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Aug 15, 2023

Ein Jahrhundert verwirklichen

Die europäische Forschung erweitert die Optionen für saubere Energie und unterstützt damit das Ziel der EU

Die europäische Forschung erweitert die Optionen für saubere Energie und unterstützt damit das Ziel der EU, bis 2050 klimaneutral zu werden.

VonMICHAEL ALLEN

Während die Europäische Union bis Mitte des Jahrhunderts Klimaneutralität anstrebt, hilft ein Mutter-Sohn-Team dabei, eine potenzielle Hürde zu überwinden: die begrenzte Anzahl erneuerbarer Energiequellen, die die Abkehr der EU von fossilen Brennstoffen vorantreibt.

Andriy Lyubchyk ist Partner im CATCHER-Projekt, dessen Ziel es ist, einen sauberen Energiemix durch die Perfektionierung der Umwandlung von Luftfeuchtigkeit in Elektrizität zu erweitern.

Alter Traum

Bei dieser Technik werden die winzigen Ladungen statischer Elektrizität gewonnen, die in gasförmigen Wassermolekülen enthalten sind, die in der Atmosphäre allgegenwärtig sind. Der Prozess wird als Hygroelektrizität oder Feuchtigkeitselektrizität bezeichnet.

„Wir glauben, dass wir mit dieser neuen erneuerbaren Energiequelle die Effizienz und die Möglichkeiten des Übergangs zu grüner Energie drastisch steigern werden“, sagte Lyubchyk, CEO des portugiesischen Start-ups Cascatachuva Lda. Er ist außerdem Chemieingenieur an der Lusophone University of Humanities and Technologies in Lissabon, Portugal.

Anfang des 20. Jahrhunderts träumte der serbisch-amerikanische Erfinder Nikola Tesla davon, Energie aus der Luft zu nutzen. Er führte eine Reihe von Experimenten durch, bei denen er versuchte, elektrische Ladungen aus der Atmosphäre einzufangen und sie in elektrischen Strom umzuwandeln.

Seit Teslas Zeiten haben Wissenschaftler mehr darüber gelernt, wie Elektrizität in der Atmosphäre entsteht und freigesetzt wird, und haben entdeckt, dass Wasserdampf eine elektrische Ladung tragen kann.

Das Know-how könnte ein Aufschwung für die EU sein, die etwa 22 % ihrer Energie aus erneuerbaren Energien bezieht. Es ist auf dem besten Weg, das Ziel für das Ende des Jahrzehnts für solche Energiequellen, zu denen auch Wasserkraft gehört, auf bis zu 45 % zu verschärfen. Doch damit Europa bis 2050 klimaneutral wird, müssen erneuerbare Energien eine noch größere Rolle spielen und Hygroelektrizität würde der EU mehr Möglichkeiten geben, auf Öl, Erdgas und Kohle zu verzichten.

Neue Technologie

CATCHER wird vom Pathfinder-Programm des Europäischen Innovationsrats finanziert und bringt acht Partner aus sechs Ländern in Europa zusammen, um die Möglichkeit zu erkunden.

Während die allgemeine Idee dieselbe sein mag, unterscheidet sich die von CATCHER verwendete Technologie stark von der von Tesla. Das Projekt nutzt plattenförmige Zellen aus Zirkoniumoxid – einem harten kristallinen Material – um Energie aus der Luftfeuchtigkeit zu gewinnen.

Zirkoniumoxid ist ein keramisches Material, das häufig für Zahnimplantate, moderne glasartige Materialien, Elektronik und Ummantelungen für Kernbrennstäbe verwendet wird.

Als Forscher vor sieben Jahren die Eigenschaften von Nanomaterialien aus Zirkoniumoxid untersuchten, sahen sie erstmals Hinweise auf Hygroelektrizität, so Svitlana Lyubchik, die CATCHER koordiniert und die Mutter von Andriy Lyubchyk ist.

Wie er ist sie Chemieingenieurin an der Lusophone University. Sie haben verschiedene Initiativen ergriffen, um dieses Potenzial auszuschöpfen.

