Mittwoch, 13. November 2013

Effizient wie Solarzellen: Kabelloses Instrument verwandelt "verlorene" Mikrowellen-Energie in elektrischen Strom


Schon diese fünfzellige Anordnung der Metamaterialien erlaubt die "Ernte" überflüssiger Mikrowellenenergie, wie sie etwa in W-Lan-Netzwerken ungenutzt "verloren" geht, in die Umwandlung einer 7-Volt-Spannung, mit der etwa USB-fähige Geräte wie Mobiltelefone aufgeladen werden können. | Copyright/Quelle: duke.edu

Durham (USA) - Forschern der Duke University ist es gelungen, mit kostengünstigen Materialien ein kabelloses Instrument zu entwickeln, das Mikrowellensignale auffängt und mit der Effizienz moderner Solarmodule in elektrischen Strom umwandelt, mit dem dann beispielsweise die Akkus kleinerer elektrischer Geräte die Mobiltelefone und Fotoapparate aufgeladen werden können.

Wie die Forscher um Allen Hawkes, Alexander Katko und Steven Cummer im Fachjournal "Applied Physics Letters" (DOI: 10.1063/1.4824473) berichten, basiert das Gerät auf dem einem ähnlichen Prinzip wie Solarzellen, wenn diese Lichtenergie in elektrischen Strom umwandeln.


Anstelle der Lichtenergie, "erntet" das Gerät nun jedoch die von anderen Energiequellen wie Satelliten- oder W-Lan-Signalen abgegebene Energie von Mikrowellensignalen und wandelt diese in direkt nutzbaren Strom um.


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Der Schlüssel zur Funktion dieses Energie-Ernters liegt in der Verwendung von Metamaterialien, also speziell konzipierter Strukturen, die unterschiedliche Formen von Wellenenergie einfangen können und diese in erneut nutzbare Anwendungen umwandeln.

Das Ergebnis ist die Umwandlung der mehr oder weniger frei anzapfbaren überschüssigen Mikrowellen-Energie in eine elektrische Spannung von 7,3 Volt. Im Vergleich dazu liefert die USB-Buchse an Computern oder auch im Autor eine Spannung von etwa 5 Volt, bei einer Stromstärke von mindestens 100 mA.


Während die Forscher zunächst auf eine Effizienz des Geräts von 6 bis 10 Prozent gehofft hatten, gelang es ihnen am Ende die überflüssige elektromagnetische Strahlung sogar um 37 Prozent in nutzbaren elektrischen Strom umzuwandeln und erreichen so vergleichbare Werte wie Solarzellen.


"Es ist möglich, das Gerät für eine Vielzahl von Frequenzen und Arten von Energie Anwendungen zu benutzen, darunter neben der Mikrowellenstrahlung auch die Kraft akustischer Schwingungen", so Katko. "Bis jetzt war die meiste Arbeit mit Metamaterialien fast nur theoretisch. Jetzt können wir aber zeigen, dass schon mit vergleichsweise wenig Aufwand, diese Materialien für nützliche Verbraucheranwendungen eingesetzt werden können."


So könnte das System etwa an der Decke eines Raumes angebracht werden, um hier W-Lan-Signale umzuwandeln, deren Energie sonst ungenutzt "verloren" geht. Eine Andere Anwendung wäre aber auch die Verbesserung des Energieverbrauchs der Geräte selbst. So könnten die Materialien in Mobiltelefonen selbst eingebaut werden, wodurch sich die Geräte immer dann, wenn sie nicht direkt benutzt werden, selbst und kabellos aufladen würden. Zudem könnte das System auch für Menschen genutzt werden, die selbst keinen Zugang zu Elektrizität haben, in dem sie die überflüssige Energie umwandeln, die etwa von Mobilfunksendeanlagen abgegeben wird.




"Unsere Arbeit zeigt, dass es einen einfachen und kostengünstigen Weg gibt, die nahezu überall vorhandene elektromagnetische Energie zu ernten", so Cummer. "Das schöne an dem System ist zudem, dass man einfach nur weitere Einheiten hinzufügen muss, um einen größeren Energieertrag zu erzielen."


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