Form

Mar 03, 2024

Ein Prototyp eines Abwärmemotors läuft, indem heißes und kaltes Wasser durch seine Kolben zirkuliert

Vor einem halben Jahrzehnt trafen sich ein Wissenschaftler, ein Ingenieur und ein Geschäftsmann in einem Hinterhof in Dublin, um ein Experiment durchzuführen. Sie erhitzten Wasser in einer elektrischen Teemaschine und gossen es dann in ein halbiertes Rohrstück. Am Boden der Halfpipe lag ein Stück Draht, und einer der Männer hielt ein Lineal daneben. Als das heiße Wasser durch das Rohr strömte, verkürzte sich der Draht um mehrere Zentimeter; Als sie kaltes Wasser darüber gossen, nahm es wieder seine ursprüngliche Länge an. Das Trio dachte, sie könnten etwas Großes auf der Spur sein.

Der seltsame, sich verändernde Draht, den sie testeten, bestand aus einem Material namens Formgedächtnislegierung. Solche Metalle(und einige Nichtmetalle) Sie verschieben sich in vorgegebene Formen und aus diesen heraus, wenn sie bestimmten Temperaturen, Druck oder elektrischen Reizen ausgesetzt werden. Die vor 60 Jahren erfundene Formgedächtnislegierung wird in Bereichen wie der Biomedizin und der Luftfahrttechnik eingesetzt. Doch eine der am schwersten zu fassenden Anwendungen ist die Gewinnung von Energie aus heißem Wasser. Jetzt sagen diese ehemaligen Hinterhofexperimentatoren – Gründer einer Firma namens Exergyn –, dass sie einen Motor entwickelt haben, der Morphing-Draht und heißes Wasser, das bei industriellen Prozessen übrig bleibt, zur Stromerzeugung nutzt.

Schätzungen zufolge geht etwa ein Drittel der von der Industrie in den USA verbrauchten Energie als Wärme verloren. „In industriellen Prozessen oder beim Wärmeaustausch, wenn Wasser zum Kühlen von Maschinen oder Kraftwerken verwendet wird, wird viel Energie verschwendet“, sagt Rigoberto Advincula, Professor für Makromolekularwissenschaften an der Case Western University und Abwärmeexperte, der es nicht ist verbunden mit Exergyn. Das erhitzte Wasser, das als Nebenprodukt industrieller Anwendungen – einschließlich der Stromerzeugung – entsteht, ist nicht heiß genug, um Dampf zu erzeugen, der einen Motor zum Betrieb eines Generators antreiben kann.

Einige Kraftwerke und Industrieanwender leiten ihr heißes Abwasser durch Sekundärmotoren, die mithilfe eines Prozesses, der als organischer Rankine-Zyklus bezeichnet wird, einen kleinen Prozentsatz der Energie in diesem Wasser in Elektrizität umwandeln. Diese Technologie erfordert jedoch Chemikalien, um aus dem erhitzten Wasser Strom zu erzeugen. Einige der hierfür am besten geeigneten Chemikalien sind gefährlich oder schädlich für die Umwelt und werden daher häufig verboten oder unterliegen Beschränkungen. Sauberere Chemikalien gewinnen nicht so effizient Energie aus Abwasser. Dies erhöht die Betriebskosten für den Betrieb dieser Motoren, was bedeutet, dass sie nicht immer kosteneffektiv sind, so Jonathan Koomey, Dozent für Erdsysteme an der School of Earth, Energy and Environmental Sciences der Stanford University, der nicht mit Exergyn verbunden ist.

Hier kommen die Morphing-Drähte ins Spiel. Formgedächtnislegierungen haben einzigartige molekulare Eigenschaften – sie wechseln je nach Temperatur zwischen vorgegebenen Formen. Aus diesem Grund ist dieses Material das Herzstück des neuen Motors von Exergyn, der Nitinol verwendet, eine Variation der ursprünglichen Formgedächtnislegierung. „Der Name steht für die Tatsache, dass es sich um eine Legierung aus Nickel (Ni) und Titan (Ti) handelt, und das NOL bezieht sich auf das [ehemalige] Naval Ordnance Laboratory, wo Nitinol erfunden wurde“, sagt Preston MacDougall, Professor für Chemie an der Middle Tennessee State University, die nicht mit Exergyn verbunden ist.

Auf molekularer Ebene ist Nitinol seltsam geordnet. „Die meisten Legierungen haben auf molekularer Ebene keine wirkliche Struktur. Sie ähneln Lösungen von Metallen, im Gegensatz zu der geordneten Anordnung in etwas wie einem Salzkristall oder einem Diamanten“, sagt MacDougall. Nitinols Moleküle bilden jedoch regelmäßige Quader mit 90-Grad-Winkeln. Unter dem Mikroskop, sagt MacDougall, sieht es aus wie ein Haufen gestapelter Schuhkartons.Wenn man diese Moleküle erhitzt, richten sie sich ganz leicht neu aus – die rechten Winkel werden spitz oder stumpf –, sodass sich das Material zusammenzieht.Kühlt man das Material ab, erhalten die Moleküle wieder ihre rechten Winkel und die Formgedächtnislegierung nimmt wieder ihre ursprüngliche Größe und Form an.

