WO1999044841A1 - Crooksches radiometer oder lichtmühle - Google Patents

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WO1999044841A1
WO1999044841A1 PCT/DE1999/000526 DE9900526W WO9944841A1 WO 1999044841 A1 WO1999044841 A1 WO 1999044841A1 DE 9900526 W DE9900526 W DE 9900526W WO 9944841 A1 WO9944841 A1 WO 9944841A1
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Inventor
Andreas Biedermann
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Andreas Biedermann
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B44—DECORATIVE ARTS
    • B44C—PRODUCING DECORATIVE EFFECTS; MOSAICS; TARSIA WORK; PAPERHANGING
    • B44C5/00—Processes for producing special ornamental bodies
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/46—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using radiation pressure or radiometer effect
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/005—Electro-chemical actuators; Actuators having a material for absorbing or desorbing gas, e.g. a metal hydride; Actuators using the difference in osmotic pressure between fluids; Actuators with elements stretchable when contacted with liquid rich in ions, with UV light, with a salt solution

Definitions

  • the radiometer effect is said to have been discovered by A. J. FRESNEL in 1825. WILLIAM CROOKES later used the effect to produce a continuously rotating radiometer (light mill).
  • the light mills are physical toys that always seem to be of some interest, so that light mills have been commercially available for a long time.
  • the explanation of the structure and how it works can be found in many physics textbooks (for example: GRIMSEHL, Textbook of Physics, Third Volume, Optics, Leipzig 1952, p. 51/1 /) and even in general educational encyclopedias (for example BROCKHAUS encyclopedia: in 24 vol. 19 edition, vol. 18, page 21 121).
  • the function of the radiometer is usually explained as follows: Light hits a sheet blackened on one side. The blackened side of the leaflet warms up more than the non-blackened side due to its greater absorption capacity. The air molecules hitting the warmer side are reflected at a higher speed, so that the leaflet receives a recoil towards the colder side.
  • the instructions for setting up the light mills are the same.
  • the material for the leaflets is called "metal" or mica.
  • Soot is expressly listed as a method of blackening. It can be assumed that a matt surface of soot should be produced, since the cold (not sooty) side is often referred to as the bare side leaflets are arranged in dilute gas: order for printing 10- 2 Torr the arrangement is such that low-friction movement is possible..
  • the speed of the leaflets for a given incidence of light is taken as a measure of the efficiency of a light mill. Executed light mills differ very strongly in efficiency. Compared to mica, metal flakes result in such inefficient light mills that they are practically not carried out. However, the light mills working with mica flakes also show great differences in efficiency. Nonetheless, hardly any changes have been made to the basic structure since CROOKES was invented.
  • LICHTENHELDT (DE G 94 11 418/3 /) suggests improvement in advertising effectiveness by printing on the non-blackened side.
  • the design is elegant, ceramic sliding pictures are burned onto the mica sheets before the light mill is assembled. What is also remarkable about the teaching is the fact that it is assumed that mica is used. No information is given on the efficiency, but it can be assumed that the efficiency decreases slightly due to the printing.
  • Mica is a natural product with widely varying properties.
  • a whole group of rock-forming aluminosilicates is called mica. Only the formation of flaky tabular crystals is common. In this respect, it is understandable that identical light mills can have large differences in efficiency - depending on the selection, chemical composition and pretreatment of the mica flakes.
  • the object of the invention is to provide lessons according to which radiometers or light mills are created with constant and as high as possible efficiency in order to enable reproducible production conditions.
  • the previous teaching is: the surface that is to become warmer must have the highest possible absorption. This is achieved by blackening (sooting).
  • the first teaching of the invention is formulated in general terms: the surface which is to become warmer must have the lowest possible absorption. This is apparently nonsensical and must therefore be explained in the following.
  • the energy is supplied by absorption of the incident light.
  • This heat conduction leads to a lowering of the temperature of the cold surface (if it has received heat from somewhere) and thus increases the efficiency of the light mill because it increases the temperature difference between the warm and cold surface.
  • the energy loss from this heat radiation reduces efficiency.
  • the heat radiation can be calculated according to Stefan-BOLTZMANN's law
  • the temperature difference is quite small. If you consider the radiometer as a machine that generates mechanical energy from this temperature difference, then it has dimensions
  • the efficiency is even lower because at this temperature difference the entire energy is already radiated and cannot be used to generate mechanical energy.
  • the mechanical energy that can be used to drive the motor becomes even smaller as the illuminance decreases. Because then the available thermal energy drops and at the same time the efficiency even further. It is understandable here why the radiometers / light mills are not yet safe, functioning standard products, but rather have to be seen as masterpieces of physical experimentation. -5-
  • a material which has an absorption coefficient which is as small as possible at least in the vicinity of this focal wavelength.
  • a whole range of materials can be used.
  • Infrared-transparent materials such as silicon, diamond or simply table salt are also suitable.
  • a gold layer is very easy to manufacture.
  • An absorption coefficient of 0.03 is assumed (in some cases even smaller values are given).
  • the maximum thermodynamic efficiency increases to 0 , 34 and interestingly enough, the maximum available mechanical energy increased due to the gold coating, although the energy supplied was only assumed to be a third compared to the soot surface.
  • the warm surface can therefore no longer be treated photometrically as a black or gray body for which absorption can be calculated according to Stefan-BOLTZMANN's law.
  • the spectral absorption capacity must be weighted with the spectral radiance at the operating temperature.
