Neues Material für Abwärmerückgewinnung

Veröffentlicht amAutorgh

Metamaterial passt Wärmestrahlung an: Einsatzmöglichkeiten in Fabriken und Kraftwerken

Forscher der Purdue University in West Lafayette, Indiana, einer der größten Universitäten der USA, haben ein sogenanntes Metamaterial entwickelt, das die Abwärme-Verwertung in Fabriken oder Kraftwerken verbessern kann, wie ihre Hochschule am 15.09.2016 veröffentlichte. Es konzentriert mit ungewöhnlichen Eigenschaften Wärmestrahlung in einem engen Bereich des Infrarot-Spektrums – Abwärme kann mittels Thermophotovoltaik-Technologie zurück gewonnen werden. Auch Automotoren und Abgassysteme sind potenzielle Anwendungsgebiete. Sehr ähnlich damit eine frühere Publikation, ausgehend von der TH Hamburg, vom 06.06.2016.

Spektral optimierte thermische Emissionen

Thermophotovoltaik funktioniert wie „normale“ PV-Module, wandelt aber statt sichtbaren Lichts Infrarot, also Wärme-Strahlung, in Strom um. „Solche Geräte brauchen spektral optimierte thermische Emissionen bei hohen Temperaturen“, erläutert Zubin Jacob, Professor für Elektro- und Computertechnik an der Purdue University. In einem bestimmten Wellenlängenbereich arbeiten Thermo-PV-Lösungen nämlich effizient. Ideal wäre es nun, wenn Wärme ausschließlich in diesem Bereich abgestrahlt würde. Daher hat Jacob gemeinsam mit deutschen, kanadischen und russischen Kollegen ein spezielles Metamaterial entwickelt. Solche künstliche Materialien haben ungewöhnliche, nicht in der Natur vorkommende Eigenschaften.

Das internationale Team versuchte entsprechend, die von Maschinen über einen breiten Spektralbereich abgestrahlte Abwärme in einem bestimmten Bereich zu verdichten – eben bei für Thermo-PV optimalen Wellenlängen.

Es gelang den Forschern, aus Nanoschichten von Wolfram und Hafniumoxid (HfO2) ein Metamaterial mit den gewünschten Eigenschaften herzustellen – mit der Aussicht, die Rückgewinnung von Abwärme mittels Thermo-PV deutlich effektiver zu gestalten. Das könnte beispielsweise bei Kohle- oder Ölkraftwerken viel zusätzliche Energie bringen; denn da gehen etwa 50 bis 60 Prozent in Form von Wärme verloren. Auch bei vielen industriellen Maschinen oder Verbrennungsmotoren wäre mit einer effektiven Abwärme-Rückgewinnung viel zu holen.

[note Parallele: Wissenschaftler der Technischen Universität Hamburg (TUHH), des Helmholtz-Zentrums Geesthacht (HZG) in Kooperation mit der kanadischen University of Alberta haben ein neuartiges optisches Nanomaterial hergestellt, das es ermöglicht, Wärme direkt in Strahlung und danach mit hoher Effizienz in elektrische Energie umzuwandeln. Das neu entwickelte Nanomaterial soll einen wichtigen Beitrag leisten, moderne Industriegesellschaften auf ressourcenschonenden Energieeinsatz umzustellen. Hierfür haben die Hamburger Wissenschaftler Nanoschichten aus den hochtemperaturfesten Materialien Wolfram und Hafniumdioxid kombiniert und daraus ein sogenanntes optisches Metamaterial aufgebaut. Die Dicke einer Wolframschicht ist dabei fünftausendmal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Dieses neuartige Nanomaterial unterdrückt die Aussendung unerwünschter langwelliger Wärmestrahlung bei 1.000°C und lässt nur die Emission der auch technisch verwertbaren kürzerwelligeren Wärmestrahlung zu. Die langwellige Strahlung wird in der thermophotovoltaischen Energieumwandlung nicht gebraucht und wäre verloren. (08.06.2016) Nach chemie.de/wissenschaftler-entwickeln-nanomaterialien-fuer-die-umwandlung-von-waerme-in-strom]

Die Purdue-Wissenschatfler beziehen sich auf den gleichen Artikel.

->Quellen: