China gelingt Durchbruch bei ultraleisem Antrieb für U-Boote

Jedes bewegliche Teil in einem Motor ist ein potenzielles Problem. Es macht die Konstruktion komplizierter, benötigt mehr Platz, erhöht die Anfälligkeit für Verschleiß und macht die Konstruktion lauter.

Chinesischen Forschenden will jetzt ein Durchbruch gelungen sein. Sie haben einen Meilenstein für einen Generator erreicht, der mit nur sehr wenigen beweglichen Teilen Hitze in elektrische Energie umwandelt. Das könnte extrem leise Antriebe für U-Boote ermöglichen, aber auch in der Raumfahrt zur Anwendung kommen.

Demnach wurde ein Thermoakustik-Stirlingmotor gebaut, der erstmals die 100-Kilowatt-Marke geknackt hat, berichtet SCMP. Der Motor hat eine 530 Grad Celsius heiße Hitzequelle in 102 Kilowatt (140 PS) elektrische Leistung umgewandelt.

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Hitze erzeugt Schall, Schall bewegt Gas

Bei der Thermoakustik wird thermische Energie, also Hitze, in Schwingungsenergie umgewandelt. Diese hat die Form von Schallwellen. Das funktioniert laut den Forschenden gänzlich ohne bewegliche Teile.

Die durch die Hitze erzeugten Schallwellen bilden ein stabiles Schallfeld. Die Schallwellen darin bewegen einen Kolben, der dadurch Strom erzeugt. Auch dabei wurde darauf geachtet, möglichst wenig bewegliche Teile zu nutzen. Der eigentliche lineare Motor besteht nur aus dem Kolben, Magneten und Spulen.

Der Thermoakustik-Stirlingmotor ist 2 Meter lang und 0,63 Meter hoch. Im Sterlingmotor befindet sich hochverdichtetes Helium. Im Gegensatz zu Verbrennermotoren wird das "Arbeitsmedium" in Stirlingmotoren nicht verbrannt oder verbraucht, sondern bleibt darin eingeschlossen.

Die Konvertierungsrate der Wärmeenergie zu elektrischer Energie liegt derzeit bei 28 Prozent. Würde man die Hitzequelle auf 600 Grad Celsius steigern, könnten 34 Prozent erzielt werden.

Vorteile

Der Thermoakustik-Stirlingmotor kann kompakter und linear gebaut werden, im Gegensatz zu einem herkömmlichen Stirlingmotor. Durch den geringeren Bedarf an Teilen, gibt es weniger Verschleiß und der Motor ist zudem günstiger in der Herstellung. Auch die NASA hat mit dem Projekt LEW-TOPS-80 an so einem Motor geforscht und sogar patentiert, bisher aber keinen funktionsfähigen Prototypen gebaut.

Ein genereller Vorteil eines Stirlingmotors ist, dass er mit jeglicher Hitzequelle arbeiten kann. Neben fossilen Brennstoffen kann er etwa auch mittels gebündelter Sonnenenergie oder durch das Verbrennen von Holzresten und Pellets Strom erzeugen.

Dasselbe gilt für den Thermoakustik-Stirlingmotor. Durch lineare Bauweise kann er mehr elektrische Energie bei weniger Platzbedarf erzeugen. Theoretisch könnte er auch bei Nuklearkraftwerken eingesetzt werden und dort die üblichen Dampfturbinen ablösen. Für diesen Anwendungsfall müssten Thermoakustik-Stirlingmotoren aber noch viel leistungsstärker werden.

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Besonders leise U-Boote

Es gibt bereits lineare Stirlingmotoren, ohne Thermoakustik. Diese setzen auf ein kolbenfreies Design. Sie haben aber meist unter 10-Kilowatt-Leistung, also weit weg von den 102 Kilowatt, die die chinesischen Forschenden mit ihrem Thermoakustik-Stirlingmotor erreichen konnten.

Die hohe Leistung bei geringen Herstellungskosten, geringem Verschleiß und wenig Platzbedarf, macht den Thermoakustik-Stirlingmotor auch für militärische Anwendungen interessant. China forscht an mehreren Antriebskonzepten, um U-Boote möglichst leise zu machen. Da der Thermoakustik-Stirlingmotor nahezu geräusch- und vibrationsfrei (trotz der genutzten Schallwellen) Strom erzeugt, eignet er sich hervorragend, um elektrische Antriebe von U-Booten mit Strom zu versorgen.

Schweden nutzt bei seiner Gotland-Klasse einen regulären Stirlingmotor für die Tauchfahrt. Die nötige Hitze wird durch das Verbrennen von Diesel, zusammen mit reinem Sauerstoff, erzeugt. Die Technologie hat sich also bereits bewährt. Mit einem Thermoakustik-Stirlingmotor könnten auch größere U-Boote mit ausreichend Energie versorgt werden. Die Gotland-Klasse ist mit 60 Metern Länge und 25 Mann Besatzung eher kompakt. Sie ist ein Jagd-U-Boot und hat keine Marschflugkörper an Bord.

Raumschiffe mit Atomantrieb

Zur Energiegewinnung in Raumschiffen könnte ebenfalls ein Thermoakustik-Stirlingmotor eingesetzt werden. Hitze, die beim Zerfall von radioaktivem Material entsteht, könnte in Schallwellen umgewandelt werden und der Motor so die nötige, elektrische Energie erzeugen.

Viele Satelliten nutzen elektrische Antriebe. Die NASA und andere Weltraumorganisationen forschen an stärkeren Elektroantrieben, die in Kombination mit nuklearem Material zukünftig bei bemannten Raumschiffen genutzt werden könnten. So sollen Planeten innerhalb unseres Sonnensystems angeflogen werden können.