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Die Erfindung betrifft eine Unterwasservorrichtung zum Einsatz unter Wasser, wobei die Unterwasservorrichtung einen Verbraucher und eine Energieerzeugungseinrichtung zum Versorgen des Verbrauchers aufweist und beim Einsatz von Wasser umgeben ist, wobei die Energieerzeugungseinrichtung eine Anode und eine mit der Anode elektrisch verbundene Kathode aufweist, wobei die Kathode edler als die Anode ist, und Kathode und Anode zueinander beabstandet vom Wasser umgeben sind.
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Bei einem langfristigen Einsatz einer Unterwasservorrichtung, wie beispielsweise einer Mess- und/oder Signalvorrichtung im Meer oder eines autonomen Unterwasserfahrzeuges, treten Probleme hinsichtlich einer autarken Energie- und/oder Stromversorgung unter Wasser auf. Beispielsweise reichen konventionelle Akkumulatoren nicht aus, um einen Langzeiteinsatz von über einem halben Jahr unter Wasser zu gewährleisten. Zwar können Dieselmotoren in Unterwasservorrichtungen eingesetzt werden, aufgrund des Gewichtes des notwendigen Dieselkraftstoffes ist dies insbesondere bei kleineren Unterwasservorrichtungen nachteilig. Vor allem ändert sich durch den Verbrauch von Diesel die Dichte der Unterwasservorrichtung und somit deren Auftrieb.
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Eine Dichteänderung ist insbesondere nachteilig bei Unterwasservorrichtungen, bei denen die Dichteänderung nicht in einfacher Weise unter Wasser beispielsweise durch Nachtrimmen kompensiert werden kann.
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Folglich sind bei konventionellen Energieerzeugungs- und Bereitstellungssystemen die Reichweite eines Unterwasserfahrzeuges und allgemein der ununterbrochene Langzeiteinsatz einer Unterwasservorrichtung im Meer begrenzt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
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Gelöst wird die Aufgabe durch eine Unterwasservorrichtung zum Einsatz unter Wasser, wobei die Unterwasservorrichtung einen Verbraucher und eine Energieerzeugungseinrichtung zum Versorgen des Verbrauchers aufweist und beim Einsatz von Wasser umgeben ist, wobei die Energieerzeugungseinrichtung eine Anode und eine mit der Anode elektrisch verbundene Kathode aufweist, wobei die Kathode edler als die Anode ist, und Kathode und Anode voneinander beabstandet vom Wasser umgeben sind, und die Anode einen Metallschaum aufweist und eine Dichte des Metallschaums derart ausgestaltet ist, dass bei einer Energieerzeugung durch die Energieerzeugungseinrichtung eine Dichte der Unterwasservorrichtung mittels des Metallschaums gezielt einstellbar und/oder aufrechterhaltbar ist.
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Somit ist der statische Auftrieb der Unterwasservorrichtung mittels der Dichte des Metallschaums einstellbar. Es ist besonders vorteilhaft, dass die Dichte des Metallschaums der Dichte des umgebenden Wassers entspricht, sodass ein Verbrauch der unedleren Metallschaum-Anode zu keiner oder nur einer sehr geringen Änderung der Dichte der Unterwasservorrichtung führt.
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Zudem ist die Dichte des Metallschaums jedoch auch gezielt größer oder kleiner der Dichte des umgebenden Wassers wählbar, sodass durch einen Verbrauch des Metallschaums der Anode die Dichte der Unterwasservorrichtung mit der Zeit gezielt verändert und somit beispielsweise die Tauchtiefe eingestellt wird.
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Zum Beispiel ist in einem Unterwassergleiter bei Beginn des Einsatzes gezielt ein Metallschaum mit einer deutlich höheren Dichte von Wasser eingesetzt, wobei mit der Zeit durch den Verbrauch des schwereren Metallschaum-Anodenmaterials und dessen in Lösung gehen ins Wasser die Dichte beständig abnimmt, sodass nach einer tiefen Tauchphase der Unterwassergleiter aufgrund der Dichteänderung in eine Aufstiegsphase wechselt. Hierbei ist die Dichte des Metallschaums derart einstellbar, dass bei eine vollständigen Verbrauch des Metallschaums der Unterwassergleiter an die Wasseroberfläche auftaucht und geborgen werden kann.
