DE19541933A1 - Elektromechanische Batterie - Google Patents

Description

Als Energiespeicher (Batterien) sind eine große Zahl von Einrichtungen bekannt, wovon die elektrochemischen Batterien sehr gebräuchlich sind. Die Speicherung von Energie in mechanischer Rotationsenergie ist wohl bekannt, z. B. wurde in Zürich ein Omnibus mit einer Energieabspeicherung mittels einer rotierenden Schwungmasse betrieben, die an den Endstationen elektrisch aufgeladen wurde, was sich allerdings nicht allgemein bewährt hat.

Für den Antrieb von Automobilen sind neuerdings wieder Rotationsbatterien bekannt geworden (R.F. Post, T.K. Fowler und S.F. Prost, Proceedings IEEE 81, 462 (1993)], die inzwischen dank der in den letzten Jahren entwickelten Technologie von Kohlenstoffasern zu einem marktreifen Personenkraftwagen geführt hat, der ab 1998 von einer Firma im USA-Staat Oregon auf dem Markt sein wird [IEEE Spektrum, Januar 1995, S. 72]. Die Autos zu einem Preis von ca. $40000 sind völlig vergleichbar mit solchen mit Benzinbetrieb oder mit einer elektrochemischen Batterie. Letztere hält nur ca. 40 000 km, während die Rotationsbatterie ca. 320 000 km hält. Das Auto mit chemischer Batterie hat nur zwei Sitze, das mit Rotationsbatterie 4 gegenüber dem Normalauto von jeweils gleicher Außendimension mit 5 Sitzen. Die Rotationsbatterie benötigt immer noch ein großes Volumen, auch wenn die viel besser sind als mit elektrochemischer Batterie.

Die Rotationsbatterie arbeitet mit Einkoppelung und Auskoppelung der Energie in den mechanischen Rotor mittels magnetischer Induktion nach einem neuartigen Verfahren nach Klaus Halbach (Berkeley Universität), so daß alle gyromechanischen Effekte in den 12 kleinen Batterien des Autors z. B. keine Rolle spielen, mit der die Energie sowieso elektrisch ausgetauscht wird. Die Rotoren sind im Vakuum und magnetisch freischwebend aufgehängt, so daß die Energie für Monate gespeicherte werden kann. Diese Energiespeicherung könnte auch ein Durchbruch für die Solarenergie sein, die man vom Sommer in den Winter speichern möchte und wobei die ungeheuren Umweltschäden durch die Riesendimension der Alchemie der bisher verwendeten elektrochemischen Batterien vermieden würde. Auch für Energiespeicherung in Satelliten ist die von der Temperatur unabhängige Rotationsbatterie von Vorteil, da die bisherigen elektrochemischen Batterien eigens Heizungen benötigt haben, wenn der Satellit in den Erdschatten kam.

Bei den Rotationsbatterien wurde die technische Reife für Automobile gerade erst in den letzten Jahren erreicht, wobei die neuesten Erkenntnisse von der Entwicklung von Ultrazentrifugen für Isotopentrennung von Bedeutung waren. Entscheidend für die notwendigen 60 000 Umdrehungen pro Minuten und mehr ist die Verwendung von Fasermaterialien. So erreicht Graphit (1989) eine Festigkeit von 7 Gigapascal, was ein Vielfaches vom besten Stahl ist. Stahl würde bei einem Unfall auch wie Schrapnell wirken, während die Fasertechnik wesentlich milder vom Schutzmantel abgefangen werden kann. Es ist projektiert, daß Graphitfasern eine Festigkeit von 10 G Pa erreichen können.

Gegenüber diesem technisch schon sehr weit fortgeschrittenen elektromechanischen Energiespeichger in den marktbereiten Automobilen und anderen Anwendungen kann erfindungsgemäß noch eine weitere schwerwiegende Verbesserung erzielt werden, wenn anstelle der Graphitfasern Diamantschichten verwendet werden. Festigkeiten von über 160 G Pa sind gemessen worden [z. B. bei Untergrund-Kernexplosionen: R. F. Trunin, Physics Uspekhi 37, 1123 (1994) Fig. 4 auf S. 1127]. Eine Erhöhung der Festigkeit um einen Faktor 10 (betreffend die Geschwindigkeit in der Zentrifugalkraft) bewirkt theoretisch eine Reduktion des Volumens um den Faktor 100 (da die Geschwindigkeit mit dem Quadrat in die kinetische Energie eingeht).

Die preiswerte Erzeugung von synthetischen Diamantschichten mit Techniken von niedrigem Druck ist erstmalig 1965 in die Patentliteratur eingegangen (H. Hora, Japan. Patent 472771, Brit. Patent 1,001,308] und hat sich in der Zwischenzeit zu einer weitverbreiteten Technologie entwickelt [M.W. Geiss und J.C. Angus Scientific American, Oktober 1992, S. 81], wobei die Methode der CVP (chemical vapour deposition) mit Hilfe von Mikrowellen-, Laser- oder Elektronenstrahlen oder nur dann durch extreme Temperaturunterschiede genau den Bedingungen des genannten Patentes von 1965 entspricht, daß man sehr weit von den Bedingungen des thermodynamischen Gleichgewichtes entfernt ist, in dem Chemiker sonst nur zu arbeiten gewohnt sind. Als ein Beispiel, wie man billig relativ dicke Bänder von Diamantschichten herstellt, wird erwähnt [H. Hora und M. A. Prelas, Diamond and Related Materials 4, 1376 (1982); H. Hora, R. Höpfl und M. A. Prelas, in Wide Band Gap Electronic Material, NATO ASI Series 3. High Technology Vol. 1, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht 1995, S. 487], daß damit die Platintiegel zum Schmelzen von Laserglas ausgekleidet wurden, so daß keine Platinkörnchen in das Glas eingebaut wurden, was anderweitig in dem von Hoya und Schott glieferten Glas für den NOVA-Laser 1992 einen Schaden von fast DM 20 Millionen und eine strategische Verzögerung von 2 Jahren verursachte.