  • a black body absorbs (and emits) the spectral radiance according to PLANCK's radiation formula
  • the effective absorption capacity for the light irradiation ⁇ can be determined similarly:
  • ⁇ L JL L ( ⁇ ) ⁇ ( ⁇ ) d ⁇ / JL L ( ⁇ ) d ⁇ (4)
  • the radiometer If the radiometer is to work in sunlight, the spectral radiance of a black body with a temperature of 6000 K can be used for L. Accordingly, the spectral radiance of a black body with the temperature of the filament of the incandescent lamp will be used if the radiometer is to be optimized for lamp operation. As a rule, gas discharge lamps cannot be described with a PLANCK-like distribution. The actual radiance should be used here. There are very good compromises, because even with a radiometer that absorbs both sunlight and incandescent light, the absorption capacity according to (3) should not increase significantly - provided the operating temperature is moderate.
  • the quotient can be made quite large, but even with a value of the quotient of 2, a significantly higher efficiency of the radiometer can be achieved than in the case of the conventional teaching, according to which blackening (sooting) is to take place, because then the quotient is close of 1.
  • the quotient ⁇ L / ⁇ (T B ) from the effective absorption capacity for the light radiation and the effective absorption capacity for the infrared radiation at the operating temperature is greater than 2.
  • Metal surfaces e.g. aluminum foil
  • a dye that only absorbs in the visible.
  • Metal surfaces provided with interference layers e.g. Silicon layer on silver or thin tarnish layers on metal surfaces.
  • Metal surfaces provided with very thin absorbent layers smaller than the wavelength of the infrared heat radiation) so that the absorption in the infrared does not become, e.g. wafer-thin and smooth layers of soot on aluminum • Suitable materials without further measures, e.g. a very thin silicon foil
  • This heat radiation leads to a lowering of the temperature of the cold surface (if it has received heat from somewhere) and increases the efficiency of the light mill because it increases the temperature difference between the warm and cold surface.
  • the requirement here is that the quotient ⁇ L / ⁇ (T B ) from the effective absorption capacity for the light radiation and the effective absorption capacity for the infrared radiation at the operating temperature is as small as possible (the operating temperature here is the temperature of the cold surface).
  • the requirement is probably already met with conventional designs. It can be assumed that all mica absorb strongly in the infrared due to their silicate composition - while they are more or less transparent in the visible and sometimes reflect quite strongly due to the leaflet structure.
  • Vacuum does not continuously release gases, then z. B. with a photograph as a cold surface and a coated metal foil as a warm surface create an efficient light mill (Fig. 1, Fig. 1a).
  • the heat conduction between the warm and cold surface is detrimental to the efficiency of the radiometer.
  • a second teaching is therefore given in order to be able to produce radiometers with reproducible efficiency: in the space between the warm surface and the cold surface, several interfaces are arranged.
  • the pressure reduction can also be used to change the ratio of the thermal conductivities.
  • the thermal conductivity of gases is thermodynamically independent of the pressure. At low pressures, however, the thermodynamic description no longer applies; the thermal conductivity then drops with falling pressure.
  • the area between the two statements is the area where the mean free path comes in the order of characteristic lengths.
  • the mean free path length increases with falling pressure. Therefore, the following happens: with falling pressure, the thermal conductivity will decrease first, for which a shorter characteristic length applies - in the space between the warm and cold surface. While the thermal conductivity to the environment remains unchanged or at least decreases more slowly because its characteristic length is still large compared to the mean free path. This effect improves the efficiency of the radiometer, the greater the difference in the characteristic lengths, the greater the effect. -11-
  • the heat radiation between the warm and cold surface is detrimental to the efficiency of the radiometer.
  • the cold surface should have a high effective absorption capacity for infrared radiation at operating temperature ⁇ (T B ).
  • T B operating temperature
  • the cold surface then eagerly absorbs the heat radiation emanating from the warm surface.
  • Remedy is provided by a third teaching, such that one or more radiation screens are arranged in the space between the colder and warmer surface, each of which has a high effective reflectivity for the infrared radiation of the warmer surface.
  • the surface facing the warm side of the cold side is designed as a metal surface - but the surface facing the environment must retain its high effective absorption capacity for the infrared radiation.
  • this arrangement can be carried out easily by metal vapor deposition on the back of the photograph from FIGS. 1, 1a or by sticking an aluminum foil onto this back.
  • the surface facing the environment remains unchanged. It is also possible to arrange additional metal foils in the space between the warm and cold side. If the surface perpendicular to the foils shows parallel to the temperature gradient, then the heat conduction remains practically unchanged if the foils are sufficiently thin. The heat radiation is prevented. -12-
  • the heat shields taught here with the interfaces taught under point 5.
  • the interfaces taught under point 5 For example, by vapor-depositing the material that forms the interfaces with a thin metal layer.
  • Metals can be used because of their high reflectivity.
  • the use of metals is not absolutely necessary, but it is only necessary that a high effective reflectivity for the infrared radiation of the warmer surface is created.
  • electrically conductive and visible layers such as indium tin oxide or doped tin oxide. If such layers (e.g. applied to transparent films) are used as radiation screens, the warm side can absorb the light radiation on both surfaces and a further increase in efficiency is possible.

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Abstract

Die Erfindung ermöglicht es, Radiometer oder Lichtmühlen mit konstanter und hoher Effizienz zu schaffen, damit lassen sich die Produktionsbedingungen reproduzierbar gestalten. Wesentliche Verbesserungen gegenüber bekannten Bauformen werden erreicht dadurch, daß das effektive Absorptionsvermögen der wärmeren Oberfläche für Infrarotstrahlung verkleinert wird und/oder in dem Raum zwischen kälterer und wärmerer Oberfläche mehrere Grenzflächen angeordnet sind. Wobei die Grenzflächen vorteilhaft auch als Strahlungsschirme ausgebildet sein können, welche für die Lichteinstrahlung durchlässig sind.