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Es ist besonders vorteilhaft, dass die Energieerzeugungseinrichtung selbst keine Zufuhr von Energie bedarf und lediglich Wasser als Betriebsmittel benötigt, sodass unter Wasser keine Versorgungsengpässe auftreten und ein autarker Langzeiteinsatz gewährleistet ist.
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Neben dem Vorteil, dass die Dichte des Metallschaums gezielt einstellbar ist, weist ein Metallschaum eine spezifisch große Oberfläche für den Stoffübergang bei der chemischen Reaktion an der Anode auf.
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Da die Anode aus Metallschaum unedler ist als die Kathode, dient diese beim Kontakt mit Wasser als Opferanode und wird, beispielsweise durch den im Wasser gelösten Sauerstoff, angegriffen und somit oxidiert. Dabei werden dem Metall des Metallschaums Elektronen entzogen und die positiv geladenen Metallionen gehen in das Wasser in Lösung über. Dadurch wird die Metallschaum-Anode in ihrer festen Struktur zerstört. Die dabei freigesetzten Elektronen wandern über die leitende Verbindung zur Kathode, sodass ein Strom in Richtung der Kathode fließt und ein Primärelement vorliegt. Hierbei dient das Wasser als Elektrolyt, welcher einen Transport der geladenen Teilchen ermöglicht und so den Stromkreis schließt. Der fließende Strom kann durch Anschluss eines Verbrauchers genutzt werden.
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Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung beruht darauf, dass durch Nutzung einer einen Metallschaum aufweisenden Anode eine autarke, langfristige Energieerzeugung unter Verwenden des ohnehin vorliegenden, umgebenden Wassers realisiert wird, ohne dass weitere zu erneuernde Betriebsmittel erforderlich sind, und durch gezielte Wahl der Materialeigenschaften des Metallschaums anstelle einer sonst üblichen massiven Feststoff-Anode gezielt die Dichte und die Dichteänderung des Metallschaums eingestellt und im Hinblick auf den Betrieb und den Auftrieb der Unterwasservorrichtung genutzt wird.
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Somit entfällt ein Nachtrimmen und/oder eine Korrektur der Dichte der Unterwasservorrichtung, welches insbesondere bei autarken, nicht ferngesteuerten Unterwasservorrichtungen nicht oder nur sehr schwer möglich ist.
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Folgendes Begriffliche sei erläutert:
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Eine „Unterwasservorrichtung“ ist insbesondere eine örtlich fixierte oder bewegliche Unterwasserstruktur. Bei einer Unterwasservorrichtung kann es sich insbesondere um eine Mess- und/oder Signalvorrichtung oder um eine Tauchboje handeln. Bei einer Unterwasservorrichtung kann es sich beispielsweise auch um die Gründung einer Tragstruktur und/oder einer Windkraftanlage im Meer handeln. Eine Unterwasservorrichtung ist insbesondere auch ein Unterwasserfahrzeug, wobei es sich hierbei insbesondere um ein autonomes Unterwasserfahrzeug handelt. Als „Unterwasserfahrzeug“ ist insbesondere ein U-Boot, ein unbemanntes autonomes Unterwasserfahrzeug (AUV, autonomous underwater vehicle oder UUV, unmanned underwater vehicle), ein ferngesteuertes Unterwasserfahrzeug (ROV, remotely operated vehicle), ein Unterwassergleiter, ein Tauchroboter und/oder ein Laufkörper zu verstehen.
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Als „unter Wasser“ wird insbesondere der mit Wasser ausgefüllte Raum unterhalb einer Wasseroberfläche verstanden.
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Bei einem „Verbraucher“ handelt es sich insbesondere um einen elektrischen Verbraucher, wobei ein Verbraucher insbesondere ein elektrisches Bauelement, ein Elektrogerät, eine Elektroanlage, eine Batterie und/oder ein Akkumulator ist, in welchem elektrische Energie in andere Energieformen umgewandelt wird. Beispielsweise kann die elektrische Energie aus der Energieerzeugungseinrichtung zum Laden von Akkumulatoren verwendet und dadurch in chemische Energie umgewandelt werden.
