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Strom (elektrische Energie) kann auf viele Arten erzeugt werden bzw. entstehen: z.B. durch Lorentzkräfte in magnetischen Feldern, Coulombkräfte, Redoxreaktionen, Mitführung von Ladungsträgern durch eine Strömung (Konvektion), Diffusion von Ladungsträgern bei Unterschieden in deren Konzentration, Diffusionsstrom, Verschiebungsstrom, usw.
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So wurden viele IPC-Klassifikationen geschaffen, z.B.:
- Einphasengenerator zur Erzeugung elektrischer Energie, Brennstoffzellen, piezoelektrischer Stromgenerator, dynamoelektrische Maschinen, Erzeugung elektrischer Energie durch Umwandlung von Infrarot-Strahlung, sichtbarem Licht oder ultraviolettem Licht; Gewinnung elektrischer Energie aus radioaktiven Quellen; lichtempfindliche anorganische Halbleiterbauelemente, thermoelektrische Bauelemente, lichtempfindliche organische Halbleiterbauelemente, pyroelektrische Bauelemente; thermoelektrische Bauelemente ohne eine Kontaktstelle zwischen ungleichen Materialien; thermomagnetische Bauelemente, z.B. unter Verwendung des Nernst-Ettinghausen-Effekts; elektrostatische Generatoren oder
- Motoren mit einem festen, sich bewegenden, elektrostatischen Ladungsträger; Generatoren, in denen thermische oder kinetische Energie in elektrische Energie durch Ionisation einer Flüssigkeit oder eines Gases und Entfernung der Ladung von diesen umgewandelt wird; magnetohydrodynamischer Generator, usw.
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Magnetische Felder können durch bewegte Ladungen erzeugt werden, also u.a. wenn Strom fließt. Auch auf atomarer Ebene werden magnetische Momente durch Bewegung von Ladungen erzeugt. Verantwortlich dafür ist z.B. die Bewegung der Elektronen.
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Meine Erfindung basiert auf der Weiterentwicklung von Einphasengeneratoren, um somit preiswerte, mobile und allseits verfügbare Stromgeneratoren zu erhalten, die ohne Temperaturdifferenz bei niedrigen Temperaturen - also Umgebungswärme - arbeiten (z.B. bei 10 Grad Celsius; 283,15 Kelvin). Die im Folgenden genannten Aggregatzustände beziehen sich auf dieses Temperaturbeispiel.
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Es existieren viele Lösungen mit Einphasengeneratoren, z.B.:
EP000000924838A1 , ein normal großer Einphasengenerator, aber auch
EP000003247034A1 , ein elektrostatischer Induktionserzeuger.
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Andere Herangehensweisen sind z.B.:
- 1. M. Josefsson et al. (2018) entwickelten einen Prototyp eines thermoelektrischen Nanokraftwerks mit Quantenpunkt und somit eine thermoelektrische Wärmekraftmaschine. In dieser werden - angetrieben durch ein thermisches Potenzial - Elektronen zwischen den beiden Wärmereservoiren ausgetauscht. In ihrem mikroskopisch kleinen Aufbau dienten zwei filigrane Drähte als Wärmereservoire mit jeweils unterschiedlichen Temperaturen. Dazwischen positionierten sie eine winzige Struktur aus Nanodrähten aus Indiumarsenid und Indiumphosphid.
- 2. Y. Xu et al. (2017) haben Elektrizität aus der Energie der Blutströmung gewonnen. Ein eindimensionaler, hocheffizienter Nanogenerator erzeugt Strom aus fließenden Medien. Ein Polymerfaserkern wurde mit Lagen von ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhren umwickelt. Die fertigen Fäden bestanden somit aus einem faserförmigen Kern, der mit Nanoröhrenschichten in einer Stärke von weniger als einem halben Mikrometer umwickelt war. Um mit diesem Faden Strom zu gewinnen, wurde er in einen Wasserstrom gelegt oder einfach wiederholt in eine Salzlösung getaucht und wieder herausgezogen. Die Elektrizität wurde durch die relative Bewegung zwischen dem Faden und der Lösung erzeugt,
- 3. Es existieren bereits weitere Erfindungen mit Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT, carbon nanotubes), die Strom viel besser als ein Kupferdraht leiten. Z.B. werden CNT und flüssiger Kunststoff (auch für Kleidung) zu dünnen Schichten gegossen und anschließend mit wechselnder Polung in Reihe geschaltet, so dass Strom aus Körperwärme erzeugt wird.
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Folgende Ansätze sind in diesem Zusammenhang besonders interessant:
- 1. Dünne Schichten aus Kupferiodid haben thermoelektrische Eigenschaften, die etwa tausendmal besser sind als die bisher bekannter, vergleichbarer Materialien. Das macht Kupferiodid zu einem herausragenden multifunktionalem Material: durchsichtig, halbleitend oder hoch leitend, thermoelektrisch aktiv und eignet sich somit auch zur unsichtbaren Energieerzeugung, etwa durch Körperwärme (C. Yang et al., 2017).
