Wettervorhersage: Es wird bald regnen, Wissenschaftler: Verstanden, Anrufer-ID!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Cheng Mingchen (populärwissenschaftlicher Autor)

Hersteller: China Science Expo

„Wie Wind schleicht er sich in die Nacht und befeuchtet lautlos alles.“ Regen ist ein unverzichtbarer Bestandteil des Wasserkreislaufs in der Natur und nährt alle Dinge auf der Welt. Doch manchmal können uns anhaltende Regentage auch Probleme bereiten: Die Regengüsse lassen den Wasserstand von Stauseen, Flüssen und Seen stark ansteigen und können sogar Überschwemmungen verursachen. Wasser kann ein Boot tragen, es kann es aber auch zum Kentern bringen. Die beiden Seiten des Regens haben zwangsläufig einen großen Einfluss auf unser Leben.

Wenn jedoch im Sommer ein Regenschauer mit verheerender Kraft niederprasselt, haben Sie schon einmal daran gedacht, dass in den Regentropfen auch eine beträchtliche Energie steckt?

Tatsächlich versuchen manche Leute schon seit langer Zeit, aus Regenkraft Strom zu erzeugen und haben dabei gewisse Ergebnisse erzielt . Vielleicht können wir in naher Zukunft auch Strom aus Regenkraft nutzen. Informieren wir uns über die verschiedenen Versuche wissenschaftlicher Forscher auf dem Gebiet der Regenkraft.

Cherrapunji, Indien: Bekannt als der „regenreichste Ort der Welt“

(Bildquelle: easternvoyages)

Mikro-Wasserkraftwerk auf dem Dach

Wie kann Regenwasser zur Stromerzeugung genutzt werden? Im Wesentlichen besteht zwischen Regenwasser und Flusswasser kein Unterschied. Daher besteht die naheliegendste und direkteste Methode natürlich darin, zunächst eine große Menge dieses „wurzellosen Wassers“ an hoch gelegenen Stellen wie Dächern zu speichern und dann das Prinzip der Wasserkrafterzeugung zu nutzen, um die Gravitationspotentialenergie des Regenwassers in elektrische Energie umzuwandeln.

Die Theorie ist einfach, aber ist sie in der Praxis umsetzbar?

Wenden wir uns nun Mexiko zu, einem der wasserärmsten Länder der Welt, in dem mehr als 10 Millionen Menschen keinen Zugang zu Leitungswasser haben. Selbst in der Hauptstadt Mexiko-Stadt leben noch immer fast 250.000 Menschen unter Wasserknappheit. Viele Familien haben deshalb an den Dachtraufen ihrer Häuser Wassersammelrohre installiert, um das Regenwasser für die spätere Verwendung aufzufangen. Aufgrund der starken Luftverschmutzung vor Ort ist das Regenwasser jedoch mit einer großen Menge an Verunreinigungen und Schadstoffen vermischt.

Um das Problem der Regenwasserreinigung und der gleichzeitigen Stromerzeugung zu lösen, hatten drei Studenten der Polytechnischen Universität von Mexiko, Omar, Romel und Gustavo, im Jahr 2014 eine interessante Idee. Sie haben die Erzeugung von Regenenergie in die Realität umgesetzt und ein Regenenergieerzeugungssystem namens „Pluvia“ entwickelt.

Drei Studenten erfanden das Pluvia-Regenkraftsystem

(Bildquelle: NewAtlas)

Sie entwarfen ein mit einer Mikroturbine ausgestattetes Rohrstück, das mit dem Einlass oben am Wassertank verbunden war. Regenwasser vom Dach wird durch einen Trichter gesammelt und fließt durch ein mit einem Aktivkohlefilter ausgekleidetes Rohr, treibt dann eine Mikroturbine an und gelangt schließlich in einen unterirdischen Wasserspeichertank. Die Rotation der Turbine treibt den Generator an und lädt die 12-Volt-Batterie auf. Ein Teil des Stroms wird zum Betrieb des Wasserreinigers verwendet und das aufbereitete Wasser ist sauberer als das städtische Wasserversorgungsnetz.

