Aufgeschaukelt: Forscher haben ein System entwickelt, das auch schwachen Wellengang als Energielieferant nutzbar machen könnte – indem es sie nahezu verlustfrei verstärkt. Speichenförmig angeordnete Kanäle mit schrägem Boden schaukeln dabei die Wellen so auf, dass sie im Zentrum des radförmigen Aufbaus zur Stromgewinnung genutzt werden könnten. Erste Tests mit verkleinertem Modell lieferten bereits vielversprechende Ergebnisse, wie die Forscher berichten.
Neben Sonne und Wind bietet auch der Ozean einen fast unerschöpflichen Vorrat an erneuerbarer Energie. In Küstengebieten mit starken Gezeiten kann beispielsweise der Wechsel von Ebbe und Flut enorme Strömungskräfte erzeugen, durch die man Turbinen in Gezeitenkraftwerken antreiben kann. Aber auch der Wellengang kann zur Stromerzeugung genutzt werden, erste Versuchsanlagen werden zurzeit bereits vor der schottischen Küste getestet. Der Haken daran: Bisher sind diese Anlagen nur in Gebieten mit starkem Wellengang effektiv.
Speichenförmige Kanäle als Verstärker
Eine Methode, um selbst mäßige Wellen zur Stromgewinnung nutzen zu können, haben nun Chunyang Li von der Xiamen Universität in China und seine Kollegen entwickelt. Sie haben eine Struktur entwickelt, mit der sich schwache Wellen konzentrieren und aufschaukeln lassen. Bisher wird dies durch sich verengende Röhren oder Kanäle versucht, dabei aber geht ein großer Teil der Energie durch Reflektionen an den Wänden und dabei entstehende Gegenwellen verloren.
Die Idee für ihr neues System bekamen die Forscher durch ihre Arbeit mit Mikrowellen. Dabei hatten sie herausgefunden, dass sich die optischen Wellen konzentrieren lassen, wenn man sie durch ein System aus speichenförmig auseinanderlaufenden Metallblechen leitet. Die so gebildeten Kanäle fungieren dabei als Wellenleiter und Verstärker und führen zu einem Aufschaukeln der Mikrowellenamplitude im Zentralbereich dieses kreisförmigen Aufbaus.
Erste Tests erfolgreich
Könnte dies auch mit Wasserwellen funktionieren? Um das zu testen, haben Li und sein Team erste Prototypen in verkleinertem Maßstab konstruiert und getestet. Eines dieser Systeme hat einen Umfang von 43 Zentimetern und besteht aus 50 Speichen aus dünnem Kunststoff. Modellrechnungen ergaben, dass die beste Wellenverstärkung dann auftritt, wenn der Boden der so entstandene Kanäle in einem bestimmten Winkel ansteigt – bei Prototyp nahm die Wassertiefe dadurch von zehn auf drei Zentimeter im Zentralbereich ab.
Es zeigte sich: Wenn man die Größe dieses Systems an die Frequenz der Wellen anpasst, lässt sich damit die Wellenenergie fokussieren und verstärken, ohne dass Verluste durch Reflexionen entstehen. „Das in der optischen Transformation eingesetzte Prinzip ist demnach ein effektiver Ansatz, um Systeme mit höherer Effizienz für die Gewinnung von Wellenenergie zu entwickeln“, konstatieren die Forscher.
Li und sein Team hoffen nun, schon bald eine größere, für den Ozean geeignete Pilotanlage konstruieren zu können. „Unsere Arbeit ist ein großer Schritt hin zu einer Anwendung dieser Technik an der Küste“, sagt Lis Kollege Hunyang Chen. (Physical Review Letters, 2018; doi: 10.1103/PhysRevLett.121.104501)
(APS, 12.09.2018 – NPO)
