Mit zwei Auszeichnungen und einigen herausragenden Studenten poliert Forscher neue, hochflexible Technologie auf
Blake Boren hatte ein paar Fragen zur flexiblen Klappe.
Wie groß sollte die Klappe sein? Was ist die optimale Klappenform? Und wie baut man eine flexible Klappe am besten?
„Ich denke, ein technischerer Begriff ist ein am Boden befestigter, flexibler Wellenenergiekonverter“, sagte Boren, ein leitender Ingenieur am National Renewable Energy Laboratory (NREL). „Aber es ist eigentlich nur eine flexible Klappe.“
Nach all dem haben Sie vielleicht noch ein paar eigene Fragen. Weiter lesen; Wir haben Antworten.
Im Jahr 2020 erhielt Boren durch sein Projekt Fördermittel vom Water Power Technologies Office (WPTO) des US-Energieministeriums Programm für Setzlinge und Setzlinge für nationale Laborforscher, um eine neue und ungewöhnliche Art von Technologiebereich zu verfeinern. Boren und sein Kollege Jochem Weber nannten es verteilte eingebettete Energiewandlertechnologien, oder kurz DEEC-Tec. Mit DEEC-Tec können Entwickler von Meereswellenenergietechnologien kleine Einzelgeneratoren zu Geräten – oder Metamaterialien, wie Boren sie nennt – nahezu jeder Größe und Form verflechten. Solche Materialien können sich in Meereswellen biegen, verdrehen oder sogar dehnen, um diese wilde Energie auf völlig neue Weise zu nutzen.
Eine Form, die diese Metamaterialien annehmen könnten, wäre eine flexible Klappe (das am Boden befestigte, wogende, flexible Wellenenergiekonverter-Ding). Bei der flexiblen Klappe handelt es sich im Grunde um ein rechteckiges Paddel, das auf dem Meeresboden montiert ist und sich drehen und in den Wellen tanzen kann.
Aber trotzdem Borens DEEC-Tec hat gerade sein erstes Patent erhalten, hat er viele Fragen zu klären, bevor flexible Klappen – oder flexible Röhren, Ballons und andere auf DEEC-Tec basierende Ozeanwellen-Energiewandler – das Wasser erreichen können. Fragen wie die beste Verteilung und Einbettung dieser Energiewandler, um die Technologie nutzbar zu machen.
Die WPTO verlieh Boren zwei Setzlingspreise, damit er und eine Gruppe neugieriger Studenten und Forscher nach Antworten suchen konnten. Die kleinen Startkapitalzuschüsse in Höhe von 50.000 US-Dollar sollen genau diese Art der kreativen Erkundung unterstützen, mit dem großen Ziel, die Wasserkraftforschung voranzutreiben. Meeresenergiegeräte wie Borens DEEC-Tec-basierte Maschinen könnten letztendlich dazu beitragen, die Bemühungen des Landes um saubere Energie und Dekarbonisierung zu unterstützen.
Für sein erstes Setzlingsprojekt holte Boren eine frühreife Doktorandin von der Virginia Tech, Wendelle Sparrer.
„Wendelle war fantastisch“, sagte Boren.
Sparrer machte sich daran, ein Modell zu bauen, das simulieren könnte, wie sich verschiedene flexible Klappendesigns auf die Leistung auswirken könnten. Ihr Ziel war es herauszufinden, welche Form, wie ein Dreieck oder ein Rechteck, die meiste Energie aus den Meereswellen einfangen kann. Dazu nutzte Sparrer ein Softwaretool namens StarCCM+. Aber sie erkannte schnell, dass die Bewegung von Flüssigkeiten wie Meereswellen, die mit dem flexiblen Gerät interagierten, unabhängig von der gewählten Form zu komplex und unregelmäßig war, als dass sie vollständig in einem Modell erfasst werden könnte. Sie brauchte ein virtuelles Wellenbecken, in das sie ihre virtuellen flexiblen Klappen werfen konnte, um zu sehen, wie jede auf tatsächliche Meereswellen reagieren würde.
Das Softwaretool verfügte jedoch nicht über einen virtuellen Wellentank. Also baute sie selbst eines.
„Das war eigentlich eine ziemlich große Leistung, auch wenn es nicht die Hauptmotivation des Codesign-Setzlingsprojekts war“, sagte Boren. „Dennoch war es ein notwendiger Baustein und eine ziemlich beeindruckende Leistung.“
Obwohl Sparrer keine optimale Form für die flexible Klappe fand (oder, wie Boren es ausdrückte, „sie fand nicht die Geometrie der Bienenknie“), deckte ihre Arbeit kritische Lücken in numerischen Werkzeugen auf, die die DEEC-Tec-basierte Arbeit behindern könnten Entwicklung der Meereswellenenergietechnologie.
