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Impulse für kraftstofffreie Energie- und Verkehrstechnologien

Neutrinotechnologie Titelbild

Eine "zufällige" Entdeckung ist der Impuls für die Entwicklung neuer kraftstofffreier Technologien

Nur einige Wissenschaftler denken darüber nach, dass der Raum um uns herum mit unendlicher Energie gefüllt ist. Sehr wenige davon arbeiteten ernsthaft an Möglichkeiten, solche Energieformen zu nutzbar zu machen. Warum ist das so?

Ein Grund könnte sein, dass ein isoliert arbeitender Wissenschaftler allein es nicht wirklich schaffen kann. Ein anderer Grund kann sein, dass Energien aus uns umgebenden oberflächlich global verteilten Strahlungsfeldern kein exklusiv erforschbares und nur schwer monetarisierbares Areal sind. Das ist ein großer Unterschied zu Energieformen durch Verbrennung aus fossilen Brennstoffen oder aus Kernkraftwerken. Es erscheint also logisch, dass Wissenschaftler zunächst eher an Energietechnologien im Zusammenhang mit räumlich begrenzten Energieformen gearbeitet haben bzw. weiterhin arbeiten. Überdies scheint eine derartige Wahl der Forschung auch lohnender in Bezug auf Dissertationen, Karrierewachstum und mögliche wirtschaftliche Vorteile in Form von Dividenden aus der Umsetzung ihrer Entwicklungen.

Die Entdeckung

Wissenschaftliche Entdeckungen, die zur Entwicklung einer grundlegend neuen Technologie zur Energieerzeugung führen, sind ziemlich selten. Ihr Weg von der Entdeckung bis zur Massenimplementierung ist teuer und dauert gut und gern mehr als ein Jahrzehnt. So ist die eigentliche Idee, Energie unter dem Einfluss umgebender Strahlungsfelder zu gewinnen, für die meisten Wissenschaftler und Experten der Energiewirtschaft unrentabel und oft wirtschaftlich inakzeptabel. Glücklicherweise ist die Neutrinovoltaik während des Prozesses zur Erforschung von Materialien zur Optimierung und Effizienzsteigerung von Solarmodulen „zufällig aufgetaucht“.

 

Die Technologie wurde von einem internationalen Team von Wissenschaftlern der Neutrino Energy Group unter der Leitung des Mathematikers Holger Thorsten Schubart weiterentwickelt. Dort hat man die Auswirkungen des Aufbringens von Dünnfilmbeschichtungen aus verschiedenen Nanomaterialien auf die Effizienz von Solarmodulen untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass einige Beschichtungen zu einer Verringerung ihrer Effizienz führte. Die Ursache lag in einer erhöhten Schwingungen der Atome der untersuchten Materialien. Die Erklärung wurde schließlich in den Ergebnissen von Arbeiten gefunden, die in den Labors von Professor Wood an der ETH Zürich und in der Swiss Spallation Neutron Source am Paul Scherrer Institut durchgeführt wurden. Diese wurden auch in der Zeitschrift Nature veröffentlicht. Diese Veröffentlichung zeigt, dass bei der Herstellung von Materialien von weniger als 10–20 Nanometern Schichtdicke – also 5000fach dünner als ein menschliches Haar – große Schwingungen der äußeren Atomschichten auf der Oberfläche der Nanopartikel auftreten. Diese spielen eine wichtige Rolle bei der Herstellung dieses Material. „Für einige Anwendungen wie Katalyse, Thermoelektrik oder Supraleitung können diese großen Schwankungen positiv sein, aber für andere Anwendungen wie LEDs oder Solarzellen sind diese Schwankungen unerwünscht“, sagt ETH-Professorin Vanessa Wood.

Für einige Anwendungen wie Katalyse, Thermoelektrik oder Supraleitung können diese großen Schwankungen positiv sein, aber für andere Anwendungen wie LEDs oder Solarzellen sind diese Schwankungen unerwünscht
Vanessa Wood, Eth Zürich
Prof. Vanessa Wood
ETH Zürich

Technischer Hintergrund

Die auffälligsten Schwankungen in den Experimenten der Neutrino Energy Group zeigten Graphenatome. Es wurde ein atypisches Verhalten von Graphen im Gegensatz zu anderen untersuchten Materialien festgestellt. Mit einem hochauflösenden Mikroskop war das Auftreten einer „Graphen“-Welle deutlich sichtbar. Das hat schließlich das Interesse der Wissenschaftler an der praktischen Nutzung dieses Verhaltens von Graphen geweckt. Es dauerte mehrere Jahre und zahlreiche Experimente, bis es den Wissenschaftlern gelang, ein mehrschichtiges Nanomaterial aus abwechselnden Schichten von Graphen und dotiertem Silizium herzustellen. Dieses Material wird Schicht für Schicht auf einer Seite einer Metallfolie abgeschieden und erzeugt einen elektrischen Gleichstrom. Eine solche 200 x 300 mm große Platte ergibt bei Raumtemperatur eine Spannung von 1,5 V und einen Strom von 2 A. Diese Erkenntnis markiert den Start der industriellen Umsetzung der Neutrinovoltaik-Technologie und der darauf basierenden Entwicklung von brennstofflosen Generatoren verschiedener Kapazitäten und Zwecke.

Graphenschwingung Neutrinovoltaik
„Graphen“-Wellen

Experimente haben gezeigt, dass die Leistung der Stromerzeugung von der Amplitude und der Frequenz der Schwingungen von „Graphen“-Wellen abhängt, also über die Amplitude und Frequenz der Schwingungen von Graphenatomen. Es erforderte eine physikalische Erklärung des Prozesses dieser Energieumwandlung aus umgebenden Strahlungsfeldern in elektrischen Strom und die Identifizierung von Faktoren, welche die Schwingungen von Graphenatomen beeinflussen.