Description

Radiometer oder Lichtmühle
Stand der Technik
Der Radiometereffekt soll bereits 1825 von A. J. FRESNEL entdeckt worden sein. WILLIAM CROOKES nutzte später den Effekt zur Herstellung eines sich fortwährend drehenden Radiometers (Lichtmühle). Die Lichtmühlen sind physikalische Spielzeuge, die offenbar immer auf ein gewisses Interesse stoßen, so daß Lichtmühlen schon seit langem kommerziell vertrieben werden. Die Erklärung zum Aufbau und zur Funktionsweise findet sich in vielen Physik-Lehrbüchern (beispielsweise: GRIMSEHL, Lehrbuch der Physik, Dritter Band, Optik, Leipzig 1952, S. 51 /1/) und sogar in allgemeinbildenden Enzyklopädien (beispielsweise BROCKHAUS-Enzyklopädie: in 24 Bd. 19 Auflage, Bd. 18, Seite 21 121).
Die Funktion des Radiometers wird in der Regel so erklärt: Auf ein einseitig geschwärztes Blättchen trifft Licht. Die geschwärzte Seite des Blättchens erwärmt sich aufgrund des größeren Absorptionsvermögens stärker als die ungeschwärzte Seite. Die auf die wärmere Seite auftreffenden Luftmoleküle werden mit größerer Geschwindigkeit reflektiert, so daß das Blättchen einen Rückstoß nach der kälteren Seite hin erhält.
Die Anleitungen zum Aufbau der Lichtmühlen stimmen überein. Als Material für die Blättchen wird „Metall" oder Glimmer genannt. Ausdrücklich wird Berußen als Methode zur Schwärzung aufgeführt. Es ist anzunehmen ist, daß eine matte Rußoberfläche hergestellt werden soll, denn die kalte (nichtberußte) Seite wird oft als blanke Seite bezeichnet. Die Blättchen werden in verdünntem Gas angeordnet: Größenordnung für den Druck 10-2 Torr. Die Anordnung erfolgt so, daß möglichst reibungsarme Bewegung möglich ist. Als Maß für die Effizienz einer Lichtmühle sei die Geschwindigkeit der Blättchen bei vorgegebenem Lichteinfall angenommen. Ausgeführte Lichtmühlen unterscheiden sich sehr stark in der Effizienz. Im Vergleich zum Glimmer ergeben Metallblättchen dermaßen ineffiziente Lichtmühlen, daß sie praktisch nicht ausgeführt werden. Aber auch die mit Glimmerblättchen arbeitenden Lichtmühlen zeigen große Unterschiede in der Effizienz. Trotzdem wurden am grundlegenden Aufbau seit der Erfindung durch CROOKES kaum Veränderungen vorgenommen.
LICHTENHELDT ( DE G 94 11 418 /3/ ) schlägt Verbesserung hinsichtlich der Werbewirksamkeit durch Bedrucken der nicht geschwärzten Seite vor. Die Ausführung ist elegant, keramische Schiebebilder werden vor dem Zusammenbau der Lichtmühle auf die Glimmerblättchen gebrannt. Bemerkenswert an der Lehre ist auch die Selbstverständlichkeit, mit der davon ausgegangen wird, daß Glimmer verwendet wird. Über die Effizienz werden keine Angaben gemacht, es ist aber anzunehmen, daß die Effizienz durch das Bedrucken leicht sinkt.
Beim Glimmer handelt es sich um ein Naturprodukt mit stark variierenden Eigenschaften. Als Glimmer wird eine ganze Gruppe gesteinsbildender Aluminosilikate bezeichnet. Gemeinsam ist nur die Bildung blättrig-tafliger Kristalle. Insofern ist verständlich, daß baugleiche Lichtmühlen große Unterschiede in der Effizienz aufweisen können - je nach Auswahl, chemischer Zusammensetzung und Vorbehandlung der Glimmerblättchen.
Die Unterschiede in der Effizienz verhindern viele wünschenswerte Anwendungen. Nur Radiometer oder Lichtmühlen hoher Effizienz können als funktionsfähige Produkte verkauft werden. Eine großtechnische Produktion von Lichtmühlen als Werbemittelträger oder als Spielzeuge ist nicht ausführbar, wenn die Funktion der Lichtmühlen vorab nicht gesichert werden kann. Bisher müssen die Lichtmühlen eher als Meisterwerke physikalischer Experimentierkunst angesehen werden
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, Lehren zu geben, nach denen Radiometer oder Lichtmühlen mit konstanter und möglichst hoher Effizienz geschaffen werden, um reproduzierbare Produktionsbedingungen zu ermöglichen. -3-
Darsteilung der Erfindung
Die bisherige Lehre lautet pauschal: die Oberfläche, welche wärmer werden soll, muß eine möglichst hohe Absorption aufweisen. Das wird erreicht durch Schwärzen (Berußen). Die erste Lehre der Erfindung dagegen lautet pauschal formuliert: die Oberfläche, welche wärmer werden soll, muß eine möglichst geringe Absorption aufweisen. Das ist scheinbar unsinnig und muß deshalb im Folgenden erläutert werden.
Nach der bisherigen Lehre erreicht man durch das Berußen einen Absorptions¬
koeffizienten um ε = 0.9. Theoretischer Maximalwert für den Absorptionskoeffienten ist ε =1. Ruß, insbesondere, wenn er matt ist, wird als sehr gut absorbierendes Material im Wellenlängenbereich von 0,4 μm bis 10 μm bezeichnet und auch häufig eingesetzt. Aufgrund des bereits recht großen Absorptionskoeffizienten ist eine nennenswerte weitere Steigerung nicht mehr möglich.