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Eine „Anode“ ist insbesondere eine Elektrode, welche aus einem Elektrolyten und/oder Wasser unter Elektronenaufnahme Anionen entlädt oder Kationen erzeugt und somit Oxidationsreaktionen stattfinden lässt. Bei einer elektrochemischen Zelle, welche elektrische Energie erzeugt, finden an der Anode Oxidationsvorgänge statt, wobei die aus dem Elektrolyten kommenden Anionen entladen werden und/oder neutrale Atome zu Kationen oxidiert werden. Die Anode ist insbesondere mit einer edleren Kathode zu einem Stromkreis verbunden, sodass über diese äußere Verbindung Elektronen zur Kathode fließen. In diesem äußeren Stromkreis ist die Anode dann als Minuspol anzusehen. Die Anode weist insbesondere einen Metallschaum auf und löst sich als Opferanode bei den chemischen Oxidationsvorgängen selbst auf, indem die Metallkationen in Lösung gehen.
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Eine „Kathode“ ist insbesondere eine Gegenelektrode zur Anode. Die durch die anodische Reaktion freigesetzten Elektronen wandern über die elektrische Verbindung zur Kathode. Bei dem hier vorliegenden freiwillig ablaufenden Reaktionen ohne angelegte Spannung stellt die Kathode die positive Elektrode im Stromkreis dar. Aus dem Wasser scheiden sich insbesondere Kationen an eine Kathode ab. Die Kathode weist insbesondere ein edleres Material als die Anode auf und ist aus einem massiven Feststoff.
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Unter „edler“ wird insbesondere verstanden, dass das Material und/oder Metall der Kathode ein höheres Standardpotential als das Material und/oder Metall der Anode aufweist. Insbesondere haben die Standardpotentiale von edlen Metallen ein positives Vorzeichen und von unedlen Metallen entsprechend ein negatives Vorzeichen. Beispielsweise ist Chrom edler als Nickel, Nickel edler als Eisen, Eisen edler als Kupfer, Kupfer edler als Zink und Zink edler als Aluminium.
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Ein „Metallschaum“ ist ein aufgeschäumter, poröser metallischer Werkstoff. Ein Metallschaum weist eine durch Poren und Hohlräume bedingte geringere Dichte auf, jedoch eine hohe spezifische Steifigkeit und Festigkeit sowie eine hohe spezifische Oberfläche. Bei einem Metallschaum kann es sich auch um einen Verbundmetallschaum (Composite Metal Foam) aus metallenen Hohlkugeln in einer festen Matrix eines anderen Metalls, wie beispielsweise Stahl in Aluminium, handeln. Ebenso kann ein Metallschaum auch nichtmetallische Werkstoffe, wie beispielsweise Aramide und/oder Keramik, enthalten.
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Da der Metallschaum als ein Verbrauchsmaterial eingesetzt wird, ist es besonders vorteilhaft, dass der Metallschaum derart an der elektrischen Verbindung befestigt ist, dass beispielsweise nach einer Tauschfahrt eines Unterwasserfahrzeuges der verbliebene Metallschaum schnell durch neuen Metallschaum austauschbar ist, sodass das Unterwasserfahrzeug zeitnah wieder unter Wasser einsetzbar ist. Ein schneller Wechsel ohne nennenswerte Auswirkung auf den Betrieb des Unterwasserfahrzeuges kann beispielsweise durch eine Schnellbefestigung realisiert werden.
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Eine „Dichte“ (auch „Massendichte“ genannt) ist insbesondere der Quotient aus der Masse eines Körpers und seines Volumens.
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In einer weiteren Ausführungsform der Unterwasservorrichtung weist der Metallschaum Aluminium, Kupfer, Zink, Blei, Stahl und/oder Eisen auf.