Zur Frage der Festigkeit ist noch zu unterschieden zwischen Kompression und Ausdehnung des Kristalls. Für die Theorie der Kompressibilität von Festkörpern hat sich gegenüber Madelungs empirisch vermuteteten Modell die unmittelbare quantenmechanische Herleitung aus dem Quantendruck besser bewährt [H. Hora und R. Romatka, Naturwissenschaften, 69, 399 (1982); S. Eliezer, A. K. Ghatak und H. Hora, Equations of State, Cambridge University Press 1986, Kapitel 1, siehe auch H. Hora, Plasmas at High Temperature and Density, Springer, Heidelberg 1991, S. 28 and Appendix 1]. Damit stimmt z. B. für den Diamanten mit einer Atomdichte von 1.7 × 10²³ cm³ die Kompressibilitätskonstante 1.5 × 10^-13 cm³/dyn mit den Messungen überein. Die Kompressibilität κ als Ausdruck der Veränderung von Volumen V unter einem Druck in einem Festkörper ergibt sich dabei unmittelbar aus der Dichte n der äußersten Valenzelektronen (gegebenenfalls unter Beachtung, daß zwei Elektronen mit entgegengesetztem Spin dieselben Quantenzustände einnehmen) sowie durch die Elektronenmasse m und die Korrektur mittels der effektiven Masse m* und der Planckschen Konstanten h zu

Wenn die experimentellen Werte mit der Theorie verglichen werden, kann man näherungsweise von m* = 1 ausgehen und erhält über drei Zehnerpotenzen der Kompressibilität eine gute Übereinstimmung, insbesondere - im Gegensatz zum Madelung Modell - anhand des Exponenten der Dichte.

Nach diesen Beziehungen erhält man für eine Dichteänderung von 0,25% einen Druck von 100 G Pa, was einer Kompressionsenergie von 7.34 eV pro Atom, bzw. von 1.82 eV pro Valenz entspricht. Diese Kompressionsenergie erscheint sehr hoch zu sein, doch haben die Messungen mit Diamant bei Untergrundkernexplosionen [Trunin, siehe oben] ergeben, daß 160 G Pa Drucke eine Kompression um 25.3% ergeben. Der relativ geringe Unterschied zu den oben genannten Werten sollte innerhalb der Meßfehler und der theoretischen Vereinfachungen (effektive Masse) liegen. Bei den Messungen mit den Untergrund Kernexplosionen wurde die Kompressibilität mittels Stoßwellen ausgewertet, d. h. es wurden sowohl Kompressions- wie auch Dilatationszustände erzeugt. Es ist daher nicht auszuschließen, daß somit eine Dilatation von dieser Größe die Diamantkristalle noch nicht zerstört. In unserer obigen Anwendung auf die Rotationsbatterie ist somit die Voraussetzung einer mechanischen Belastung von 100 G Pa noch im konservativen Rahmen (verglichen mit den 7 G Pa von Kohlenstoffasern). Es soll noch darauf hingewiesen werden, daß in anderem Zusammenhang - nämlich beim thermischen Spannungswiderstand, der 7 Zehnerpotenzen größer als beim Glas angegeben wird - bei Diamant von Drücken bis zu 1000 G Pa gesprochenb wird [Russell Seitz, SPIE Vol. 969 Diamond Optics (1988) S. 124].

Wie gut diamantartige Kristalle starke Dilatationen vor Versprödung aushalten, kann man auch vom Silizium her sehen. Dort können durch Implantation von Ionen auf interstitielle Gitterplätze (d. h. noch vor dem Einbau in das Gitter nach Annealin) Dilationen von mehr als 10% eintreten und dabei Drücke, die 1 bis 2 eV pro Atom betragen, entstehen [H. Hora, Applied Physics A32, 1 (1083)].

Bei der Herstellung der Bänder von Diamand geht man erfindungsgemäß genauso vor wie bei den oben genannten Bändern zum Belegen von Platintiegeln zum Schmelzen von Laserglas. Dazu werden aber erfindungsgemäß auch Lasereinstrahlung während des CVD- und Epitaxieprozesses [siehe obiges Patent Hora von 1965] oder die Einstrahlung von intensiven Mikrowellen und/oder Elektronenstrahlen oder Ionenstrahlen verwendet.

Claims (6)

1. Elektromechanische Batterie mit rotierenden Massen und induktiver Koppelung von Energie, gekennzeichnet dadurch, daß Materialien mit einer Belastbarkeit bis zu 300 Gigapascal verwendet werden.

2. Batterie nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß Diamant oder diamantähnliche Schichten verwendet werden.

3. Batterie nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die diamantähnlichen Sichten durch CVD (chemische Dampfabscheidung) erzeugt werden.

4. Batterie nach Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß beim CVD eine Energiekoppelung mit Mikrowellen erfolgt.

5. Batterie nach Anspüchen 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß beim CVD eine Energiekoppelung mittels Lasern erfolgt.

6. Batterie nach Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß beim CVD eine Energiekoppelung mittels Elektronenstrahlen erfolgt.