Die Energiezufuhr erfolgt durch Absorption des einfallenden Lichts. Bei einer
Bestrahlungsstärke von E = 100 W nr2 (helles Tageslicht) wird eine Leistung P = ε * E = 90 W nr2 absorbiert. Das führt zu der gewünschten Erwärmung. Die absorbierte Leistung ist offensichtlich um so größer je größer der Absorptionskoeffizient ist. Dieser Umstand hat zu der bisherigen Lehre geführt, für möglichst große Absorption zu sorgen. Die Absorption von Licht ist aber nicht gleichzusetzen mit dem Entstehen der Radiometerkraft. Unter gleichen sonstigen Bedingungen ist davon auszugehen, daß die Effizienz der Lichtmühle um so größer ist je größer der Temperaturunterschied zwischen warmer und kalter Seite des Blättchens ist. Für die Temperaturdifferenz ist aber nicht nur die absorbierte Leistung wichtig, sondern auch die Summe aller Wärmeverluste. Folgende Wärmeverluste kommen in Frage:
1.Wärmeleitung von der warmen Oberfläche durch das Gas zur Umgebung 2.Wärmeleitung von der kalten Oberfläche durch das Gas zur Umgebung 3.Wärmestrahlung von der warmen Oberfläche zur Umgebung 4.Wärmestrahlung von der kalten Oberfläche zur Umgebung S.Wärmeleitung durch den Raum zwischen warmer und kalter Oberfläche β.Wärmestrahlung durch den Raum zwischen warmer und kalter Oberfläche
Von Wärmeverlusten durch die Aufhängung sei hier abgesehen. Die Wärmeverluste haben unterschiedlichen Einfluß auf die Effizienz des Radiometers und werden im Folgenden einzelnen betrachtet. Zu 1. Wärmeleitung von der warmen Oberfläche durch das Gas zur Umgebung
Es besteht ein ursächlicher Zusammenhang beim Transport physikalischer Eigenschaften durch die Gasmoleküle (siehe z.B. WILHELM MACKE, Lehrbuch der theoretischen Physik, Geest & Portig, Leipzig, 1967, Kapitel 147). Diese Wärmeleitung ist also für die Funktion des Radiometers notwendig.
Zu 2. Wärmeleitung von der kalten Oberfläche durch das Gas zur Umgebung
Diese Wärmeleitung führt zur Temperaturerniedrigung der kalten Oberfläche (falls diese von irgendwoher einen Wärmezufluß erhalten hat) und steigert damit die Effizienz der Lichtmühle, weil sie den Temperaturunterschied zwischen warmer und kalter Oberfläche vergrößert.
Zu 3. Wärmestrahlung von der warmen Oberfläche zur Umgebung
Der Energieverlust aus dieser Wärmestrahlung vermindert die Effizienz. Die Wärmestrahlung läßt sich berechnen nach dem Stefan-BOLTZMANNschen Gesetz zu
M = εσ((T+ΔT)4 - T4) (1) mit T als der Umgebungstemperatur von angenommen T = 300 K und der Stefan-BOLTZ-
MANN-Konstante σ = 5,67 • 10-β W nr2 K
Unter der Annahme, daß sonst keinerlei Wärmeverlust stattfindet ( M = P = ε * E ), läßt sich die maximale Erwärmung berechnen zu
ΔT = (ε * E/ εσ+ τ )- - T = 15,14 K.
Die Temperaturdifferenz ist recht klein. Wenn man das Radiometer als Maschine betrachtet, die aus dieser Temperaturdifferenz mechanische Energie erzeugt, dann hat diese Ma¬
schine einen thermodynamischen Wirkungsgrad η = ΔT/T = 0,05. In Wirklichkeit ist der Wirkungsgrad noch kleiner, weil bei dieser Temperaturdifferenz bereits die gesamte Energie abgestrahlt wird und nicht zur Erzeugung von mechanischer Energie verwendet werden kann. Noch viel geringer wird die zum Antrieb nutzbare mechanische Energie bei kleiner werdender Beleuchtungsstärke. Denn dann sinkt die zur Verfügung stehende thermische Energie und gleichzeitig der Wirkungsgrad noch weiter. Hier wird verständlich, warum die Radiometer/Lichtmühlen bisher keine sicher funktionierenden Standard- Produkte sind, sondern eher als Meisterwerke physikalischer Experimentierkunst angesehen werden müssen. -5-
Bei den Radiometern/Lichtmühlen bisheriger Bauart ist also von vornherein ein schiechter Wirkungsgrad vorhanden. Dieser Wirkungsgrad muß verbessert werden. Das gelingt durch Abkehr von der bisherigen Lehre, wonach die eine Seite geschwärzt werden muß, um für möglichst hohe Absorption des einfallenden Lichts zu sorgen. Statt dessen wird auf die Absorption des einfallenden Lichts zunächst geringerer Wert gelegt - es wird lediglich angenommen, daß es auf irgendeine Weise gelingt, der Oberfläche eine Leistung von beispielsweise P = 30 W nr2 zuzuführen - und, wie oben pauschal formuliert, eine Oberfläche mit möglichst geringer Absorption geschaffen. Angenommen, die warme Oberfläche erreicht eine Temperatur von 400 K (ca 130 °C), dann hätte die Wärmestrahlung
(eines schwarzen Körpers) wegen dem WIENschen Verschiebungsgesetz λmax * T =
2898 μm K ein Maximum bei λ = 7,2 μm. Es wird deshalb ein Material verwendet, daß zumindest in der Nähe dieser Schwerpunktwellenlänge einen möglichst kleinen Absorptionskoeffizienten aufweist. Dafür kommt eine ganze Reihe von Materialien in Frage. Zunächst Metalle: vor allem Silber, Gold, Kupfer und Aluminium zeigen ausgesprochen kleine Absorptionskoeffizienten im Infraroten - aber auch andere Metalle weisen, zumindest verglichen mit Ruß, einen sehr kleinen Absorptionskoeffizienten auf. Auch geeignet sind infrarot-durchlässige Materialien wie Silizium, Diamant oder einfach Kochsalz. Es gibt auch noch die Möglichkeit, mittels Interferenzschichten hohe Reflexion R einer Oberfläche zu erzeugen (z. B. Laserspiegel) - die Absorption kann dann nicht größer sein als 1-R.