Der Motor von Exergyn nutzt dieses Formänderungsverhalten, um Abwärmewasser in Strom umzuwandeln. Laut seinen Entwicklern könnte der Motor in ein Abwärmesystem eingebaut werden, wo er heißes Wasser in seine zylindrischen Kolbenkammern zirkulieren lassen würde. Jeder Kolben ist an einem Nitinoldraht befestigt. „Wenn das heiße Wasser einströmt, zieht sich [der Draht] relativ wenig zusammen, aber sehr stark“, sagt Alan Healy, CEO von Exergyn. Dann pumpt der Motor kaltes Wasser in die Kolbenkammer. Das Nitinol dehnt sich aus und der Kolben springt wieder heraus. Auf der anderen Seite des Kolbens befindet sich eine viskose Flüssigkeit. Der bewegliche Kolben drückt die Flüssigkeit durch ein hydraulisches Getriebe, das einen Generator antreibt und so Strom erzeugt. „Die Eigenschaften dieser Materialien zur Energieerzeugung zu nutzen, klingt kontraintuitiv, aber es ist nicht einzigartig“, sagt Advincula. Schließlich haben Wissenschaftler vor über einem halben Jahrhundert Formgedächtnislegierungen erfunden, und Ingenieure haben schon lange erkannt, dass diese Materialien das Potenzial zur Energiegewinnung haben.

In den 1970er Jahren entwickelte ein Maschinenbauingenieur namens Ridgway Banks, der am Lawrence Berkeley National Laboratory arbeitete, einen Motor aus einer Formgedächtnislegierung, von dem er glaubte, dass er der Energieindustrie und anderen Sektoren Energiekosten in Milliardenhöhe ersparen würde. Banks patentierte den Motor, aber er revolutionierte den Energiesektor nie wie erhofft. Seine Technologie war komplex und erforderte zu viele Chemikalien, und die Verwandlungsdrähte nutzten sich zu schnell ab, um praktisch zu sein.

Aber Akademiker und Ingenieure hielten die Idee in Fachzeitschriften und Laboren auf der ganzen Welt am Leben. Im Jahr 2010 ging General Motors eine Partnerschaft mit der Advanced Research Projects Agency-Energy des US-Energieministeriums ein, um eine Reihe von Technologien zur Abwärmerückgewinnung zu entwickeln, darunter einige auf der Basis von Formgedächtnislegierungen. Bisher hat GM Formgedächtnislegierungen jedoch nur verwendet, um kompliziertere mechanische Errata an seinen Fahrzeugen zu ersetzen, wie zum Beispiel eine Vorrichtung, die das Schließen des Kofferraums einer Corvette erleichtert.

Exergyn behauptet nicht, dass es einen großen technologischen Durchbruch gegeben habe. Healy sagt, das Unternehmen habe seine Intelligenz auf mehrere Jahrzehnte bestehender Forschung angewandt, um haltbarere Nitinol-Drähte zu entwickeln – obwohl die genaue Art und Weise, wie sie die Formel optimiert haben, eine streng geheim gehaltene vertrauliche Information ist. Laut Healy war dieser Fortschritt notwendig, da sich die Formgedächtnislegierung nach einem gewissen Grad an Morphing abnutzt. Der Austausch der Kabel in großem Umfang ist lästig und kostspielig – ein großes Hindernis für die Marktreife eines Motors. „Vor ein paar Jahren war das Beste, was jemand geschafft hat, eine Million Zyklen“, sagt er. „Wir haben über 10 Millionen Zyklen auf unserem Draht.“ Healy sagt, dass er die Biogasindustrie für seine ersten Kunden im Auge behält. „An möglichen Anwendungen mangelt es aber nicht“, fügt er hinzu. „Einige Lebensmittelunternehmen haben Abwärmewasser aus der Reinigung ihrer Maschinen oder es gibt Rechenzentren, die Wasser zur Kühlung ihrer Server nutzen.“

Dennoch hat sich Exergyn noch nicht bewährt. Ein Unternehmen, das einen der Motoren von Exergyn kauft, möchte sicher sein, dass sich die Technologie nach einer bestimmten Zeit durch Einsparungen bei der Stromrechnung des Unternehmens amortisiert. „Ein Anhaltspunkt wäre die Betrachtung der durchschnittlichen Stromkosten für Industriekunden“, sagt Koomey. Exergyn wird auch mit den Bio-Rankine-Cycle-Motoren konkurrieren, die Unternehmen bereits zur Energierückgewinnung aus Abwärme nutzen – denen Exergyn laut Koomey einen inhärenten Vorteil bieten könnte. „Etwas mit vielen beweglichen Teilen und esoterischen Flüssigkeiten [wie der organische Rankine-Zyklus-Motor] wird wahrscheinlich viel teurer sein als ein Motor, der nur Metall verwendet, das sich im Wasser hin und her bewegt“, stellt er fest. „Aber der Beweis liegt im Gerät.“

Im Moment befindet sich dieser Beweis noch als Prototyp in den Dubliner Büros von Exergyn. Es ist in der Lage, mehr als fünf Kilowatt Strom abzupumpen; 24 Stunden dieser Menge würden vier US-Haushalte einen Tag lang mit Strom versorgen. Die ersten echten Feldversuche werden nächstes Jahr stattfinden, wenn Exergyn einen erheblichen Teil der 9 Millionen US-Dollar, die es von Investoren und Zuschüssen erhalten hat, für die Installation von 10-Kilowatt-Versuchsmotoren in mehreren Biogasanlagen in Dublin verwenden wird. Healy glaubt, dass die Versuche endlich einen kostengünstigen Weg zur Energieeffizienz aufzeigen werden. „Unternehmen werden nicht das Richtige tun“, sagt er, „es sei denn, man gibt ihnen eine Option, die ihnen Geld spart.“

Robert Lea und SPACE.com

Arthur Allen, Rachana Pradhan, David Hilzenrath und Kaiser Health News

Meghan Bartels

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Roy E. Plotnick, Brendan M. Anderson, Sandra J. Carlson, Advait M. Jukar, Julien Kimmig und Elizabeth Petsios | Meinung