Das System wurde in der Gemeinde Iztapalapa in Mexiko-Stadt getestet und die Studenten wollen nun die Stromerzeugungs- und -speicherkapazität erhöhen, um in Zukunft mehr Haushalten dabei zu helfen, ihre Wasser- und Stromprobleme zu lindern.

Konzeptbild der Regenwasserstromerzeugungsanlage (dieses Bild ist nicht das Werk der drei Studenten)

(Bildquelle: Spektrum)

Die drei Studenten verdienen Ermutigung für ihren Mut zur Innovation und zur Umsetzung schriftlicher Theorien in praktische Produkte, die den Anwohnern vor Ort zugute kommen. Aufgrund der enormen Einschränkungen dieser Energieumwandlungsmethode selbst besteht jedoch kein Zweifel daran, dass die Effizienz dieser Form der Regenwasserstromerzeugung zu gering ist und der Raum für Verbesserungen äußerst begrenzt ist.

Hinzufügen eines „Generators“ zu Regentropfen

Traditionelle Formen der Stromerzeugung sind untrennbar mit Generatoren verbunden, doch jeder einzelne Regentropfen verfügt nur über eine winzige Energiemenge und kann daher keinen kontinuierlichen Strom liefern. Um die Energie des Regenwassers zu sammeln und die Effizienz der Regenstromerzeugung zu verbessern, ist daher ein spezieller „Generatortyp“ erforderlich.

Unter ihnen ist piezoelektrisches Material ein Material, das mit unzähligen „winzigen Generatoren“ bedeckt ist. Es nutzt zur Stromerzeugung keine elektromagnetische Induktion, sondern nutzt die spezielle Anordnung seiner eigenen Atome, um die durch Krafteinwirkung verursachte Verformung direkt in elektrische Ladung umzuwandeln.

Der Ursprung piezoelektrischer Materialien ist ziemlich dramatisch. Im Jahr 1880 entdeckten der französische Physiker Pierre Curie (Ehemann der berühmten Madame Curie) und sein Bruder Jacques Curie im Labor piezoelektrische Materialien. Sie stellten fest, dass auf einem Teil der Oberfläche eines Quarzkristalls eine geringe Menge elektrischer Ladung erzeugt wurde, wenn dieser starkem Druck ausgesetzt war.

Seitdem werden piezoelektrische Materialien häufig verwendet, und in der Zündvorrichtung von Feuerzeugen und Gasherden ist ein Stück piezoelektrischen Materials versteckt. Auch die an stark befahrenen Bahnhöfen oder Kreuzungen verlegten „Stromerzeugungsböden“ erzeugen Strom durch piezoelektrische Materialien.

Ein piezoelektrischer Bodenpfad in London

(Bildquelle: inhabitat)

Im Jahr 2008 veröffentlichte Leti, ein Technologieforschungs- und -entwicklungsinstitut der französischen Atomenergiekommission (CEA), dessen Hauptforschungs- und Entwicklungsgebiete Mikro-Nanotechnologie und deren Anwendungen sind, eine Studie in der Zeitschrift Smart Materials and Structures. Romain Guigon stellte die Methode seines Teams vor, bei der mithilfe piezoelektrischer Materialien Energie aus Regentropfen gewonnen wird.

Links: Prüfstand zur Regenstromerzeugung. Rechts: Piezoelektrisches Material am Boden des Prüfstands.

(Bildquelle: Smart Materials and Structures)

Wenn Regentropfen auf den Boden fallen, kommt es zu unelastischen Aufprallkollisionen. Während dieses Vorgangs kommt es durch das Brechen, Spritzen, Vibrieren und die viskoelastische Verformung der Regentropfen zu Energieverlust. Forscher haben das „Regentropfen-Kollisionsmodell“ verbessert und die Menge der in Regentropfen verfügbaren Energie grob geschätzt. Um die durch diesen Aufprall erzeugte mechanische Energie einzufangen, verwendeten diese Wissenschaftler ein piezoelektrisches Material namens PVDF (Polyvinylfluorid)-Polymer, um die kinetische Energie der Regentropfen erfolgreich direkt in elektrische Energie umzuwandeln.