„Es ist kein einfacher Aufzug, oder?“ Sagte Boren. „Wir hätten sehr naiv sein können, als wir behaupteten, dass ein Setzlingsprojekt ausreichen würde. Das ist eindeutig eine vielversprechende Forschung, aber es wird noch viel mehr Aufwand erfordern, sie zu konkretisieren.“
Borens zweites Setzlingsprojekt könnte zumindest dazu beitragen, die neue Technologie bekannt zu machen (und vielleicht sogar die dringend benötigte Finanzierung auftreiben). Für das, was er seinen Prototyp-Sämling nannte, holte Boren ein Team aus Studenten und Nachwuchsforschern, um mit DEEC-Tec zu experimentieren, Prototypen zu konstruieren und zu bewerten und die Technologien in Animationen oder virtuellen Simulationen nachzubilden.
„Die DEEC-Tec-Domäne ist von Natur aus sehr groß“, sagte Boren. „Wir benötigen nicht nur Finanzmittel, um den Bereich weiterzuentwickeln, sondern auch ein viel breiteres Spektrum an Fähigkeiten, als es normalerweise in der Gemeinschaft der erneuerbaren Meeresenergien der Fall ist. Zu diesem Zweck war ein DEEC-Tec-Prototypsetzling im Wert von 50.000 US-Dollar, der mit einer vielfältigen Gruppe von Studenten und Nachwuchsforschern zusammengebracht wurde, eine natürliche Ergänzung.“
Für ein Projekt bauten die Studenten Rigs, über die sie eine Acrylhaut spannten – eine Möglichkeit, einen Typ kleiner DEEC-Tec-Generatoren, sogenannte dielektrische Elastomergeneratoren, zu imitieren. Sie experimentierten auch mit der Einbettung der DEEC-Tec-Generatoren, schrieben Programme zur Steuerung dieser gewebten Geräte und erstellten Simulationen, um die Physik hinter diesen Metamaterialien zu analysieren (unter Verwendung eines Softwarepakets namens COMSOL).
„Der Prototyp-Sämling war sehr effektiv“, sagte Boren. Nachdem das Team erklärende Animationen und andere Outreach-Materialien veröffentlicht hatte, sagte Boren, er habe ein zunehmendes Interesse an DEEC-Tec festgestellt. „Es ist wie ein Trickle-Down-Effekt“, sagte er.
Diese besondere Aufmerksamkeit trug auch dazu bei, einen neuen Preis namens InDEEP ins Leben zu rufen, der für „Innovating Distributed Embedded Energy Prize“ steht. Der Preis, der hat kürzlich seine Gewinner der Phase I bekannt gegebenermutigt einen noch größeren Kreis kreativer Köpfe – darunter Studenten, Forscher und Unternehmer –, das Potenzial von DEEC-Tec zu erkunden.
Zu diesem Potenzial gehört auch Origami.
Mit seiner letzten Setzlingsfinanzierung verfolgt Boren seine eigene kreative Idee: einen Origami-Wellenenergiekonverter aus DEEC-Tec. Das Gerät könnte beispielsweise in ein oder mehrere kleinere Pakete gefaltet werden, um den Transport und die Bereitstellung zu erleichtern. Wenn beispielsweise eine Naturkatastrophe einen Stromausfall in einer Gemeinde verursacht, könnte schnell ein auf DEEC-Tec basierender Notstromgenerator eingesetzt werden. (Ein Gitter mag dunkel werden, aber der Ozean wird niemals aufhören zu brodeln.)
Ein Origami-Wellenenergiegerät könnte sich auch vor extremen Wellen schützen, indem es sich wie ein Pillenkäfer oder ein Pummelchen zusammenfaltet, um diese gefährliche Energie abzuschirmen. Und wenn einer dieser kleinen Generatoren ausfällt oder beschädigt wird, können die anderen weiterhin Energie erzeugen, sodass die Betreiber nicht zu Reparaturen eilen müssen oder wertvolle Einnahmen verlieren, während ein Gerät ausfällt.
In der Zwischenzeit wird Boren zusammen mit einer wachsenden Zahl von Liebhabern DEEC-Tec weiter verfeinern. „Letztendlich“, sagte Boren, „hoffen wir, diese ursprüngliche Frage zu beantworten: ‚Gibt es optimale Formen für DEEC-Tec-basierte Ozeanwellen-Energiekonverter, wie flexible Klappen?‘“
Dank der Setzlingsprojekte verfügt Boren nun über die Samen, um eine Antwort zu züchten.
Möchten Sie mehr Metamaterialien? Schauen Sie sich den Cousin von DEEC-Tec an, hexDEEC, die möglicherweise zum Bau von Straßen, Stoffen und mehr zur Energieerzeugung genutzt werden könnte. Und Abonnieren Sie den NREL-Wasserkraft-Newsletter, Die jetzigeum sicherzustellen, dass Sie kein Wasserkraft-Update verpassen.