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Könnte die Hitze der Erdkruste die ultimative Energiequelle werden?

22.07.2019

Abbildung 1. Betrieb der Wärmezelle: Hier stellt die Höhe des Gebäudes den Energiezustand der Elektronen dar. Elektronen in der Halbleiterschicht steigen in einen energiereichen Zustand auf, indem sie thermisch angeregt werden und dann auf die Elektronentransportschicht übertragen werden. Dann gehen sie durch einen externen Stromkreis und erreichen die Gegenelektrode. In der Elektrolytschicht neben der Gegenelektrode finden Redoxreaktionen statt, die den Halbleiter mit niederenergetischen Elektronen versorgen. Trotz der kontinuierlichen Erwärmung stoppt dieser Prozess schließlich, wenn sich die verschiedenen Kupferionen im Elektrolyten verschieben. Die Batterie kann diese Situation jedoch umkehren, indem sie den externen Stromkreis für eine bestimmte Zeit öffnet.

Wissenschaftler des Tokyo Institute of Technology und von Sanoh Industrial haben eine sehr stabile Batteriezelle entwickelt, die Wärme direkt in Strom umwandeln kann und damit endlich einen Weg für eine nachhaltige Nutzung der Geothermie bietet.

In einer Welt, in der der Energieverbrauch zunimmt, ist unsere einzige Hoffnung die Entwicklung neuer Technologien zur Energieerzeugung. Obwohl die derzeit genutzten erneuerbaren Energiequellen wie Wind- und Solarenergie ihre Vorteile haben, liegt uns eine gigantische, dauerhafte und ungenutzte Energiequelle buchstäblich vor der Nase: die Geothermie.

Die Stromerzeugung aus Geothermie erfordert Geräte, die die Wärme in der Erdkruste irgendwie nutzen können. Vor kurzem hat ein Team von Wissenschaftlern der Tokyo Tech unter der Leitung von Dr. Sachiko Matsushita große Fortschritte beim Verständnis und der Entwicklung von sensibilisierten Wärmezellen (STCs) gemacht, einer Art Batterie, die bei 100 ℃ oder weniger elektrische Energie erzeugen kann.

Es gibt mehrere Verfahren zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie, deren großflächige Anwendung jedoch nicht möglich ist. So sind beispielsweise Hot-and-Cold-Redox-Batterien und Geräte auf Basis des Seebeck-Effekts nicht in der Lage, sie einfach in einer Wärmequelle zu vergraben und zu nutzen.

Das Team von Dr. Matsushita hat bereits über den Einsatz von STCs als neue Methode zur direkten Umwandlung von Wärme in elektrische Energie mittels farbstoffsensibilisierter Solarzellen berichtet. Sie ersetzten auch den Farbstoff durch einen Halbleiter, damit das System mit Wärme statt mit Licht arbeiten kann. Figur 1 veranschaulicht die STC, eine Batterie, die aus drei Schichten besteht, die zwischen den Elektroden angeordnet sind: eine Elektronentransportschicht (ETM), eine Halbleiterschicht (Germanium) und eine Festelektrolytschicht (Kupferionen). Kurz gesagt, gehen Elektronen im Halbleiter von einem niederenergetischen Zustand in einen hochenergetischen Zustand über, indem sie thermisch angeregt werden und dann auf natürliche Weise auf den ETM übertragen werden. Danach gehen sie durch die Elektrode, durchlaufen einen externen Stromkreis, durchlaufen die Gegenelektrode und erreichen dann den Elektrolyten. An beiden Grenzflächen des Elektrolyten finden Oxidations- und Reduktionsreaktionen mit Kupferionen statt, so dass niederenergetische Elektronen auf die Halbleiterschicht übertragen werden, so dass der Prozess von neuem beginnen und damit eine elektrische Schaltung abgeschlossen werden kann.

Damals war jedoch noch nicht klar, ob eine solche Batterie als Dauermotor eingesetzt werden kann oder ob der Strom irgendwann ausfallen würde. Nach dem Testen stellte das Team fest, dass die Elektrizität tatsächlich nach einer gewissen Zeit nicht mehr fließt und schlug einen Mechanismus vor, der dieses Phänomen erklärt. Grundsätzlich stoppt der Strom, weil die Redoxreaktionen an der Elektrolytschicht aufgrund der Verlagerung der verschiedenen Kupferionentypen stoppen. Am wichtigsten und auch überraschendsten fanden sie heraus, dass die Batterie diese Situation selbst in Gegenwart von Wärme durch einfaches Öffnen des externen Stromkreises für einige Zeit, d.h. durch einen einfachen Schalter, wieder rückgängig machen kann. "Mit einem solchen Design würde Wärme, die normalerweise als minderwertige Energie angesehen wird, zu einer großen erneuerbaren Energiequelle werden", sagt Matsushita.

Das Team ist sehr gespannt auf ihre Entdeckung, da sie anwendbar, umweltfreundlich und geeignet ist, zur Lösung der globalen Energiekrise beizutragen. "Es gibt keine Angst vor Strahlung, keine Angst vor teurem Öl, keine Instabilität der Stromerzeugung, wie wenn man sich auf die Sonne oder den Wind verlässt", sagt Matsushita. Weitere Verfeinerungen dieser Art von Batterie werden das Ziel zukünftiger Forschung sein, mit der Hoffnung, eines Tages den Energiebedarf der Menschheit zu decken, ohne unseren Planeten zu schädigen.

Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.

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