Grundlage für effizientes Osmose-Kraftwerk vorgestellt

19. März 2013, 12:34
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Französische Physiker maßen mit eigener Testvorrichtung Stromfluss beim osmotischen Transport von Flüssigkeiten durch ein einziges Nanorohr

Eine vielversprechende Möglichkeit zur Erzeugung von Energie scheiterte bislang an den geringen Ausbeuten, die mit aktuell verfügbaren Techniken erzielt werden konnten: das in den unterschiedlichen Salzkonzentrationen von Süß- und Meerwasser verborgene Potenzial könnte dank einer neuen Entwicklung in Zukunft nutzbar gemacht werden. Französische Wissenschafter haben eine Testvorrichtung entwickelt, mit der zum ersten Mal der osmotische Transport von Flüssigkeiten durch ein einziges Bor-Stickstoff-Nanorohr untersucht werden kann.

Osmose findet statt, wenn ein Salzwassertank mit einem Frischwassertank durch angepasste halbdurchlässige Membranen verbunden wird. Durch die Salzgradienten wird die Stromerzeugung auf zwei verschiedenen Wegen möglich: Zum einen kann der unterschiedliche osmotische Druck zwischen den beiden Reservoirs eine Turbine antreiben. Zum anderen ermöglicht die Verwendung von Membranen, die nur Ionen durchlassen, die Erzeugung von elektrischem Strom.

Theoretische Kapazität von weltweit einem Terawatt

Die Physiker des Instituts für Licht und Materialen, einer gemeinsamen Einrichtung des französischen Zentrums für wissenschaftliche Forschung (CNRS) und der Universität Claude Bernard in Lyon, schätzen, dass, konzentriert an den Flussmündungen, die theoretische Kapazität der Osmose-Energie weltweit mindestens ein Terawatt betragen würde, was der Leistung von 1.000 Kernreaktoren entspräche. Jedoch sind die eingesetzten Technologien bislang nicht sehr leistungsfähig (etwa 3 Watt pro Quadratmeter Membran).

Die Forscher untersuchten zunächst die Dynamik von Flüssigkeiten in geschlossenen nanometergroßen Bereichen, wie beispielsweise im Inneren von Nanoröhrchen. Inspiriert durch die Biologie und die Erforschung der Zellkanäle, gelang ihnen zum ersten Mal die Messung der osmotischen Strömung in einem solchen Röhrchen. Ihre Testvorrichtung bestand aus einer undurchlässigen und elektrisch isolierenden Membran. In diese Membran wurde ein Loch gebohrt, durch das die Forscher mit Hilfe der Spitze eines Rastertunnelmikroskops ein Bor-Stickstoff-Nanoröhrchen von nur wenigen Nanometern Außendurchmesser schoben.

Gigantische Stromstärke

Zwei auf beiden Seiten des Nanoröhrchens in die Flüssigkeit eingetauchte Elektroden machten es möglich, den durch die Membran laufenden elektrischen Strom zu messen. Durch die Trennung eines Salzwasser- und eines Frischwassertanks über die Membran erzeugten sie durch das Nanorohr eine gigantische elektrische Stromstärke. Dies ist auf die starke negative Ladung an der Oberfläche von Bor-Stickstoff-Nanoröhrchen zurückzuführen, die die im Salzwasser enthaltenen Kationen anzieht. Der durch dieses Nanorohr fließende Strom liegt im Nanoampere-Bereich, d.h. eine 1000 Mal höhere Stromstärke als bei den üblichen Methoden.

Bor-Stickstoff-Nanoröhrchen ermöglichen somit eine hocheffiziente Umwandlung der in den Salzgradienten enthaltenen Energie in eine unmittelbar nutzbare elektrische Energie. Betrachtet man diese Ergebnisse in einem größeren Maßstab, könnte eine ein Quadratmeter  große Membran von Bor-Stickstoff-Nanoröhren eine Kapazität von etwa 4 Kilowatt erreichen und wäre in der Lage, jährlich bis zu 30 Megawattstunden zu erzeugen. Diese Leistungen sind drei Mal so hoch, wie die der aktuellen Osmosekraftwerksprototypen. Die Forscher wollen nun die Herstellung von Membranen aus Bor-Stickstoff-Nanoröhren untersuchen und die Leistung von Nanoröhren mit unterschiedlichen Zusammensetzungen testen. (red, derStandard.at, 19.03.2013)

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