Sehr leicht herzustellen ist beispielsweise eine Goldschicht. Es wird ein Absorptionskoeffizient von 0,03 angenommen (angegeben werden zum Teil noch kleinere Werte). Bei der angenommenen Wärmezuführung von P = 30 W nr2 ergibt sich für die Goldoberfläche eine maximale Erwärmung um DT = ( 30 W irr2/ εσ+ T4)-4 - T = 100,5 K. Der maximale thermodynamische Wirkungsgrad steigt auf 0,34 und interessanterweise ist durch die Goldbeschichtung die maximal verfügbare mechanische Energie gestiegen, obwohl die zugeführte Energie verglichen mit der Rußoberfläche nur als Drittel angenommen wurde.
Natürlich steigt bei sonst gleichen Bedingungen die Effizienz des Radiometers mit der zugeführten Energie. Nachdem also dafür gesorgt wurde, daß zumindest im Infraroten eine sehr kleine Absorption stattfindet, kann man nach geeigneten Maßnahmen suchen, um das einfallende Licht möglichst effektiv zu nutzen. Oben wurde die Beschäftigung mit der Absorption des einfallenden Lichts zunächst zurückgestellt - es wurde angenommen, daß es auf irgendeine Weise gelingt, der Oberfläche eine Leistung zuzuführen. Das ist tatsächlich oftmals recht leicht möglich. Im Falle der Goldbeschichtung ist die -6-
Aufgabe automatisch erledigt, denn das Gold absorbiert im Sichtbaren von allein. Die oben angenommene Leistung von P = 30 W nr2 entspricht etwa dieser Absorption wenn das Licht eine spektrale Verteilung ähnlich der des Sonnenlichts hat. Kupfer verhält sich ähnlich. Aber auch andere Metalle wie z. B. Titan, Wolfram zeigen von sich aus ein Verhalten, das für die Funktion des Radiometers geeignet ist. Trotzdem soll die oben zunächst pauschal formulierte Lehre hier konkretisiert werden.
Anders als bei der bisher gelehrten Schwärzung ist bei der vorliegenden Erfin¬
dung die spektrale Änderung des Absorptionskoeffizienten wesentlich: ε = ε (λ) . Die warme Oberfläche kann deshalb photometrisch auch nicht mehr als schwarzer oder grauer Körper behandelt werden, für den nach dem Stefan-BOLTZMANNschen Gesetz die Absorption berechenbar ist. Für das effektive Absorptionsvermögen muß das spektrale Absorptionsvermögen mit der spektralen Strahldichte bei der Betriebstemperatur gewichtet werden. Ein schwarzer Körper absorbiert (und emittiert) nach der PLANCKschen Strahlungsformel die spektrale Strahldichte
Ls (λ,T) = 2 ci λ-5 (e °2 /λT -1 ) -1 (2) mit c^hc2 = 5,95 10"17 W m2 und c2 = hc/k = 1 ,438 102 m K
Das effektive Absorptionsvermögen bei der Betriebstemperatur TBwird nach
ε (TB ) - J ,s(λ,TB) ε (λ) d λ / JL s(λ,Tß) d λ (3)
bestimmt. In (3) ist die Integration im Nenner - die über alle Wellenlängen und über den gesamten Halbraum das STEFAN-BOLTZMANNsche Gesetz ergibt - bewußt nicht ausgeführt. Denn aus (3) läßt sich auch eine Meßvorschrift entwickeln. Um aufwendige Absolutmessungen zu vermeiden, kann man bei einem unverändertem Meßaufbau die Absorption der warmen Oberfläche im Vergleich zur Absorption eines schwarzen Körpers gleicher Temperatur bestimmen. Es ist unmöglich, bei allen Wellenlängen zu messen. Man wird hauptsächlich dort messen wo die spektrale Strahldichte große Werte erreicht. Insofern müssen die Integrale in (3) sinnvoll genähert werden.
Ähnlich läßt sich das effektive Absorptionsvermögen für die Lichteinstrahlung ε bestimmen:
εL = J LL(λ) ε (λ) d λ / J LL(λ) d λ (4)
Nur ist hier die spektrale Strahldichte LL keine physikalisch vorgegebene Funktion.sondern -7-
hängt vom Anwendungsfall ab. Soll das Radiometer bei Sonnenlicht arbeiten, dann kann man für L die spektrale Strahldichte eines schwarzen Körpers mit der Temperatur 6000 K verwenden. Entsprechend wird man die spektrale Strahldichte eines schwarzen Körpers mit der Temperatur des Leuchtfadens der Glühlampe verwenden, wenn das Radiometer auf Lampenbetrieb optimiert werden soll. Gasentladungslampen lassen sich in der Regel nicht mit einer PLANCK-ähnlichen Verteilung beschreiben. Hier sollte die tatsächliche Strahldichte verwendet werden. Es gibt sehr gute Kompromisse, denn auch bei einem Radiometer, welches sowohl Sonnenlicht als auch Glühlampenlicht absorbiert, dürfte - moderate Betriebstemperatur vorausgesetzt - das Absorptionsvermögen nach (3) nicht wesentlich ansteigen.
Die konkretisierte Lehre lautet nun derart, daß das effektive Absorptionsvermögen ε (TB ) der wärmeren Oberfläche für Infrarotstrahlung mit der spektralen Strahldichte eines schwarzen Körpers, der sich auf der Betriebstempey ratur der wärmeren Oberfläche befindet, so klein und gleichzeitig das effektive Absorpti¬
onsvermögen für die Lichteinstrahlung ε L so groß ist, daß der Quotient ε L / ε (TB ) aus dem effektiven Absorptionsvermögen für die Lichteinstrahlung und dem effektiven Absorptionsvermögen für die Infrarotstrahlung bei Betriebstemperatur größer als 2 ist.
