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Fortschritte bei einer leistungsstarken neuen Art der Stromerzeugung
Vor etwa vier Jahren forschten Forscher in Michael Stranos Labor für chemische Verfahrenstechnik am MIT ein kurzes Stück Garn aus Kohlenstoffnanoröhrchen mit TNT beschichtet und an einem Ende mit einem Laser beleuchtet. Es funkelte und brannte wie eine Lunte und demonstrierte eine neue Art der Stromerzeugung, die phänomenale Energiemengen erzeugt.
Damals verstand niemand, wie es funktionierte, und es war so ineffizient, dass es kaum mehr als eine Kuriosität im Labor war, sagt Strano.
Jetzt hat Strano die zugrunde liegende Physik herausgefunden, die seinem Team geholfen hat, die Effizienz dramatisch zu verbessern – um das 10.000-fache – und einen Weg für weitere schnelle Verbesserungen aufgezeigt. Eines Tages könnten Generatoren, die dieses Phänomen nutzen, die Lebensdauer tragbarer Elektronik verlängern und Elektroautos so bequem wie herkömmliche machen, indem sie sowohl ihre Reichweite erhöhen als auch ein schnelles Auftanken in Minuten ermöglichen.
Die Wirkungsgrade der bisher hergestellten Laborgeräte sind im Vergleich zu herkömmlichen Generatoren noch gering. Stranos neuestes Gerät hat einen Wirkungsgrad von etwas mehr als 0,1 Prozent, während herkömmliche Generatoren einen Wirkungsgrad von 25 bis 60 Prozent haben.
Aber Strano sagt, dass sie in einigen Nischenanwendungen nützlich sein könnten, wo ein plötzlicher Leistungsschub benötigt wird. Und Strano sagt, dass die weiteren Effizienzsteigerungen bedeuten, dass bald breitere Anwendungen möglich sein könnten.
Die neuen Generatoren nutzen ein Phänomen, das Strano Thermopower-Welle nennt. Der herkömmliche Weg zur Erzeugung von Elektrizität durch Verbrennen eines Brennstoffs besteht darin, Wärme zu verwenden, um zu bewirken, dass sich ausdehnende Gase eine Turbine oder einen Kolben antreiben. Während der Brennstoff in Stranos System entlang seiner Nanoröhren verbrennt, treibt die Verbrennungswelle Elektronen vor sich her und erzeugt einen elektrischen Strom. Es ist eine viel direktere und effizientere Art, Strom zu erzeugen, da keine Turbinen oder herkömmliche Generatoren erforderlich sind.
Da der Nanogenerator mit flüssigen Kraftstoffen betrieben wird, die weitaus mehr Energie speichern als Batterien, besteht die Hoffnung, dass Elektroautos viel weiter fahren können als bisher.
Es ist ein Aufbau, der dem eines Verbrennungsmotors nicht unähnlich ist, bei dem Kraftstoffstöße in Brennkammern gesprüht werden, um Kolben anzutreiben. Leistungselektronische Schaltungen könnten die Stromstöße mehrerer Nanoröhren-Generatoren aufnehmen und glätten, um damit beispielsweise Elektromotoren in einem Auto anzutreiben. Der Kraftstofftank konnte wie bei einem herkömmlichen Auto nachgefüllt werden. Und weil die Kohlenstoffnanoröhren dabei nicht verbraucht werden, können sie immer wieder verwendet werden.
Kürzlich entdeckte Strano, dass der Wechsel von Nanoröhren zu flachen Blättern aus Nanomaterialien – wie z. B. Graphen mit einer Dicke von einem Atom – die Effizienz verbessert. Die Formgebung der Platten, um die Energie der Thermopower-Welle zu lenken, steigert ebenfalls die Leistung.