AT525851A2 - Verfahen und Vorrichtung zur thermoelektrischen Konversion durch Vermittlung der Zentrifugalkraft - Google Patents

Verfahen und Vorrichtung zur thermoelektrischen Konversion durch Vermittlung der Zentrifugalkraft Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren und eine darauf beruhende Vorrichtung bereitgestellt, die durch die Nutzung der Zentrifugalkraft als richtungsgebende Ordnungskraft in Verbindung mit einer energetischen Mindestunterstützung in Form einer geregelten Vorspannung eine thermoelektrische Konversion ermöglicht, ohne auf die Gegebenheit eines Temperaturgefälles angewiesen zu sein. Das als Konvertersubstrat dienende Festkörpergefüge (1) besteht aus partikulär strukturierten elektrischen Leitern bzw. Halbleitern, vorzugsweise aus einem adäquat verdichteten Gemisch mindestens zweier Arten von Mikropartikeln (3a, 3b), deren formbildende Stoffe möglichst weit auseinander liegende Positionen in der thermoelektrischen Spannungsreihe besetzen. In der einfachsten Ausführungsform ist es ringscheibenförmig auf dem Zentrifugenrotor (4) aufgebracht. Es wird angenommen, dass die Zentrifugalkraft über eine Translozierung von Ladungsträgerturbulenzen in den Grenzflächenbereichen der Mikropartikel wirksam wird.