Durch die Simulation von Regentropfen mit unterschiedlichen Fallgeschwindigkeiten entdeckten sie außerdem ein interessantes Muster: Langsam fallende Regentropfen neigen dazu, mehr elektrische Energie zu erzeugen, was daran liegen könnte, dass Regentropfen mit hoher Geschwindigkeit eher spritzen. Darüber hinaus stellten sie durch die Beobachtung von Regentropfen mit Durchmessern von 1 bis 5 mm fest, dass die verfügbare Energie jedes Regentropfens zwischen 1 und 10 mJ lag und Regentropfen bei „starkem Regen“ eine Stromerzeugungskapazität von bis zu 12 mW hatten.

Allerdings kann es die Anforderungen zum Laden von Mobiltelefonen trotzdem nicht erfüllen: Die zum langsamen Laden von Mobiltelefonen erforderliche Leistung beträgt 5 W, was mindestens 5.000 gleichzeitig fallenden großen Regentropfen entspricht. In den letzten Jahren haben auch andere Wissenschaftler ähnliche Ideen aufgegriffen und eingehendere Untersuchungen durchgeführt. Dabei wurde die Machbarkeit der Verwendung piezoelektrischer Materialien zur Erzeugung von Regenstrom vollständig bestätigt. Allerdings wurde der Wirkungsgrad der Stromerzeugung nicht durchbrochen (nicht mehr als 0,12 %).

Der Prozess, bei dem Regentropfen auf den Boden treffen

(Bildquelle: Energy, übersetzt vom Autor)

In gewisser Weise ist Regenkraft bereits Realität?

Das Wetter ist unvorhersehbar. Wind, Regen, Donner und Blitz in der Natur enthalten enorme Energie. Aufgrund technischer Einschränkungen können wir derzeit nur einen Teil der Windenergie nutzen. Tatsächlich geht die „Regenkraft“ bei diesem Vorgang jedoch nicht völlig verloren. Niederschläge gehen oft mit starkem Wind einher und der Wind als Überbringer der Regentropfen hat bereits ein gewisses Maß an Regenstromerzeugung erreicht.

Die Ausgangsleistung einer Windkraftanlage hängt eng mit der Luft davor zusammen, und die Dichte der mit Regen vermischten Luft nimmt leicht zu. Theoretisch erzeugen Windturbinen an regnerischen Tagen mehr Strom (wenn auch nur ein wenig). Darüber hinaus kann Regenwasser Staub und Flecken von der Oberfläche der Rotorblätter abwaschen und so die aerodynamische Leistung der ursprünglich verschmutzten Rotorblätter verbessern. Daher beinhaltet der Strom, den wir in unserem täglichen Leben verbrauchen, bereits indirekt „Regenblitze“ und nicht „Regen hat nichts mit mir zu tun“.

Bis zur Nutzung der Regenstromerzeugung ist es noch ein weiter Weg, und auf diesem Weg wird es Wind und Regen geben, aber wir glauben, dass uns die stillen Regentropfen mit den unermüdlichen Anstrengungen der Generationen letztendlich mehr Strom liefern werden.

Windräder im Regen

(Fotoquelle: Fineartamerica)

Quellen:

[1]Ben Coxworth. Regenwasser zur Stromerzeugung genutzt

[2]Guigon, Romain, Chaillout, Jean-Jacques, Jager, Thomas und Despesse Ghislain. Nutzung der Energie von Regentropfen: Theorie und Nutzung der Energie von Regentropfen: eine experimentelle Studie. Kluge Mater. Struktur. 17 (2008) 015038-9.

[3]Ilyas, MA, & Swingler, J. (2015). Piezoelektrische Energiegewinnung aus dem Aufprall von Regentropfen. Energie, 90, 796–806. doi:10.1016/j.energy.2015.07.114

[4]Xu, W., Zheng, H., Liu, Y. et al. Ein tröpfchenbasierter Stromgenerator mit hoher momentaner Leistungsdichte. Nature 578, 392–396 (2020).

[5]F.-R. Fan et al., Flexibler triboelektrischer Generator, Nano Energy (2012), doi:10.1016/j.nanoen.2012.01.004

Herausgeber: Sun Chenyu