motor beim Stoppen des Fahrzeugs auszuschalten und ihn problemlos wieder zu starten. Heutige Hybride nutzen diese Technik, um Sprit zu sparen, benötigen aber große Batterien, um Strom für Radio und Licht zu liefern, den Motor neu zu starten, und müssen den Motor wieder einschalten, wenn die Batterie leer ist. Im neuen MIT-System wären diese Batterien nicht notwendig.
Wenn die neuen Materialien die Thermophotovoltaik effizienter machen, wird es an Einsatzmöglichkeiten nicht mangeln. Eine besonders gute Anwendung, so Kassakian, könnte in Kombination mit der neuen Klimaanlage in Lkw mit Schlafkabinen zum Kühlen der Kabinen und zur Stromversorgung von Fernsehern und anderen Geräten eingesetzt werden. Und, sagt Donald Chubb, ein Forscher am NASA Glenn Research Center, das Militär hat großes Interesse daran für tragbare Netzteile im Feld. Da es keine beweglichen Teile gibt, gibt es keine Geräusche, sodass Sie sie nicht erkennen können.
Bis die Technologie in Fahrzeugen eingesetzt werden kann, werden jedoch noch einige Jahre vergehen. Zu den Herausforderungen zählen die Skalierung des Herstellungsprozesses, die Entwicklung effektiver Isolations- und Kühlsysteme zur Verwaltung der erzeugten Wärme und die Sicherstellung, dass das System in größerem Maßstab effizient bleibt. Die MIT-Forschung wird teilweise von Toyota finanziert, aber der Autohersteller hat sich nicht verpflichtet, die Technologie zu implementieren.