Experimente, die unter verschiedenen Bedingungen – zum Beispiel unterschiedlichen Temperaturen – durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass hauptsächlich die thermische (Brownsche) Bewegung von Graphenatomen die Amplitude und Frequenz der Schwingungen von Graphenatomen beeinflussen. Außerdem hat das Graphen-(Kohlenstoff-)Atom im PSE (Periodensystem der Elemente) die Ordnungszahl 6 und ein Atomgewicht von 12,011. D.h. Kohlenstoff gehört zu den einfachsten Elementen. Da das Gewicht eines Atoms sich überwiegend in seinem Kern konzentriert, kann die kinetische Energie von neutralen massehaltigen Neutrinoteilchen, nur dann auf die Kerne von Graphenatomen übertragen werden, wenn sie mit ihnen kollidieren.

Einige niederenergetische Neutrinos können in diesem Fall vollständig an Geschwindigkeit verlieren oder die Richtung ändern. Dieser Vorgang ähnelt der Kollision einer großen (dem Kern eines Graphenatoms) und einer kleinen (Neutrino-) Kugel in unterschiedlichen Winkeln, was zu einer kaum merklichen Abweichung des Kerns eines Graphenatoms führt. Umso größer die Energie des Neutrinoteilchens ist, desto stärker ist die Abweichung des Kerns. Dieser Mechanismus von Wechselwirkungen wird ausführlich in den Ergebnissen der Arbeit des COHERENT-Mitarbeiters am Oak Ridge National Laboratory (USA) beschrieben. Trotz der geringen Größe des Kerns eines Graphenatoms im Vergleich zur Größe des Atoms selbst ist diese Wechselwirkung sehr wichtig, um Amplitude und Frequenz der Schwingungen der „Graphen“-Welle zu erhöhen.

Energiequellen

Um die Bedeutung des Einflusses von Neutrinos auf die Stromerzeugung zu betonen, erhielt die Technologie den Namen „Neutrinovoltaik“. Die Schwingungen von Graphenatomen werden jedoch auch durch andere Energiefelder beeinflusst. Dazu zählen unter anderem auch Elektrosmog, verschiedene Kommunikationsfrequenzen, Wi-Fi, andere elektromagnetische Felder und der Antineutrino-Fluss in der Nähe von Kernkraftwerken. Die Wissenschaftler kamen zu dem Schluss, dass sich die Schwingungen von Graphenatomen in einer Art Resonanz befinden welche die Wirkung der Stromerzeugung erheblich verstärkt.

Graphen hat eine extrem hohe elektrische Stromdichte und Aufzeichnungsträgermobilität. In Graphen ist jedes Atom linear (2D, Fläche) an 3 andere Kohlenstoffatome  gebunden, wobei ein Elektron in der 3. Dimension für die Elektronenleitung frei verfügbar bleibt. Die Schwingungen der “Graphen” -Welle verursachen das Auftreten einer elektromotorischen Kraft in jeder Graphenschicht, die zwischen 12 und 20 liegen kann. Um den Strom geladener Teilchen in eine Richtung zu lenken, werden Dünnfilme aus Legierungselementen verwendet. So entsteht ein p-n-Übergang, welcher den Strom nur in eine Richtung durchlässt.

Neutrinovoltaik - Cmet Pune
v.l.n.r.: Rajendrakumar Sharma, CEO, SPEL Technologies • Holger Thorsten Schubart, Präsident der Neutrino® Energy Group • Bharat Bhanudas Kale, CEO Electronic Technology Materials Center • Thorsten Ludwig - CTO Neutrino® Energy Group

Ausblick

Das weltweit erste Werk wird Anfang 2024 in der Schweiz die Serienproduktion brennstofffreier Generatoren – sogenannte „Neutrino® Power Cubes“ mit einer Nettoleistung von 5-6 kW aufnehmen. Derzeit läuft die technische Zertifizierung, um die Produkte auf den EU-Markt bringen zu können. Ebenfalls in diesem Jahr beginnt der Bau einer Anlage zur Produktion von Neutrino® Power Cubes in Korea. Dieses Werk soll Ende 2024 die Produktion aufnehmen und bis 2029 einen jährlichen Ausstoß von 30 GW erreichen. In ca. 3 Jahren ist die Einführung eines selbstladenden „Pi-Elektroautos“ geplant, dessen Karosserie über Energiesammelpunkte und ein Kondensatorsystem verfügen wird. Ein solches Elektrofahrzeug wird von der Neutrino® Energy Group gemeinsam mit dem indischen Unternehmen Materials Center for Electronic Technology (C-MET) in Pune, einem führenden Regierungslabor des Ministeriums für Elektronik und Informationstechnologie (MeitY), unter der Leitung des CEO Dr. London entwickelt. Er ist einer der weltweit bekanntesten Wissenschaftler im Bereich Energie & Materialien. Ebenfalls beteiligt ist die SPEL Technologies Pvt. GmbH. Dieses Unternehmen ist der erste und derzeit einzige Hersteller von Superkondensatoren und deren fortschrittlichen Versionen in Indien. Dr. Rajendrakumar Sharma, CEO von SPEL Technologies, wird als „Vater der Superkondensatoren“ bezeichnet.

Fazit

So wurde ein zufälliges Ergebnis einer Forschung aus parallelen wissenschaftlichen Bereichen zur Grundlage einer disruptiven neuen Technologie, der Energieerzeugung durch Neutrinovoltaik. Diese ist in der Lage, die Grundlagen des traditionellen Energiesystems auf der Welt und die Lebensweise der Menschheit auf dem Planeten als solche positiv zu verändern.

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