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Somit weist die Anode ein Metall auf, welches sich als Metallschaum herstellen lässt und gleichzeitig entsprechend der Wahl einer edleren Kathode ein unedleres Metall ist. Folglich werden durch die freiwillig ablaufenden Reaktionen an der Metallschaum-Anode Elektronen freigesetzt und die Metallkationen von Aluminium, Kupfer, Zink, Blei und/oder Eisen gehen ins Wasser in Lösung.
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Um gezielt die Dichte der Unterwasservorrichtung mittels des Metallschaums einzustellen und/oder aufrechtzuerhalten, weist der Metallschaum eine Dichte von 0,1 g/cm3 bis 1,5 g/cm3, insbesondere von 0,5 g/cm3 bis 1,3 g/cm3, bevorzugt von 0,9 bis 1,1 g/cm3 auf.
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Dadurch kann je nach Salzgehalt und somit der Dichte des Wassers und/oder des umgebenden Meerwassers eine definierte Dichte des Metallschaums eingesetzt werden, um gezielt die Dichte der Unterwasservorrichtung einzustellen. Zudem kann gezielt die Dichteänderung des Metallschaums während der Energieerzeugung aufgrund der Auflösereaktion an der Anode entweder unberücksichtigt bleiben, weil die Dichte des Metallschaums der Dichte des Wassers entspricht, oder die Dichteänderung kann gezielt genutzt werden, um einen veränderten Auftrieb und/oder eine veränderte Tauchtiefe mit fortschreitender Energieerzeugung einzustellen.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der Metallschaum eine Porengröße 2 µm bis 100 mm, insbesondere 50 µm bis 50 mm, bevorzugt von 1 mm bis 20 mm auf.
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Folglich kann über die Porengröße gezielt eine spezifische Oberfläche für die Reaktion eingestellt und ein Anströmen und/oder Durchströmen von Wasser an und/oder durch den Metallschaum realisiert werden. Bei der Verwendung von Umgebungswasser kann zudem die Porengröße so gewählt werden, dass Bestandteile im Umgebungswasser, wie Algen, andere Partikel und/oder aufgewirbeltes Sediment, sich nicht in den Poren des Metallschaums absetzen. Zusätzlich kann der Energieerzeugungseinrichtung eine Partikelabscheideeinrichtung, wie beispielsweise ein Filter, vorgesetzt werden.
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Die „Porengröße“ wird insbesondere durch den mittleren Porendurchmesser charakterisiert, wobei dies nicht die tatsächliche Form jeder Pore beschreibt.
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Um ein Hohlraumvolumen und somit eine entsprechende Dichte des Metallschaums einzustellen, weist der Metallschaum eine Porosität von 20 Vol.-% bis 99 Vol.-%, insbesondere von 40 Vol.-% bis 98 Vol.-%, bevorzugt von 50 Vol.-% bis 95 Vol.-% auf.
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Zudem wird durch die Porosität Einfluss auf den Widerstand bei der Anströmung und/oder Durchströmung des Metallschaums durch Wasser genommen.
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Eine „Porosität“ ist insbesondere eine dimensionslose Messgröße und stellt das Verhältnis von Hohlraumvolumen zu Gesamtvolumen des Metallschaums dar. Die Porosität dient insbesondere als klassifizierendes Maß für die tatsächlich im Metallschaum vorliegenden Hohlräume.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Wasser Süßwasser, Brackwasser oder Meerwasser.
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Somit kann direkt das die Unterwasservorrichtung umgebende Wasser für die Energieerzeugungseinrichtung verwendet werden.
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Des Weiteren kann die Dichte des Metallschaums entsprechend eines Einsatzgebietes der Unterwasservorrichtung in Süßwasser, Brackwasser und/oder Meerwasser eingestellt werden.
