Temperaturunterschied zwischen Erde und Weltraum treibt Stirlingmotor an

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Einem Ingenieursteam der University of California Davis (UC Davis) ist es gelungen, über Strahlungskopplung den Temperaturunterschied zwischen der warmen Erde und dem kalten Weltraum dazu zu nutzen, um nachts mechanische Energie mit einem Niedertemperatur-Stirlingmotor zu erzeugen. In einem Testaufbau nutzten die Wissenschaftler den Stirling-Antrieb zur Belüftung eines Gewächshauses. Es sind aber auch andere Anwendungen denkbar.

Die Ingenieure der UC Davis nutzen eine über 200 Jahre alte Technik: den von Robert Stirling erfundenen und 1816 patentierten Stirlingmotor. Die Wärmekraftmaschine von Stirling ist recht einfach aufgebaut, ihre Funktionsweise simpel. In einem Zylinder wird ein Gas erhitzt. Der Zylinder wird von einem beweglichen Kolben verschlossen. Das Gas dehnt sich aus und wird in einen zweiten, ebenfalls durch einen beweglichen Kolben verschlossenen Zylinder überführt, gekühlt und komprimiert. Das Gas bewegt sich dabei zwischen den beiden Kammern, wobei die Temperatur und der Druck wechseln. Die beiden Kolben sind über ein Gestänge mit einem Schwungrad verbunden, das dann eine kreisförmige Bewegung ausführt, die als Antrieb genutzt werden kann. Um den Wirkungsgrad zu verbessern, befindet sich häufig auf dem Weg vom heißen zum kalten Zylinder ein Regenerator. Er gibt zusätzlich die aufgenommene Wärme ab, sobald das Gas vom kalten zum heißen Zylinder strömt.

Temperaturunterschied zwischen Erde und Weltraum zum Antrieb

In der Praxis wird beim Stirlingmotor Hitze künstlich durch Verbrennung von Brennstoff von außen zugeführt, um den Temperaturunterschied zwischen heiß und kalt zu erreichen. Das Ingenieursteam der UC Davis verfolgt dagegen einen anderen Ansatz: Sie nutzen ein System der zwei Temperaturen, das aus der Erde (etwa 27 °C) und dem Weltraum (etwa -270 °C) besteht. Dieses System kann durch Strahlungskopplung Strom erzeugen. Dazu muss das Gerät auf der Erde jedoch die lokale Umgebung erwärmen und eine starke Emissionssignatur zwischen 8 und 13 μm aufweisen. Nur so gelingt es, dass die Strahlung durch das atmosphärische Transparenzfenster hindurch in den Weltraum gelangt. Bei dem Stirlingmotor verwenden die Wissenschaftler dazu eine Art Antenne in Form einer Metallplatte, die mit Infrarot-emittierender Farbe beschichtet ist, um den Effekt zu verstärken.

Jeremy Munday, Profesor für Elektrotechnik und Informationstechnik, verdeutlicht den Vorgang so: "Es muss den Weltraum nicht physisch berühren, es kann einfach strahlungsmäßig mit dem Weltraum interagieren", sagt Munday. "Es ist, als ob man in einer kalten, klaren Nacht draußen steht: Der Kopf wird schnell kalt, da die Wärme abstrahlt."

Nach Angaben der Ingenieure reichen bereits geringe Temperaturunterschiede aus, um den Motor zum Laufen zu bringen: "Diese Motoren sind sehr effizient, wenn nur geringe Temperaturunterschiede bestehen, während andere Motortypen bei größeren Temperaturunterschieden besser funktionieren und mehr Energie erzeugen können", erklärt Munday.

Die Forschungsergebnisse, die in der Studie "Mechanical power generation using Earth’s ambient radiation" festgehalten und in Science Advances veröffentlicht sind, haben ergeben, dass mit dem verwendeten Stirlingmotor mindestens 400 mW mechanische Leistung pro Quadratmeter erzeugt werden kann. Die Wissenschaftler nutzten den Antrieb dafür, einen Gewächshauslüfter anzutreiben. In einem weiteren Versuchsaufbau koppelten sie ihn an einen Elektromotor und erzeugten mit ihm als Generator Strom.

Die UC Davis hat ein vorläufiges Patent auf das Verfahren angemeldet.

(olb)