Stirling-Engines: Die Magie der Einfachheit
Wenn man die Stirling-Motoren im Internet recherchiert, so stößt man sofort auf zahlreiche Spielzeuge und Hobby-Kits. Diese Geräte scheinen wie durch Zauberei zu funktionieren. Ein Stirling-Motor ist bemerkenswert einfach gestaltet - er besteht normalerweise aus einem Kolben und einem Schwungrad. Er benötigt keinen Brennstoff. Der Betrieb kann gestartet werden, indem man ihn mit einer Tasse heißem Wasser erwärmt oder paradox hierzu - mit einem Eisblock kühlt und das Rad ein wenig anschiebt. Solange eine milde Wärme- oder Kältequelle vorhanden ist, läuft der Motor.
Wie so oft in der Geschichte der Technik, so wurde auch der Stirling-Motor zu einer Zeit erfunden, als andere Technologien - wie die Dampfkraft - gefährlich waren. Der schottische Pfarrer und Ingenieur Robert Stirling erfand ihn 1816 als sichere Alternative. Anders als Dampfkraftwerke beruht die Funktionsweise des Stirling-Motors auf einem geschlossenen System. Ein Arbeitsmedium, meist Luft, wird durch Temperaturunterschiede angetrieben. Ein heißer und ein kalter Bereich lassen das Arbeitsgas zwischen diesen Zonen zirkulieren, wodurch der Kolben in Bewegung versetzt wird.
Temperaturunterschiede als Energiequelle nutzen
Der geniale Aspekt ist der Temperaturunterschied. Die meisten thermischen Motoren, wie Dampfmotoren oder Verbrennungsmotoren, benötigen eine große Temperaturdifferenz zwischen dem heißen Motor und der kühleren Umwelt. Man kann sich das vorstellen, als wäre es Wasser, das einen hohen Wasserfall hinunterstürzt - je höher der Fall, desto energischer das Aufprallen. Um power zu erzeugen, ist ein gewaltiger Unterschied nötig. Man sollte nicht unter den Niagarafällen duschen, es sei denn, man möchte schwer verletzt werden.
Im Gegensatz dazu benötigt der Stirling-Motor einen wesentlich geringeren Temperaturgradienten. Ein heißer Becher Tee reicht aus, um den Motor in Gang zu setzen. Dies geschieht, weil der Stirling-Motor auch bei geringen Temperaturunterschieden sehr effizient arbeitet. Der Motor ist leise, benötigt wenige Bauteile und ist autark. Obwohl diese Technologie in der Vergangenheit nicht mit Dampfmotoren konkurrieren konnte, findet sie heute Anwendung bei Kryokühlsystemen, Zusatzantriebssystemen für U-Boote, Wärmerückgewinnung und radioisotopischen Stromsystemen in Raumfahrzeugen.
Die nächste Generation: Stirling-Motoren im Freien
Nun geht das Team von UC Davis einen Schritt weiter. Sie verwenden den Stirling-Motor, um Energie zu generieren, indem sie ihn nach Einbruch der Dunkelheit nach draußen stellen.
Bei einem Nachtspaziergang in einem trockenen Gebiet, etwa in einer Hochwüste, merkt man oft, wie man einen Pullover hätte mitnehmen sollen. Der Boden bleibt warm, während die Luft kalt wird. Der Grund ist einfach: Fehlt Wasser in der Luft, entweicht Wärme schnell. Die Temperatur des Weltraums beträgt etwa -270 °C (-454 °F), und das macht die Nächte sehr frostig.
Ein cleverer Wärmeaustausch
Das Ingenieurteam stattete den Motor mit einem besonderen Material aus, um zwischen dem warmen Boden und der kalten Luft zu isolieren. Mit einer nicht-offenbarten Farbe machten sie das Material fähig, Wärme ins All abzustrahlen. So entsteht ein heißer Reservoir unterhalb und ein kalter Reservoir oberhalb, mit einer Temperaturschwankung von mehr als 10 °C (18 °F) in den meisten Monaten.
Das Ergebnis: Diese Anordnung ermöglicht es, dass der Motor 400 Milliwatt Leistung pro Quadratmeter erzeugt. Dies ist genug, um einen kleinen Ventilator zu betreiben, der Luft zirkulieren lässt - beispielsweise zur CO2-Zirkulation in einem Gewächshaus.
In der Tat können die Forscher den Betrieb von Luftventilatoren als eine mögliche Anwendung empfehlen. Doch auch andere ähnliche, energiearme Aufgaben könnten mit diesem vorläufig patentierten System bewältigt werden – ideal für Bereiche ohne externe Stromversorgung und mit minimaler Überwachung erforderlich.
Die Erkenntnisse sind veröffentlicht worden in Science Advances.
Als Quelle dient University of California, Davis.