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„Süßwasser“ ist insbesondere Wasser mit einem Salzgehalt (Salinität) von < 0,1 %. Unter „Brackwasser“ wird insbesondere See- und/oder Meerwasser mit einem Salzgehalt (Salinität) von 0,1 % bis 1 % verstanden. Brackwasser tritt beispielsweise an einer Flussmündung ins Meer auf. Bei einem Salzgehalt (Salinität) von > 1 % handelt es sich um „Meerwasser“. Mit zunehmendem Salzgehalt von Süßwasser über Brackwasser zu Meerwasser steigt die Dichte des entsprechenden Wassers bei gleicher Temperatur. Beispielsweise ist bei einem Salzgehalt von 3,5 % die Dichte von Meerwasser (1,025 kg/l bei 25 °C) um circa 3 % höher als die von Süßwasser bei gleicher Temperatur. Diese höhere Dichte des Meerwassers vergrößert den Auftrieb, sodass eine sich im Meerwasser bewegende Unterwasservorrichtung im Meerwasser weniger tief eintaucht oder mehr Ladung oder Ballast aufnehmen kann als im Süßwasser.
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Um die Oxidationsreaktion an der Anode zu verbessern, weist die Unterwasservorrichtung eine Sauerstoffzuführungseinrichtung auf, sodass dem Wasser Sauerstoff zuführbar ist.
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Eine „Sauerstoffzuführeinrichtung“ ist insbesondere eine Einrichtung, welche dem Wasser Sauerstoff in fester, flüssiger und/oder gasförmiger Form zuführt. Mittels der Sauerstoffzuführeinrichtung kann beispielsweise ein Sauerstoffabspalter, wie H2O2 oder ein Peroxid, dem Wasser zugegeben werden. Bei einem Sauerstoffabspalter kann es sich gleichzeitig auch um ein Desinfektionsmittel handeln, sodass Biofouling durch Ablagerung von Bakterien und/oder Algen auf dem Metallschaum verhindert und/oder entfernt wird. Bei einer Sauerstoffzuführungseinrichtung kann es sich beispielsweise auch um eine Begasungseinrichtung handeln, durch welche Sauerstoffgas und/oder Luft in das Wasser eingebracht und/oder gelöst wird. Hierzu kann der Sauerstoff direkt im Reaktionsraum der Anode und Kathode zugeführt werden oder ein Teilstrom des Wassers wird beispielsweise mittels einer Pumpe aus dem Reaktionsraum als Teilstrom entnommen und begast, um anschließend mit einem höheren Sauerstoffgehalt wieder dem Reaktionsraum der Anode und Kathode zugeführt zu werden. Mittels der Sauerstoffzuführeinrichtung wird die gelöste Sauerstoffkonzentration im Wasser insbesondere gesteuert und/oder geregelt.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Unterwasservorrichtung eine Strömungsführungseinrichtung auf, sodass das Wasser kontinuierlich oder diskontinuierlich austauschbar ist.
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Somit kann das Wasser erneuert werden, wenn aufgrund der anodischen Oxidationsreaktionen der Sauerstoffgehalt zu weit abgesunken ist. Zudem kann durch einen kontinuierlichen vollständigen oder teilweisen Wasseraustausch eine notwendige Sauerstoffkonzentration für die anodische Reaktion aufrechterhalten werden.
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Des weiteren kann mittels der Strömungsführungseinrichtung auch ein Wasserzufluss ganz abgestellt werden, wenn beispielsweise die Unterwasservorrichtung sich in einem Gebiet befindet, in dem sehr hohe Sedimentkonzentrationen, beispielsweise aufgrund von natürlicher Wasserströmung und/oder Aufwirbelung von benachbarten Wasserfahrzeugen vorliegen, welche die Energieerzeugung, beispielsweise durch Ablagerung von Sedimentpartikeln an und/oder in den Poren des Metallschaums, stören können. Nach Abklingen der Sedimentbelastung kann der Wasserzufluss anschließend wieder geöffnet und frisches Wasser der Anode und Kathode zugeführt werden.
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Bei einer „Strömungsführungseinrichtung“ handelt es sich insbesondere um eine aktive oder passive Strömungsführungseinrichtung. Bei einer passiven Strömungsführungseinrichtung wird insbesondere die Umströmung der Unterwasservorrichtung benutzt, um Umgebungswasser zu der Anode und Kathode ein- und ausströmen zu lassen. Zudem kann auch die Eigenbewegung der Unterwasservorrichtung zur Ein- und Ausströmung von Wasser verwendet werden. Eine passive Strömungsführungseinrichtung weist insbesondere ein Zulaufventil und/oder ein Ablaufventil auf. Bei einer aktiven Strömungsführungseinrichtung wird das Wasser aktiv, beispielsweise mittels einer Pumpe, der Anode und Kathode zu- und/oder abgeführt. Eine aktive Strömungsführungseinrichtung weist ebenfalls ein Zulaufventil und/oder ein Ablaufventil auf.