Der Quotient kann recht groß gestaltet werden, aber bereits bei einem Wert des Quotienten von 2 ist eine deutlich höhere Effizienz des Radiometers erreichbar als in dem Falle der herkömmlichen Lehre, nach der geschwärzt (berußt) werden soll, dann nämlich liegt der Quotient in der Nähe von 1. Es gibt nun viele Möglichkeiten, um erfindungsgemäß zu erreichen, daß der Quotient ε L / ε (TB ) aus dem effektiven Absorptionsvermögen für die Lichteinstrahlung und dem effektiven Absorptionsvermögen für die Infrarotstrahlung bei Betriebstemperatur größer als 2 ist. Hier sollen nur einige genannt werden:
•Metalloberflächen (z.B. Aluminiumfolie), die mit einem Farbstoff beschichtet sind, der nur im Sichtbaren absorbiert.
•Metalloberflächen, die mit Interferenzschichten versehen sind, z.B. Siliziumschicht auf Silber oder dünne Anlaufschichten auf Metalloberflächen.
•Mit durchsichtigen und elektrisch leitfähigen Schichten (Indium-Zinn-Oxid) überzogene schwarze Flächen. •Mit Farbzentren dotierte Infrarot-durchlässig Materialien (z. B. bestrahltes Kochsalz). -8-
•Mit kurzer Korrelationslänge (vergleichbar mit der Lichtwellenlänge) aufgerauhte Oberflächen.
•Metalloberflächen, die mit sehr dünnen absorbierenden Schichten versehen sind (kleiner als die Wellenlänge der infraroten Wärmestrahlung), so daß die Absorption im Infraroten kein wird, z.B. hauchdünne und glatte Rußschichten auf Aluminium •Geeignete Materialien ohne weitere Maßnahmen, z.B. eine sehr dünne Siliziumfolie
zu 4. Wärmestrahlung von der kalten Oberfläche zur Umgebung
Diese Wärmestrahlung führt zur Temperaturerniedrigung der kalten Oberfläche (falls diese von irgendwoher einen Wärmezufluß erhalten hat) und steigert die Effizienz der Lichtmühle, weil sie den Temperaturunterschied zwischen warmer und kalter Oberfläche vergrößert.
Man kann hier mit dem gleichen Rüstzeug wie unter Punkt 3 geschildert optimieren. Nur lautet hier verständlicherweise die Forderung so, daß der Quotient ε L / ε (TB ) aus dem effektiven Absorptionsvermögen für die Lichteinstrahlung und dem effektiven Absorptionsvermögen für die Infrarotstrahlung bei Betriebstemperatur möglichst klein wird (Betriebstemperatur ist hier die Temperatur der kalten Oberfläche). Die Forderung ist aber bei der herkömmlichen Konstruktionen wahrscheinlich bereits erfüllt. Es ist anzunehmen, daß alle Glimmer aufgrund ihrer silikatischen Zusammensetzung im Infrarot stark absorbieren - während sie im Sichtbaren mehr oder weniger durchlässig sind und aufgrund der Blättchenstruktur manchmal recht stark reflektieren.
Trotzdem ergeben sich auch auf der kalten Oberfläche neue Möglichkeiten, wenn die warme Oberfläche erfindungsgemäß gestaltet wird. LICHTENHELDT /3/ schlug vor, die nicht geschwärzte Seite zu bedrucken. Die Farben absorbieren im Sichtbaren und führen zu einer Temperaturerhöhung der kalten Seite. Je nach Druckmotiv ist deshalb mit einer gewissen Beeinträchtigung der Effizienz zu rechnen. Im Extremfall - vollständig schwarz bedruckt - kann eine herkömmliche Lichtmühle nicht mehr funktionieren. Eine erfindungsgemäß gestaltete Lichtmühle aber sehr wohl. So daß hier die interessante Möglichkeit besteht, eine Lichtmühle zu schaffen, bei der eine geschwärzte Seite als kältere Seite wirkt und sich die Lichtmühle entgegengesetzt zu einer herkömmlichen Lichtmühle dreht. Für das Produkt noch wichtiger ist aber die sich jetzt eröffnende Freiheit, nahezu beliebig bedruckte Flächen in einer Lichtmühle anzuordnen - man muß nur darauf achten, daß die Absorption im Infraroten hoch ist. Bei vielen Materialien ist diese Eigenschaft gegeben: Papier, Glas, viele Kunststoffe. Wenn man ein Materialien verwendet, welche im -9-
Vakuum nicht andauernd Gase abgeben, dann läßt sich z. B. mit einer Photographie als kalter Oberfläche und einer beschichteten Metallfolie als warmer Oberfläche eine effiziente Lichtmühle schaffen (Fig. 1 , Fig. 1a).
Zu 5. Wärmeleitung durch den Raum zwischen warmer und kalter Oberfläche
Die Wärmeleitung zwischen warmer und kalter Oberfläche ist schädlich für die Effizienz des Radiometers.