- 2. Nanomaterialien wandeln Wärme in Strom durch Unterdrückung der langwelligen Emission und steigern die Effizienz der thermophotovoltaischen Energieumwandlung (P. Dyachenko et al., 2016).
- 3. F. Yi et al., 2016 haben einen Nanogenerator entwickelt, der durch Nutzung der Reibungselektrizität verblüffend simpel, vielseitig und extrem elastisch ist. Die Ausbeute für diese triboelektrischen Module konnte hierbei stark erhöht werden.
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Vorraussetzungen für meine Erfindung sind u.a.:
- Eine Infrastruktur zur Herstellung von Computer-Chips mit Bauteilen unter 10nm für die dreidimensionale Spulenherstellung, Leitungen, ggf. Nanodioden und ggf. anderen Strukturen wie z.B. Halterungen.
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Nanodioden:
- Dioden in Nanometergröße sind aufgrund des Tunneleffekts ziemlich limitiert. X. Chen et al. (2017) haben es erreicht, dass wenn die angelegte Spannung in die richtige Richtung weist, sich die Diodenmoleküle ein Stück weit zur oberen Elektrode biegen, wodurch sich der Kontakt deutlich verstärkt. In Gegenrichtung bleibt dieser elektrostatische Effekt aus, so dass kaum noch Strom fließen kann.
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Dass eine weitere Miniaturisierung möglich ist, haben auch A. V. Rudnev et al. (2017) bewiesen, die eine Diode aus einem Molekül entwickelt haben: die Graphen-Molekül-Schnittstellen legen die Basis für eine effizientere Nanoelektronik.
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Die vorhandenen Lösungen erfüllen ihre den Umständen entsprechende Funktion oder sind noch in der Entwicklung haben aber nicht die Möglichkeiten der o.g. Erfindung.
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Eine allseits verfügbare sowie Strom erzeugende Lösung ist gewünscht und die im Schutzanspruch 1 angegebene Erfindung von Einphasengeneratoren in Nanometergröße, die bei Umgebungswärme elektrische Energie produzieren, erfüllt diese Anforderungen.
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Ein Ausführungsbeispiel:
- Gasmoleküle sind je nach Temperatur z.B. 500 m/s schnell und beinhalten auch bei Umgebungstemperatur eine große Menge Energie. Die Teilchen eines Gases haben unterschiedliche Geschwindigkeiten und die Geschwindigkeitsverteilung ist temperaturabhängig. Die Gasteilchen legen aber nur sehr kurze Strecken auf geradem Weg zurück, da sie ständig miteinander kollidieren. Die mittlere freie Weglänge der Gasteilchen liegt in einer Größenordnung von 10-7m. Jedes Gasteilchen stößt ca. 1010-mal pro Sekunde mit einem anderen Gasteilchen zusammen.
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Ein ferromagnetisches Material wird von einem Magneten stark angezogen. Ein paramagnetischer Stoff (ungepaarte Elektronen) wird nur sehr schwach angezogen. Ein diamagnetischer Stoff wird sogar schwach abgestoßen, da keine ungepaarten Elektronen vorhanden sind. Diamagnetismus ist ein deutlich schwächerer Effekt als Paramagnetismus.
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Paramagnetika verfügen über permanente mikroskopische Dipole, die vom äußeren Feld lediglich ausgerichtet werden. Auf Grund der thermischen Bewegung sind die Dipole der Paramagnetika bei Zimmertemperatur willkürlich verteilt, da die Wärmeenergie dann weitaus größer als die zum Umklappen der Spins benötigte Energie ist. Ein starker Dauermagnet oder ein Elektromagnet sorgt für den paramagnetischen Effekt.
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Sauerstoff ist ein paramagnetisches Gas, welches durch ein Magnetfeld beeinflusst werden kann. Diese Eigenschaft ist bei Sauerstoff stärker ausgeprägt als bei anderen Gasen (Xm = 1,9 . 10-6). Sauerstoff dient hier beispielhaft als Arbeitsmittel / Arbeitsmedium / Paramagnetika und somit als Wärmeträger / Wärmetransportmittel.
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In 1 und 2 sind schematische Grundstrukturen der Erfindung dargestellt: die Spulen in Nanometergröße 1, das Arbeitsmedium / der Wärmeträger 2 und ein Magnet 3, der bei einigen Lösungen (s.u.) auch fehlt.
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Nachteilig beim Einweggleichrichter (1) ist normalerweise die vergleichsweise große Restwelligkeit auf der Gleichspannungsseite, die aber durch nicht synchronisierte Stromerzeugung der Unmengen von Spulen wegfällt. Allerdings ist der Wirkungsgrad schlechter als bei dem Brückengleichrichter / der Graetzschaltung (2).