Description

ermoelektrischen Konversion ugalkraft {TE-Zentrifuge)
durch Vermittlung der Zer
Verfahren und Vorrichtung zur thermoelektrischen Konversion durch Vermittlung der Zentrifugalkraft
Arbeitsbegriff: Thermoelektrische Zentrifuge
Henning Lange-Asschenfeldt
Vorbemerkung zum Stand der Technik:
Kürzlich konnte gezeigt werden, dass in einem Festkörpergefüge aus mikropartikulär strukturiertem Graphit durch Vermittlung der Schwerkraft eine thermogene Beschleunigung freier Elektronen in ihre Gegenrichtung begünstigt wird (hitps//ek.doLorg/10 6084 /m9, figshare, 2059527). Diese wahrscheinlich grenzschichtenassoziierte Funktionalität führt nach Schließung eines Stromkreises über einen nachgeschalteten (invertierenden) Operationsverstärker zu einem berechenbaren Elektronenstrom aus dem konditionierten Festkörpergefüge. In welchem Ausmaß die Entwicklung dieses Elektronenstroms auf die energetische Rückwirkung des nachgeschalteten Verstärkers (oder einer entsprechenden externen Quelle in einer alternativen Schaltungsumgebung) angewiesen ist, bleibt Gegenstand weiterer Untersuchungen.
Der resultierende Elektronenstrom wird durch das geomagnetische Feld erwartungsgemäß beeinflusst, aber nicht im Wesentlichen bestimmt, wie Versuche unter Verwendung magnetisch geschirmter Gehäuse gezeigt haben. Seine energetische Quelle ist vielmehr in einer thermoelektrischen Konversion zu suchen. Im konstanten Schwerefeld der Erde wird so zunächst insbesondere die Messung verschiedener Fraktionen ihres magnetischen Feldes an bestimmten Orten ermöglicht, wodurch sich das geophysikalische Monitoring wahrscheinlich sinnvoll ergänzen lässt.
Jedoch ist auch die Annahme begründet, dass die Gravitation über die Gleichrichtung des Elektronenstroms hinaus die thermoelektrische Konversionsrate signifikant beeinflusst. Daraus können sich bedeutsame praktische und theoretische Konsequenzen im Hinblick auf die Messung der Gravitationskraft und ihre Einordnung in das System der physikalischen Wechselwirkungen ergeben. Eingedenk des Äquivalenzprinzips darf sogar der Schluss gezogen werden, dass die thermoelektrische Konversion in ähnlicher Weise durch Zentrifugalkräfte vermittelt und kontrolliert werden kann. Erste Ergebnisse orientierender Experimente stützen die Annahme eines quantitativen Zusammenhangs.
Beschreibung der neuartigen Thermoelektrischen Zentrifuge:
Die in der Vorbemerkung dargelegten Erkenntnisse erlauben über die messtechnischen Anwendungen hinaus Verfahren und Vorrichtungen zur thermoelektrischen Konversion durch Vermittlung der Zentrifugalkraft im technischen Maßstab zu konzipieren. Diese Art der Energiewandlung verspricht eine vergleichsweise hohe Effizienz, zumal in Zentrifugen hohe Beschleunigungswerte erreicht werden können. Um sie zu realisieren, wird ein geeignetes mikrogranuliertes Festkörpergefüge auf dem Zentrifugenrotor scheibenringförmig um dessen Rotationsachse angeordnet. Das Festkörpergefüge sollte zur Prozessoptimierung (Erhöhung der grenzschichtenassoziierten Ladungsträgerturbulenzen) aus einem adäquat verdichteten Gemisch mindestens zweier Arten elektrisch leitender Mikro- bzw. Nanopartikel bestehen, die sich in physikalisch-chemischer Hinsicht dadurch voneinander unterscheiden, dass ihre jeweils formbildenden Stoffe möglichst weit auseinander liegende Positionen in der thermoelektrischen Spannungsreihe besetzen (z.B. Graphit/Silicium). Nach derzeitigem Kenntnisstand ist allerdings nicht auszuschließen, dass statt des partikulären Festkörpergefüges auch ein homogener Festkörper, der aus entsprechend gestalteten und interagierenden molekularen oder supramolekularen Strukturkomponenten (auch in Form eingebetteter Mikropartikel) besteht, die besagte thermoelektrische Konversion bewirken kann.
Fig. 1 zeigt in einer mehr symbolhaften Darstellung den Schnitt durch eine zur thermoelektrischen Konversion durch Vermittlung der Zentrifugalkraft ertüchtigten technischen Vorrichtung (Arbeitsbegriff: Thermoelektrische Zentrifuge (TEZ)). Das mikropartikuläre Festkörpergefüge ist auf dem Zentrifugenrotor scheibenringförmig um dessen Rotationsachse angeordnet. Ein Isolator trennt die periphere Elektrode (Pluspol/e-Akzeptor) von der zentralen Elektrode (Minuspol/e-Donator).
Zur Spannungsvervielfachung können entweder mehrere Scheiben dieser Art konzentrisch aneinandergefügt und/oder das ringförmig angeordnete Festkörpergefüge bei entsprechend angepasster Bauweise sektoral aufgeteilt und derart leitend miteinander verbunden werden, dass Elektronenstrom und Zentrifugalkraft stets gegeneinander gerichtet sind.
ermoelektrischen Konversion Ikraft {TE-Zentrifuge)
Seite 2
Nach jetzigem Kenntnisstand ist es erforderlich, die thermoelektrische Konversion und damit den ihr entstammenden Elektronenstrom auch im Falle einer Vermittlung des Prozesses durch Zentrifugalkräfte mit Hilfe einer stetig nachgeführten Vorspannung fortschreitend zu „entwickeln“, bis ein Gleichgewichtspotential erreicht ist, das den funktionellen Eigenschaften des rotierenden Konverters und der aktuell verfügbaren Wärme entspricht. Die Klärung der in theoretischer und praktischer Hinsicht bedeutsamen Frage, in welchem Ausmaß die verfügbare Wärme und/oder die Zentrifugalkraft den Bedarf an externer Unterstützung für die Auslösung und die Unterhaltung des Konversionsprozesses verändern, bleibt weiteren Untersuchungen vorbehalten. Dazu gehören auch experimentelle Studien zu denkbaren zentrifugalkraftbedingten Elektronenstromdurchbrüchen.
Die dem situativen Gleichgewichtspotential entsprechende thermoelektrische Konversionsleistung wird in wesentlichem Maße durch die Rotationsgeschwindigkeit der Zentrifuge bestimmt. Sie kann jedoch durch Einspeisung eines veränderlichen Steuerstroms aus einer externen Quelle in den Hauptstromkreis innerhalb der Leistungsbreite des Systems modifiziert werden. Dabei wird der Umgebung der Zentrifuge entsprechend mehr oder weniger Wärme im Wege der thermoelektrischen Konversion entzogen.
Fig. 2 zeigt einen Messkreis zur Ermittlung des situativen Gleichgewichtspotentials einer Thermoelektrischen Zentrifuge (TEZ) unter konstanten Laborbedingungen. Bei Gleichheit der Widerstände Rı und Rz: (Beispiel) stellt sich am Ausgang des invertierenden Verstärkers der negative Wert der bei A und B bzw. C anliegenden und mit Rı belasteten Ausgangsspannung der Zentrifuge (TEZ) ein. B und C (als virtueller Massepunkt) liegen aus systemischen Gründen auf gleichem Potential. Der der thermoelektrischen Konversion entstammende elektrische Leistungsanteil ist deshalb als im Wesentlichen eigenständig anzusehen. Bei konstanter Konversionsrate besteht er auf der Basis eines instabilen Gleichgewichts unter Nutzung minimaler Unterstützungskräfte fort.
In Fig. 3 sind die Funktionselemente einer im technischen Maßstab konzipierten Thermoelektrischen Zentrifuge (TEZ) dargestellt. Der Generator HSG liefert den Hilfsstrom zur Unterhaltung der stetig nachzuführenden elektrischen Vorspannung für die Entwicklung der am Lastwiderstand Rı maximal verfügbaren Zentrifugenleistung. Letztere kann über die Steuerspannung Ur und den Regelschaltkreis RS unter Einbeziehung des regelbaren Widerstandes Rus im Hauptstromkreis in den durch das System gesetzten Grenzen an die aktuellen Erfordernisse angepasst werden. Der über Rı und Rus fließende und dort wiederum in Wärme umgesetzte Elektronenstrom kann in einer anderen peripheren Umgebung bei entsprechender Leistungsanpassung ganz oder in Teilen einer alternativen Nutzung, z.B. einer elektromechanischen oder elektrochemischen Energiekonversion (Elektrolyse, Aufladung elektrischer Akkumulatoren) zugeführt werden.
Der in den Konversionsprozess der Thermoelektrischen Zentrifuge (TEZ) eingehende Wärmebetrag wird unmittelbar dem umgebenden Medium des Zentrifugenrotors (z.B. Luft, Wasserdampf) entzogen, wobei eine geeignete Bauform des Zentrifugenrotors für eine ausreichende Konvektion bei möglichst geringen Reibungsverlusten zu sorgen hat. Der Zentrifugenrotor kann aber auch zur Aufnahme von Strahlungsenergie (z.B. Solarenergie) ertüchtigt werden. In Betracht kommt schließlich sogar die Nutzung von Wärme aus radioaktiven Zerfallsprozessen mit der Möglichkeit einer unmittelbaren (!) Umwandlung in elektrische Energie (z.B. in der Raumfahrt). Der nukleare Brennstoff müsste in diesem Fall mit dem zur thermoelektrischen Konversion ertüchtigten Festkörpergefüge im Zentrifugenrotor in eine gut wärmeleitende Verbindung gebracht oder in das Festkörpergefüge integriert werden.
Prinzipiell ist die Thermoelektrische Zentrifuge (TEZ) auch zur Kühlung von Räumen oder Behältern geeignet, wobei die thermoelektrische Konversionsrate über die oben erwähnten Steuerungsmechanismen erhöht und der elektrische Energieüberschuss als (nutzbares) Äquivalent der entzogenen thermischen Energie aus den betreffenden Räumen oder Behältern herausgeleitet werden kann.

