Gerät in eurem Garten kann Strom erzeugen, indem es Wärme ins All strahlt

Vor mehr als 200 Jahren wurde der Stirlingmotor erfunden. Die Gerätschaft nutzt einen Temperaturunterschied, um daraus Wärmeenergie zu gewinnen und in Bewegungsenergie umzuwandeln. Ein Forscher der UC Davis in Kalifornien will die Technologie nutzen, um damit in der Nacht die fehlende Sonnenenergie auszugleichen.

Stirlingmotoren sind ein klassisches Experiment im Physikunterricht. Meistens werden sie auf eine Tasse mit warmen Wasser gestellt. Die Wärme reicht aus, damit sich das eingeschlossene Gas im Kolben (meistens ist es Luft) ausdehnt. Durch diese Expansion wird ein Kolben angetrieben, der wiederum ein Schwungrad antreibt. Die Trägheit des Schwungrads verdrängt die Luft in einen Teil des Stirlingmotors, wo sie ihre Energie an die Umgebung abgibt und sich wieder zusammenzieht. Durch den Unterdruck wird der Kolben wieder nach unten gedrückt und der Prozess beginnt von vorn.

Geringe Temperaturunterschiede reichen aus

Je größer die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten des Stirlingmotors ist, desto mehr Energie kann er gewinnen. Stirlingmotoren können aber auch bei relativ geringen Temperaturunterschieden funktionieren. 

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Dieses Prinzip wollen sich die Forscher Tristan Deppe und Jeremy Munday zunutze machen.  Sie nutzen dafür den Temperaturunterschied zwischen Erde (27 Grad Celsius) und dem Weltall (-270 Grad Celsius). „Es muss den Weltraum nicht physisch berühren, sondern kann einfach strahlungsmäßig mit ihm interagieren“, sagt Munday in einer Aussendung.

Ihr Stirlingmotor nimmt die Erdwärme durch eine Aluminiumplatte auf, die etwa 5 Zentimeter tief in den Boden gedrückt wird. Die Platte kann aber auch auf Gebäuden montiert werden. Auf der Oberseite wird die Energie wieder von einer 30x30 Zentimeter großen Platte abgegeben, die mit einer speziellen Farbe bestrichen wurde, die Infrarotstrahlung gut abgeben kann.

Das Ergebnis nach einem Jahr zeigt eine durchschnittliche Temperaturdifferenz von 10 Grad Celsius und eine Energieerzeugung von mehr als 400 Milliwatt (0,5 Watt) pro Quadratmeter Fläche. Die Forscher betrieben mit ihrem Stirlingmotor einen Ventilator und konnten damit 140 Liter Luft pro Minute bewegen. Die Forscher koppelten den Stirlingmotor auch an einen kleinen Generator, um damit Strom zu erzeugen.

Läuft nur nachts

Die direkte Nutzung der mechanischen Energie ist laut den Forschern aber besser, da dadurch weniger Energie durch Umwandlungsprozesse verloren geht. Laut ihnen könnte die Technologie etwa eingesetzt werden, um die Luft in Glashäusern zirkulieren zu lassen.

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Die Leistung des Geräts könne laut den Forschern noch erhöht werden, indem die Luft im Motor durch ein anderes Gas wie Helium oder Wasserstoff ersetzt wird. Dadurch würde die interne Reibung des Motors verringert werden. Das ist dringend nötig, denn Solarpaneele erzeugen deutlich mehr Energie als der Stirlingmotor. Bereits ein 5x5 Zentimeter großes, kostengünstiges Modul erreicht 0,5 Watt. Das allerdings nur am Tag.

Der Stirlingmotor funktioniert jedoch ebenso nur nachts. Zwar arbeiten die Forscher daran, dass er auch am Tag Energie erzeugt, die Energieausbeute dürfte dann aber nochmal kleiner sein. Es dürfte kommerziell wohl sinnvoller sein, PV-Energie untertags in einer kleinen Batterie zu speichern, um damit Geräte in der Nacht anzutreiben.

Raumfahrt und U-Boote

Das bedeutet aber nicht, dass Stirlingmotoren keine Daseinsberechtigung haben. In der Raumfahrt werden sie bei Sonden und Satelliten eingesetzt, um Wärme in Elektrizität umzuwandeln. Künftig soll die Technologie auch bei Missionen zum Mars eingesetzt werden. Als Wärmequelle dient ein kleiner Kernreaktor.

Auch in U-Booten werden Stirlingmotoren eingesetzt. Sie kommen nämlich - anders als Verbrennungsmotoren - ohne externe Sauerstoffzufuhr aus und sind sehr leise im Betrieb. Das ist vorteilhaft für ein U-Boot, das nicht geortet werden will. 

Die schwedische Gotland-Klasse sowie die sich momentan im Bau befindende Blekinge-Klasse setzen beispielsweise auf Stirlingmotoren, um mehrere Wochen lang unter Wasser fahren zu können, ohne aufzutauchen. Als Wärmequelle dient Dieselöl, der mit reinem Sauerstoff verbrannt wird. Dieser wird in kompakter, flüssiger Form mitgeführt. Als Kühlungsmittel wird Meerwasser verwendet.

Die Abgase, also das CO2 des Dieselmotors wird, lautlos an das Meereswasser abgegeben. Da sich CO2  in Wasser bindet, entstehen auch keine verräterischen Blasen.