Zunächst sei auf die manchmal gegebene Bauanleitung eingegangen, nach der ein einseitig berußtes Metallblättchen verwendet werden soll, z. B.: BROCKHAUS 121, A. RECKNAGEL, Lehrbuch der Physik, Bd. Optik, Verlag Technik Berlin, fünfte Auflage, S. 10214/. Der Einsatz eines Metallblättchens ist in Bezug auf die Radiometerfunktion nicht nachzuvollziehen. Eine kurze Schätzung soll dafür als Beweis dienen. Mit der Oben angenommenen Bestrahlungsstärke von E = 100 W irr2 (helles Tageslicht) wird eine Leistung
P = ε * E = 90 W m-2 absorbiert. Als Metallblättchen werde ein Stück kommerziell erhältlicher Aluminiumfolie der Dicke 13 μm verwendet. Dann ergibt sich bei der Wärmeleitfähigkeit des Aluminiums von 2 W cm-1 K_1 eine maximale Temperaturdifferenz zwischen „warmer" und kalter Seite von ΔT = 5,8 10"6 K. Dieser Wert ist so klein, daß man in dieser Richtung keine weiteren Überlegungen starten braucht, ob etwa andere Metalle oder dickere Blättchen Radiometereffekt zeigen könnten.
Da jeder Wärmeübergang zwischen warmer und kalter Oberfläche schädlich ist, müssen warme und kalte Oberfläche thermisch gut gegeneinander isoliert sein. Diese thermische Isolation gewinnt an Bedeutung, wenn die warme Oberfläche erfindungsgemäß gestaltet wird. Dann nämlich ist es überhaupt erst möglich, größere Temperaturdifferenzen zu erzeugen.
Es ist anzunehmen, daß die bisher verwendeten Glimmerblättchen, schon eine recht gute Isolation ermöglichen. Das ist zwar kein Beweis, aber andernfalls wäre der teure und schwierig zu behandelnde Werkstoff Glimmer während der letzten 100 Jahre sicherlich durch besser geeignetes Material ersetzt worden.
Andererseits wird für Glimmer nun erstaunlicherweise gar nicht eine extrem kleine Wärmeleitfähigkeit angegeben, sondern Werte zwischen 210'3 W cnτ1 K"1 und 6 10~3 W cm 1 K Diese Leitfähigkeit ist wesentlich höher als die von beispielsweise Baumwolle mit ca. 6 10"4 W cnτ1 K1. Manchmal werden Glimmerblättchen sogar als „gut wärmeleitend und von hoher Isolierfähigkeit (Elektrotechnik)" beschrieben. -10-
Dieser Widerspruch läßt sich nur erklären, wenn man annimmt, daß nur besondere Glimmerarten - genauer sogar noch besondere Partien des Naturprodukts - verwendet werden, die darüber hinaus noch vorbehandelt sind. Einen Hinweis auf die Vorbehandlung liefert LICHTENHELDT /3/, dort wird ein Schiebebild bei ca. 500 °C eingebrannt. Diese thermische Behandlung dürfte auch Veränderungen in der Struktur des Glimmers hervorrufen. Insofern setzt die herkömmliche Bauanleitung große Erfahrungen und Meisterschaft voraus - während technisch quantifizierte Angaben für reproduzierbare Produktionsbedingungen fehlen.
Es wird deshalb eine zweite Lehre angegeben, um Radiometer mit reproduzierbarer Effizienz herstellen zu können: in dem Raum zwischen der warmen Oberfläche und der kalten Oberfläche werden mehrere Grenzflächen angeordnet.
Diese Lehre erscheint zunächst unsinnig, Denn Grenzflächen werden nur von festen oder flüssigen Materialien gebildet und diese Materialien haben eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Gas im Inneren des Radiometers. Deshalb muß die Lehre im Folgenden erklärt werden. Als charakteristische Länge, die in die Wärmeleitungsgleichung eingeht, ist für die Wärmeleitung von der warmen zur Umgebung (Punkt 1 ) bei Radiometern die Größenordnung einige cm anzunehmen. Für die Wärmeleitung von der warmen zur kalten Oberfläche dagegen nur ca. 1 mm. D.h. bei gleicher Wärmeleitfähigkeit würden mehr als 90 % der Wärme direkt zur kalten Oberfläche geleitet und weniger als 10 % für den Antrieb nach Punkt 1 zur Verfügung stehen. Nun wird das Radiometer unter geringem Gasdruck betrieben - zumindestens auch deshalb weil die sich bewegenden Flächen das Gas vor sich herschieben müssen und verdünntes Gas natürlich wesentlich leichter ist. In- terssanterweise kann man die Druckverringerung auch nutzen, um das Verhältnis der Wärmeleitfähigkeiten zu verändern. Die Wärmeleitfähigkeit von Gasen ist thermodyna- misch unabhängig vom Druck. Bei kleinen Drücken gilt die thermodynamische Beschreibung aber nicht mehr, die Wärmeleitfähigkeit sinkt dann mit fallendem Druck. Als Grenze zwischen beiden Aussagen gilt der Bereich, wo die mittlere freie Weglänge in die Größenordnung charakteristischer Längen kommt. Die mittlere freie Weglänge steigt mit fallendem Druck. Deshalb geschieht folgendes: mit fallendem Druck wird zuerst die Wärmeleitfähigkeit sinken, für die eine kleinere charakteristischen Länge gilt - im Raum zwischen warmer und kalter Oberfläche. Während die Wärmeleitfähigkeit zur Umgebung unverändert bleibt oder zumindest langsamer sinkt, weil deren charakteristische Länge noch groß gegen die mittlere freie Weglänge ist. Dieser Effekt verbessert die Effizienz des Radiometers, der Effekt ist umso größer je größer der Unterschied in den charakteristischen Längen ist. -11-
Durch die oben genannte zweite Lehre, nach der in dem Raum zwischen der warmen Oberfläche und der kalten Oberfläche mehrere Grenzflächen angeordnet sind, wird die charakteristische Länge dort verkleinert und somit auch die Wärmeleitfähigkeit. Das dazu eingebrachte Material sollte keine gut leitenden Wärmebrücken bilden. Das ist technisch leicht und reproduzierbar machbar. Zwei geeignete Anordnungen sind als Beispiel in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt.