Mittlerweile sind die Forscher an einem Punkt angelangt, an dem eine 8 mal 5 Zentimeter große Platte ihres Materials in einem Labor bei einer Luftfeuchtigkeit von etwa 50 Prozent etwa 0,9 Volt erzeugen kann. Dies ist vergleichbar mit der Leistung einer halben AA-Batterie.

Das Team arbeitet daran, sein Hygroelektrizitätsmaterial effizienter zu machen, und geht davon aus, dass die Zellen nach ihrer Perfektionierung in der Lage sein werden, die gleiche Strommenge wie ähnlich große Photovoltaikzellen zu gewinnen.

Die Forscher gehen außerdem davon aus, dass die Zellen ähnlich wie Solarmodule eingesetzt werden – entweder als große Stromparks oder als Energiequelle für einzelne Gebäude.

Steady States

Die Zellen entstehen durch die Herstellung sehr kleiner, gleichmäßiger Nanopartikel aus Zirkoniumoxid und deren anschließendes Komprimieren zu einer Materialschicht mit einer ähnlichen Struktur, einschließlich einer Reihe von Kanälen oder Kapillaren.

Laut Andriy Lyubchyk erzeugt die Nanostruktur elektrische Felder innerhalb der Kapillaren, die die Ladung von aus der Atmosphäre absorbierten Wassermolekülen trennen.

Das Ergebnis ist eine Kaskade physikalisch-chemischer, physikalischer und elektrophysikalischer Prozesse, die die elektrische Energie erfassen.

In einer Hinsicht wird die neue Technologie einen Vorteil gegenüber Solar- und Windenergie haben. Während Paneele und Turbinen so positioniert werden müssen, dass sie Sonnenlicht und Wind einfangen, ist für Hygroelektrizitätszellen keine besondere Platzierung erforderlich, da die örtliche Luftfeuchtigkeit kaum schwankt.

Allerdings werden Hygroelektrizitätszellen nicht unbedingt überall eine Option sein, da sie für ihren Betrieb ein Mindestmaß an Luftfeuchtigkeit benötigen.

„Wenn es draußen beispielsweise minus 15 Grad hat und alles gefroren ist, ist kein Wasser in der Luft“, sagte Andriy Lyubchyk.

Deckenlösung

Zusammen mit seiner Mutter ist er außerdem Koordinator des EU-finanzierten SSHARE-Projekts, das an einer realen Anwendung durch die Integration von Hygroelektrizitätszellen in ein Heiz- und Kühlsystem arbeitet.

„Wir kombinieren beide Technologien und machen sie autark“, sagte Andriy Lyubchyk.

Das Heiz- und Kühlsystem basiert auf einer modernen Strahlungsplatte, die an der Decke eines Raumes montiert werden kann.

Über dem Paneel verlaufen perforierte Wasserrohre, die es mit heißem oder kaltem Wasser versorgen, je nachdem, ob der Raum beheizt oder gekühlt werden soll. Das Paneel strahlt dann über die Luftfeuchtigkeit Wärme in den Raum ab oder nimmt Wärme aus diesem auf, ähnlich wie die Haut durch Schweiß Wärme abgeben kann.

Das System sollte in der Lage sein, die Pumpen anzutreiben, die das Wasser zirkulieren lassen, und zwar mithilfe von Hygroelektrizität, die durch den Durchgang von Wasserdampf in die Platte und aus dieser heraus erzeugt wird.

Das autarke Heizsystem verdeutlicht, wie Wasserkraft dazu beitragen kann, die Netto-Null-Energiewende voranzutreiben, sagen die Forscher.

„Wir können zur EU-Politik im Hinblick auf Energieunabhängigkeit beitragen“, sagte Svitlana Lyubchik.

Die Forschung in diesem Artikel wurde von der EU finanziert. Dieses Material wurde ursprünglich in Horizon, dem EU-Forschungs- und Innovationsmagazin, veröffentlicht.

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