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Um direkt das Umgebungswasser um die Unterwasservorrichtung zu nutzen und um nicht das Umgebungswasser in das Innere der Unterwasservorrichtung fördern zu müssen, ist oder sind die Anode und/oder die Kathode außen an der Unterwasservorrichtung angeordnet.
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Somit werden die Anode und/oder die Kathode direkt von dem die Unterwasservorrichtung umgebenden Wasser umströmt. Folglich muss lediglich eine elektrische Verbindung in das Innere der Unterwasservorrichtung geführt werden, um einen Verbraucher mit Energie zu versorgen. Da das Wasser außerhalb der Unterwasservorrichtung bleibt, kann somit der Fall einer Undichtigkeit und ein Auslaufen von Wasser in das Innere der Unterwasservorrichtung vermieden werden.
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Hierbei ist oder sind die Anode und/oder Kathode beispielsweise direkt an einer Außenwand der Unterwasservorrichtung angebracht.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Unterwasservorrichtung ein Unterwasserfahrzeug für einen autonomen Langzeiteinsatz, wobei aufgrund der Energieerzeugung mittels der Energieerzeugungseinrichtung das Unterwasserfahrzeug einen autonomen Langzeiteinsatz länger als ein halbes Jahr, insbesondere länger als ein Jahr, bevorzugt länger als zwei Jahre unter Wasser realisiert.
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Somit weist das Unterwasserfahrzeug eine autarke Energieerzeugung auf, welche entweder keinen Einfluss oder einen beabsichtigten Einfluss auf die Dichte und somit den Auftriebseigenschaften des Unterwasserfahrzeuges hat. Da die Energieerzeugungseinrichtung lediglich kontinuierlich oder diskontinuierlich das Umgebungswasser als Betriebsmittel benötigt, ist ein autonomer Langzeiteinsatz ohne Abhängigkeit von einer weitergehenden Versorgung von außen gewährleistet. Hierbei kann oder ein Verbraucher oder können mehrere Verbraucher direkt über die Energieerzeugungseinrichtung oder indirekt über einen Energiespeicher, beispielsweise einen Akkumulator, versorgt werden.
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Unter „autonom“ wird verstanden, dass das Unterwasserfahrzeug völlig selbstständig, das bedeutet unabhängig von einem Trägerschiff und einem energie- und betriebsmittelversorgenden Kabel arbeitet und/oder sich im Wasser fortbewegt.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine elektrochemische Zelle mit einer Aluminiumschaum-Anode und einer Kupfer-Kathode, und
- 2 ein unbemanntes Unterwasserfahrzeug mit einem Zellgehäuse an der Bordwand.
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Eine elektrochemische Zelle 101 weist eine Aluminiumschaum-Anode 103 und eine Kupfer-Kathode 105 auf. Die Aluminiumschaum-Anode 103 und die Kupfer-Kathode 105 sind mit einem elektrischen Leiter 107 verbunden. Die Aluminiumschaum-Anode 103 und die Kupfer-Kathode 105 selbst befinden sich beabstandet in einem Brackwasser mit einer Salinität von 0,5 %.
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Die Aluminiumschaum-Anode 103 weist eine Dichte von 1,000 g/cm3 und einen mittleren Porendurchmesser von 20 mm auf.
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Aufgrund freiwillig ablaufender Oxidationsreaktionen unter Verbrauch von Sauerstoff an der Aluminiumschaum-Anode 103 gehen Aluminiumkationen (insbesondere Al3+) in das Brackwasser 109 über und Elektronen werden von der Aluminiumschaum-Anode 103 über den elektrischen Leiter 107 übertragen und liegen als elektrische Spannung 111 an.