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Die Nanospulen sind (nach Schutzanspruch 2) in unmittelbarer Nähe des Arbeitsmediums / des Wärmeträgers so platziert, dass ein möglichst großer Wirkungsgrad erzielt wird. Wie im Schutzanspruch 3 dargestellt sind Nanodioden als Einweggleichrichter oder Brückengleichrichter den Nanospulen vor- sowie nachgeschaltet und sorgen für einen Gleichstrom.
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Eine Konstruktion ist auch ohne Nanodioden möglich. Ohne Nanodioden (nach Schutzanspruch 4) müssen die Nano - Spulen speziell angeordnet werden, z.B. um Kammern / Vertiefungen herum, damit kein unproduktiver Wechselstrom erzeugt wird. Außerdem sind Lösungen ohne Nanodioden durch eingeschränkte Bewegungen der Moleküle des Arbeitsmediums z.B. in CNT möglich s.u. (wie im Schutzanspruch 5 dargestellt).
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Weitere mögliche Arbeitsmedien / Arbeitsmittel / Wärmeträger sind (nach Schutzanspruch 6) z.B.: Elementarmagnete und Nano - ferroelektrische Kristalle (Analogie zum Ferromagnetismus) in Flüssigkeiten oder Gas. Ferroelektrische Kristalle bilden Domänen, also kleinste Bereiche mit wenigen Atomlagen und gleicher Polarisationsrichtung. Dies ist die Zielgröße.
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Der Kerndurchmesser superparamagnetischer Eisenoxid-Nano-partikel (auch bei Temperaturen unterhalb der Curie-Temperatur keine bleibende Magnetisierung) beträgt wenige Nanometer oder größer.
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Auch andere paramagnetische Gase und Flüssigkeiten könnten als Arbeitsmedium verwendet werden (incl. paramagnetisches Ferrofluid).
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Ionisiertes Gas / „kaltes“ Plasma / nichtthermisches Plasma (z.B. aus kommerziellen Plasmageneratoren) kann bis zu 100% aus Ionen bestehen. Es kann auch bei einem starkem Vakuum vorliegen, da bei reduzierten Drücken keine nennenswerte Energieübertragung erfolgt. Zu beachten ist aber, dass die freien Elektronen keine zu hohen Temperaturen haben, damit die Strukturen nicht zerstört werden.
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Außerdem können Ionen durch in Flüssigkeiten gelöste Salze erzeugt werden. Eine normale Vernebelung, z.B. einer Kochsalzlösung, hat mit mindestens 1µm aber recht große Tropfen. Ziel ist es deutlich kleinere Tröpfchen zu erzeugen. Die gesamten Strukturen müssen säurefest sein sobald starke Säuren verwendet werden (Oxonium, veraltet Hydroniumionen) bzw. Säuredampf in einem Vakuum.
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Freie Magneten im Arbeitsmedium würden sich natürlich zusammenlagern und keinen Strom erzeugen. Eine Lösung wäre es - wie im Schutzanspruch 7 dargestellt - sie vor den Spulen fest zu positionieren und frei bewegend dem Arbeitsmedium auszusetzen. Als weitere Lösung (nach Schutzanspruch 8) könnten Nanomagnete mit einem (auch längeren) Ende in das Arbeitsmedium ragen und sich bewegen lassen. Das andere Ende wäre durch eine feinste Wand geschützt und würde sich in einem Hohlraum direkt vor den Spulen bewegen (ein Hebel, eine Wippe, ein nicht drehender Rotor in einer Art „Reaktionskammer“, 3 - 3). Das Lager des Nanomagneten ist somit in der Wand. Möglich wäre im Arbeitsmedium auch ein unmagnetischer Hebelanteil, so dass sich - wie im Schutzanspruch 9 dargestellt - ein magnetischer Hebelanteil in der „Reaktionskammer“ vor den Nanospulen bewegt. So kann die Bewegung der Moleküle im Arbeitsmedium durch komplett unmagnetisches Material gewährleistet werden. Als weitere Lösung bieten sich komplett unmagnetische Hebelanteile an, die z.B. Ionen, Paramagnete oder Magnete vor den Spulen bewegen.
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Elektromagnete könnten ggf. zur Optimierung / falls nötig an- und wieder abgeschaltet werden, ein starker Dauermagnet kann durch entsprechende Konstruktion den gleichen Effekt erreichen (z.B. mehrere Dauermagnete mit Abstand auf einem Rad montiert).
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Wasser ist diamagnetisch (sehr schwach abstoßend). Durch ein Vakuum erzeugter Wasserdampf mit dem charakteristischem Dipol-Molekül wäre somit nicht erste Wahl.
