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entdeckt 01/2014

entdeckt 01.14 TITEL WWW.Hzdr.DE Um beim letzten Schritt, der Stromerzeugung, anzufangen: Ordnet man um ein Metall oder ein anderes leitfähiges Materi- al eine Magnetspule an und versetzt den Leiter in Bewegung, so wird darin ein Strom erzeugt (physikalisch: Induktion). Die Richtung des Stromflusses gibt die Lorentzkraft vor, die viele in ihrer Schulzeit als Drei-Finger-Regel kennengelernt haben. Der Strom wandert als bewegte Ladung zu einer Elektrode, wo er abgegriffen werden kann. Statt in einem festen Material kann ebenso gut auch Strom in einem flüssigen Metall induziert werden. Damit lassen sich neben unerwünschten Reibungs- verlusten auch bewegliche Teile vermeiden, die aus Wartungs- gründen unerwünscht sind. Doch wie wird das flüssige Metall in Bewegung versetzt? Hierfür testen die Forschungspartner aus Frankreich, Lettland und Deutschland ein für die Energieerzeugung bislang nur selten genutztes Phänomen, den thermoakustischen Effekt. Damit werden jedoch keine Töne erzeugt, sondern mecha- nische Wellen. In manchen technischen Bereichen – etwa in gasführenden Rohrleitungen oder Brennkammern von Gastur- binen – ist die Thermoakustik höchst unerwünscht. Durch das Zusammenspiel von Wärme, Strömung und Akustik können dort regelmäßig wiederkehrende Pulsationen entstehen, die zu schwer regulierbaren Druckschwankungen führen können. Genau diesen Effekt aber wollen die EU-Forscher nun quasi als Motor verwenden. Um Wärme in einem Gas in mechanische Schwingungen umzuwandeln – darauf beruht der thermoakus- tische Effekt –, muss zum einen ein großes Temperaturgefälle vorhanden sein. Zum anderen braucht es ein Metallgitter oder einen ähnlichen Aufbau, damit sich daran eine Schwingung erregen kann. Der gasgefüllte Kolben wirkt dann wie ein Reso- nator und die sich ausbildende, stehende Druckwelle treibt mit ihren regelmäßigen Schwingungen das flüssige Metall außer- halb des Kolbens an. So zumindest der Plan. Forscher im Rossendorfer Institut für Fluiddynamik verfügen über ein großes Know-how für Flüssigmetalle, beschäftigen sie sich doch seit vielen Jahren damit, wie man deren Strö- mungsverhalten verbessern und damit etwa die Energieeffi- zienz im Stahl- oder Aluminiumguss erhöhen kann. Deshalb klopfte die internationale Forschergruppe im Projekt „Space Trips“ mit einem sehr konkreten Auftrag bei dem Physiker Sven Eckert an. „Ganz genau kümmern wir uns nur um die Schnittstelle zwischen Gas und Flüssigmetall, doch die hat es in sich“, erklärt er. „Die Gassäule wackelt im Kolben mit einer bestimmten Frequenz, sagen wir zehn Mal in der Sekunde, hin und her. Auf der anderen Seite der Schnittstelle haben wir die freie Oberfläche des Flüssigmetalls. Die große Frage lautet: Bei welcher Frequenz zerreißt die Schnittstelle?“ Neuland für die Forschung Das hätte zur Folge, dass sich Gas und flüssiges Metall ver- mischen und den Stromgenerator außer Gefecht setzen. Die ersten Versuche im Dresdner Labor zeigen, dass das Prinzip des thermoakustisch angetriebenen Stromgenerators bei einer niedrigen Frequenz von drei Hertz, also drei Schwin- gungen pro Sekunde, reibungslos funktioniert. Mit einigem Aufwand, etwa indem Lamellen oder andere mechanische Strukturen verwendet werden, um die Oberflächenspannung des flüssigen Metalls zu stabilisieren, erreicht man vielleicht zehn oder gar 20 Hertz. „Die erste Halbzeit liegt hinter uns, doch von den im Projekt geforderten 50 Hertz sind wir noch weit entfernt. Die Partner versuchen derzeit, das Problem von unterschiedlichen Seiten anzugehen, sei es, indem sie ein neues Design entwerfen oder andere Materialien verwen- den, sei es, indem sie versuchen, mit niedrigeren Frequenzen auszukommen“, gibt sich Eckert optimistisch. Ob das Unikat jemals im Einsatz sein wird, ist dennoch unge- wiss, denn weitere Probleme warten auf die europäischen Kon- strukteure. So entpuppt sich ausgerechnet die Lorentzkraft als Bremsklotz für das vibrierende Flüssigmetall. Reduzieren wollen die Forscher die damit verbundenen Verluste durch ein System von Minirohren in Form eines Zylinders. Dadurch ver- schlechtert sich allerdings die Relation zwischen Gewicht und erzeugter Energie. Und da jedes Gramm zählt, wenn es um die Stromversorgung von teuren Weltraummissionen geht, gibt es hier noch viel zu rechnen und zu experimentieren. Ziel jeden- falls ist, im nächsten Jahr einen Demonstrator am langjährigen Partnerinstitut des HZDR im lettischen Riga zu bauen. Ob dies gelingt oder nicht, spannend ist das Neuland für die Forscher allemal. Gewiss ebenso spannend wie die Erkenntnisse, wel- che die Weltraumforschung erdfernen Regionen abtrotzen will. Kontakt _Institut für Fluiddynamik am HZDR Dr. Sven Eckert S.Eckert@hzdr.de Die Fontänen des Enceladus: Dünne Strahlen mit Eisparti- keln schießen von der Oberfläche des Saturnmondes und reichen bis zu 750 Kilometer ins Weltall. Quelle der Fontänen sind etwa 100 Kilometer lange Spalten, die etwas wärmer sind als ihre Umgebung. Bild: NASA/JPL/Space Science Institute.

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