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Die elektrochemische Zelle 101 ist an Bord eines nicht gezeigten Unterwasserfahrzeuges angeordnet und das Brackwasser 109 wird diskontinuierlich über nicht gezeigte Zu- und Abläufe zur elektrochemischen Zelle 101 in Abhängigkeit von einer minimalen Sauerstoffkonzentration von 2 mg/l ausgetauscht. Die elektrische Spannung 111 wird direkt an mehrere Verbraucher des nicht gezeigten Unterwasserfahrzeuges zur Energieversorgung dieser Verbraucher übertragen.
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In einer Alternative weist ein unbemanntes Unterwasserfahrzeug 221 eine Bordwand 223 und am Heck einen Propeller 231 auf. An der Bordwand 223 sind umgeben von einem seitlich offenen Zellgehäuse 201 eine Aluminiumschaum-Anode 103 und eine Kupfer-Kathode 105 angeordnet. Die Aluminiumschaum-Anode 103 weist eine mittlere Porengröße von 2 mm und eine Dichte von 1,020 g/cm3 auf, wobei diese Dichte einer Dichte des umgebenden Meerwassers 209 entspricht. Die Aluminiumschaum-Anode 103 und die Kupfer-Kathode 105 sind elektrisch über einen elektrischen Leiter 107 verbunden, welcher durch die Bordwand 223 ins Innere des unbemannten Unterwasserfahrzeuges 221 geführt ist. Vom elektrischen Leiter 107 ist eine anliegende elektrische Spannung 111 an einen Akkumulator 233 und weiter an den Propeller 231 übertragbar.
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Das beidseitig offene Zellgehäuse 201 weist auf einer Seite eines Meerwasserzulaufs 225 ein Ventil 227 und auf einer entgegenliegenden Seite eines Meerwasserablaufs 229 ein weiteres Ventil 227 auf.
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Aufgrund einer Strömung des Meerwassers 209 und einer Fortbewegung des unbemannten Unterwasserfahrzeuges 221 mittels des Propeller 231, strömt bei geöffnetem Ventil 227 des Meerwasserzulaufes 225 Meerwasser 209 in das Zellgehäuse 201 und somit an der Aluminiumschaum-Anode 103 und der Kupfer-Kathode 105 vorbei und bei geöffnetem Ventil 227 des Meerwasserablaufes 229 wiederum aus dem Zellgehäuse 201 kontinuierlich hinaus. Aufgrund der opferanodischen Oxidationsreaktionen an der Aluminiumschaum-Anode 103 gehen Aluminiumkationen in das Meerwasser 209 innerhalb des Zellgehäuses 201 in Lösung und entsprechend werden Elektronen an den elektrischen Leiter 107 abgegeben. Somit liegt eine entsprechende elektrische Spannung 111 vor, welche weiter an den Akkumulator 233 zum Aufladen und Zwischenspeichern übertragen wird, welcher wiederum den Propeller 231 mit Spannung versorgt.
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Somit wird ein unbemanntes Unterwasserfahrzeug 221 bereitgestellt, welches lediglich mit Meerwasser 209 als Betriebsmittel autonom über 2,5 Jahre im Meerwasser 209 operiert. Da eine Dichte der Aluminiumschaum-Anode 103 mit 1,020 g/cm3 der Dichte des umgebenden Meerwassers 209 entspricht, tritt aufgrund der Dichteänderung der Aluminiumschaum-Anode 103 durch die anodischen Oxidationsreaktionen und somit das kontinuierliche Auflösens der Aluminiumschaum-Anode 103 kein Einfluss auf die Dichte des unbemannten Unterwasserfahrzeugs 221 auf, sodass dieses nicht nachgetrimmt werden muss.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Elektrochemische Zelle
- 103
- Aluminiumschaum-Anode
- 105
- Kupfer-Kathode
- 107
- Elektrischer Leiter
- 109
- Brackwasser
- 111
- elektrische Spannung
- 201
- Zellgehäuse
- 209
- Meerwasser
- 221
- Unbemanntes Unterwasserfahrzeug
- 223
- Bordwand
- 225
- Meerwasserzulauf
- 227
- Ventil
- 229
- Meerwasserablauf
- 231
- Propeller
- 233
- Akkumulator