Claims (3)

15 20 25 30 35 Patentansprüche:
1. Verfahren und Vorrichtung zur thermoelektrischen Konversion durch Vermittlung der Zentrifugalkraft, gekennzeichnet durch: - eine Zentrifuge (TEZ) mit Zentrifugenrotor (4) einschließlich Antriebseinrichtung (9); - ein Festkörpergefüge (1) aus partikulär strukturierten elektrischen Leitern oder Halbleitern, das in der einfachsten Variante scheibenringförmig oder in Sektoren auf dem Zentrifugenrotor (4) um dessen Rotationsachse angeordnet ist; - zentral und peripher gelegene Elektroden (6, 7) für die Aufnahme des im Konversionsprozess generierten Elektronenstroms sowie entsprechenden Kollektoren (8a, 8b) zur Ableitung in den äußeren Stromkreis; - leistungsadaptierte Elemente der äußeren Beschaltung, bestehend aus - einem Operationsverstärker (10) oder einer äquivalenten Schaltung, einem zugleich als Eingangswiderstand dienenden Lastwiderstand (11) und einem essenziellen Rückkopplungswiderstand (12) zu Messzwecken im Laborbetrieb bzw. - einem über einen Regelschaltkreis (16) anzusteuernden Generator (13) für den obligatorischen Unterstützungsstrom mit justierbarem Außenwiderstand (17) sowie einem Lastwiderstand (14) als Nutzlastkorrelat im Leerlaufbetrieb bei
Verwendung zur Energieversorgung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das partikulär strukturierte Festkörpergefüge (1) im Interesse der Prozessoptimierung aus einem adäquat verdichteten Gemisch mindestens zweier Arten von Mikropartikeln (3a, 3b) besteht, deren formbildende Stoffe möglichst weit auseinander liegende Positionen in der thermoelektrischen Spannungsreihe besetzen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass statt des partikulären Festkörpergefüges (1) ein homogener Festkörper aus entsprechend gestalteten und interagierenden molekularen oder supramolekularen Strukturkomponenten, auch in Form eingebetteter
Mikropartikel, die besagte thermoelektrische Konversion bewirkt.
ZULETZT VORGELEGTE ANSPRÜCHE
Fig. 2
14 (11)
Fig. 3
17
ZULETZT VORGELEGTE ZEICHNUNGEN
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Title
LANGE-ASSCHENFELDT, H. "Conjoint effect of gravitation and geomagnetism on the free electron dynamics in particulate solid structures" [online]. 28. Jänner 2019 (28.01.2019). [ermittelt am 13. April 2023]. <doi:10.6084/m9.figshare.2059587.v2>. Ermittelt von <https://figshare.com/articles/journal_contribution/Conjoint_ effect_of_gravitation_and_geomagnetism_on_the_free_electron_ dynamics_in_particulate_solid_structures/2059587/2> *

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