Es sei noch darauf hingewiesen, daß die Lehre hier unterschiedlich ist zur Wärmedämmung bei normalem Druck. Bei der Wärmedämmung wird effektiv durch das Einbringen von Material die Wärmeleitfähigkeit erhöht, dafür aber die Wärmeübertragung durch Konvektion verhindert.
Zu 6. Wärmestrahlung durch den Raum zwischen warmer und kalter Oberfläche
Die Wärmestrahlung zwischen warmer und kalter Oberfläche ist schädlich für die Effizienz des Radiometers.
Die kalte Oberfläche sollte nach Punkt 4 hohes effektives Absorptionsvermögen für die Infrarotstrahlung bei Betriebstemperatur ε (TB ) aufweisen. Die kalte Oberfläche absorbiert dann begierig die Wärmestrahlung, die von der warmen Oberfläche ausgeht. Abhilfe wird durch eine dritte Lehre geschaffen, derart, daß in dem Raum zwischen kälterer und wärmerer Oberfläche ein oder mehrere Strahlungsschirme angeordnet sind, die jeweils über ein hohes effektives Reflexionsvermögen für die Infrarotstrahlung der wärmeren Oberfläche verfügen.
Im einfachsten Fall wird die der warmen Seite zugewandte Oberfläche der kalten Seite als Metalloberfläche ausgebildet - die der Umgebung zugewandte Oberfläche muß aber ihr hohes effektives Absorptionsvermögen für die Infrarotstrahlung behalten. Beispielsweise ausführen läßt sich diese Anordnung leicht durch Metallbedampfung der Rückseite der Photographie aus Bild 1 , 1a oder durch Aufkleben einer Aluminiumfolie auf diese Rückseite.
Die der Umgebung zugewandte Oberfläche bleibt unverändert. Auch ist es möglich, weitere Metallfolien im Raum zwischen warmer und kalter Seite anzuordnen. Wenn die Flächensenkrechte auf den Folien parallel zum Temperaturgefälle zeigt, dann bleibt bei ausreichend dünnen Folien die Wärmeleitung praktisch unverändert. Die Wärmestrahlung wird aber gehindert. -12-
Unter Umständen ist es zweckmäßig, die hier gelehrten Wärmeschilder mit den unter Punkt 5 gelehrten Grenzflächen zu verbinden. Beispielsweise dadurch, daß das Material, welches die Grenzflächen bildet, mit einer dünnen Metallschicht bedampft wird. Metalle können verwendet werden, weil sie ein hohes Reflexionsvermögen aufweisen. Der Einsatz von Metallen ist aber, wie die dritte Lehre zeigt, nicht unbedingt erforderlich, sondern es ist nur erforderlich, daß ein hohes effektives Reflexionsvermögen für die Infrarotstrahlung der wärmeren Oberfläche geschaffen wird. Diese Forderung wird auch erfüllt durch elektrisch leitfähige und im Sichtbaren durchlässige Schichten wie etwa Indium- Zinn-Oxid oder dotiertes Zinnoxid. Wenn man solche Schichten (z. B. aufgebracht auf durchsichtigen Folien) als Strahlungsschirme verwendet, dann kann die warme Seite die Lichteinstrahlung auf beiden Oberflächen aufnehmen und eine weitere Steigerung der Effizienz ist möglich.

Claims

-13-Ansprüche
1. Radiometer oder Lichtmühle mit beweglichen Teilen innerhalb eines Gefäßes mit geringem Gasdruck, wobei die Oberflächen der beweglichen Teile bezogen auf die Bewegungsrichtung unterschiedliche optische Eigenschaften aufweisen und bei Lichteinstrahlung unterschiedliche Temperaturen annehmen, wonach eine Radiometerkraft in Richtung von der wärmeren Oberfläche zur kälteren Oberfläche zeigt, dadurch gekennzeichnet, daß das effektive Absorptionsvermögen ε (TB ) der wärmeren Oberfläche für Infrarotstrahlung mit der spektralen Strahldichte eines schwarzen Körpers, der sich auf der Betriebstemperatur der wärmeren Oberfläche befindet, so klein und gleichzeitig das effektive Absorpti¬
onsvermögen für die Lichteinstrahlung ε so groß ist, daß der Quotient aus dem effektiven Absorptionsvermögen für die Lichteinstrahlung und dem effektiven Absorptionsvermögen für die Infrarotstrahlung bei Betriebstemperatur größer als 2 ist.
2. Radiometer oder Lichtmühle mit beweglichen Teilen innerhalb eines Gefäßes mit geringem Gasdruck, wobei die Oberflächen der beweglichen Teile bezogen auf die Bewegungsrichtung unterschiedliche optische Eigenschaften aufweisen und bei Lichteinstrahlung unterschiedliche Temperaturen annehmen, wonach die Bewegungsrichtung von der wärmeren Oberfläche zur kälteren Oberfläche zeigt, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Raum zwischen kälterer und wärmerer Oberfläche mehrere Grenzflächen angeordnet sind.
3. Radiometer oder Lichtmühle mit beweglichen Teilen innerhalb eines Gefäßes mit geringem Gasdruck, wobei die Oberflächen der beweglichen Teile bezogen auf die Bewegungsrichtung unterschiedliche optische Eigenschaften aufweisen und bei Lichteinstrahlung unterschiedliche Temperaturen annehmen, wonach die Bewegungsrichtung von der wärmeren Oberfläche zur kälteren Oberfläche zeigt, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Raum zwischen kälterer und wärmerer Oberfläche ein oder mehrere Strahlungsschirme angeordnet sind, die jeweils über ein hohes effektives Reflexionsvermögen für die Infrarotstrahlung der wärmeren Oberfläche verfügen.
4. Radiometer oder Lichtmühle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsschirme für die Lichteinstrahlung durchlässig sind.
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