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Die genannten Arbeitsmedien könnten in Kombination mit CNT (carbon nanotubes) verwendet werden. Speziell konstruierte und als „Reaktionskammer“ platzierte CNT könnten (nach Schutzanspruch 10) dafür sorgen, dass die Moleküle (z.T. auch in den CNT „gefangen“) eingeschränkte Bewegungsmöglichkeiten haben, die zu einer höheren Effektivität führen.
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Außerdem können Ionen oder andere geladene Teilchen durch Magnete oder im elektrischen Feld - wie im Schutzanspruch 11 dargestellt - ausgerichtet werden, so dass sich die Moleküle auch nicht frei bewegen können. Dies kann zur Steigerung des Wirkungsgrads führen, da dann die idealen Schwingungen / Bewegungen zur Stromerzeugung vorhanden sind.
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Die ggf. vorhandenen „Reaktionskammern“ sollten direkt vor den Spulen liegen, eine weitere Schicht stellen die Spulen und ggf. Nanodioden dar. Abwechselnd dann noch eine größere Schicht mit dem Wärmeträger / Arbeitsmedium (nach Schutzanspruch 12). Millionen, Milliarden oder Billionen dieser Schichten elektrisch zusammengeschaltet ergeben nach Schutzanspruch 13 zusammen ein Modul. Außerdem könnten die Spulen mit ggf. Nanodioden bzw. die dünnen Schichten zusammen - wie im Schutzanspruch 14 dargestellt - wie Drähte vom Wärmeträger „umspült“ werden. Somit sind verschiedene geometrische Strukturen der Erfindung möglich, um einen möglichst großen Wirkungsgrad zu erreichen.
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Das Arbeitsmedium zirkuliert, kalter Wärmeträger wird herausgepumpt (Gas oder Flüssigkeit), folgt der Schwerkraft, wird durch Magneten entfernt oder durch anders gepolte Spannung entfernt und wird zum Wärmetauscher geleitet (nach Schutzanspruch 15). Anschließend gelangt das erwärmte Arbeitsmedium wieder zurück in den Kreislauf.
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Die Module sind - wie im Schutzanspruch 16 dargestellt - beliebig skalierbar. Somit sind alle Größen von Platinenbausteinen, Batterien bis zu großen Anlagen möglich.
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Referenzen
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X. Chen et al.: Molecular diodes with rectification ratios exceeding 105 driven by electrostatic interactions, Nat. Nanotech., online 3. Juli 2017; DOI: 10.1038/nnano.2017.110
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P. Dyachenko et al.: Controlling thermal emission with refractory epsilon near-zero metamaterials via topological transitions, Nat. Commun., online 6. Juni 2016; DOI: 10.1038/ncomms11809
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M. Josefsson et al.: A quantum-dot heat engine operating close to the thermodynamic efficiency limits, Nat. Nanotechnol., online 16. Juli 2018; DOI: 10.1038/s41565-018-0200-5
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A. V. Rudnev et al.: Stable anchoring chemistry for room temperature charge transport through graphite-molecule contacts, Sci. Adv. 3, e1602297 (2017); DOI: 10.1126/sciadv.1602297
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Y. Xu et al.: A One-Dimensional Fluidic Nanogenerator with a High Power Conversion Efficiency, Ang. Ch., online 7. September 2017; DOI: 10.1002/ange.201706620
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C. Yang et al.: Transparent Flexible Thermoelectric Material Based on Non-toxic Earth-Abundant p-Type Copper Iodide Thin Film, Nat. Commun. 8, 16076 (2017) ; DOI: 10.103 8/ncomms 16076
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F. Yi et al.: A highly shape-adaptive, stretchable design based on conductive liquid for energy harvesting and self-powered biomechanical monitoring, Sc. Adv. 2, e1501624 (2016); DOI: 10.1126/sciadv.1501624
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 000000924838 A1 [0005]
- EP 000003247034 A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- X. Chen et al.: Molecular diodes with rectification ratios exceeding 105 driven by electrostatic interactions, Nat. Nanotech., online 3. Juli 2017 [0034]
- P. Dyachenko et al.: Controlling thermal emission with refractory epsilon near-zero metamaterials via topological transitions, Nat. Commun., online 6. Juni 2016 [0035]
- M. Josefsson et al.: A quantum-dot heat engine operating close to the thermodynamic efficiency limits, Nat. Nanotechnol., online 16. Juli 2018 [0036]
- Y. Xu et al.: A One-Dimensional Fluidic Nanogenerator with a High Power Conversion Efficiency, Ang. Ch., online 7. September 2017 [0038]
- C. Yang et al.: Transparent Flexible Thermoelectric Material Based on Non-toxic Earth-Abundant p-Type Copper Iodide Thin Film, Nat. Commun. 8, 16076 (2017) [0039]
