Erneuerbare Energien: Wellenkraft als Konzentrat

Mit neuartigen Methoden aus der Transformationsoptik erhöhen chinesische Forscher die Effizienz von Wellenkraftwerken.

Ein Bericht von Dirk Eidemüller veröffentlicht am 2. November 2018, 15:55 Uhr

Dank solcher konzentrischer Platten lässt sich die Wellenamplitude im Inneren auf ein Mehrfaches erhöhen, was die Effizienz von Wellenkraftwerken deutlich steigern könnte. (Bild: C. Li et al., APS)

Der Zubau regenerativer Energien ist unvermeidlich, um den Ausstoß von Kohlendioxid zu begrenzen und die Folgen des Klimawandels in erträglichen Grenzen zu halten. Während Windkraft und Solarenergie in den zurückliegenden Jahren stark gewachsen und global weiter auf dem Vormarsch sind, hat die Wasserkraft jedoch mit steigenden Widerständen zu kämpfen. In den großen Industrienationen erscheinen ihre Möglichkeiten weitestgehend erschöpft.

In den Entwicklungsländern hingegen stehen die oftmals riesigen Staudammprojekte in Konkurrenz zum Umwelt- und Artenschutz oder führen zur Vertreibung vieler Menschen. Weniger kontrovers wäre die Gewinnung von Energie aus Wellen und Gezeiten. Diese Technologien stecken aber leider immer noch in den Kinderschuhen.

Ein Forscherteam der Universität Xiamen in China hat nun eine pfiffige Methode ersonnen, wie man die Energie von Wellen konzentrieren kann. Ein Problem bei Wellenkraftwerken liegt darin, dass sich die Wellenenergie über die ganze Küste verteilt und es deshalb sehr aufwendig ist, sie abzuschöpfen. Es gibt zwar geologische Formationen, die Wellen konzentrieren. Hierzu zählen insbesondere immer enger zulaufende Schluchten, bei denen auch die Wellenhöhe immer weiter ansteigt.

Aber selbst bei solch vorteilhaften Bedingungen geht immer noch ein gutes Stück der Wellenenergie dadurch verloren, dass die Wellen zum Teil reflektiert werden. Wasserwellen gehorchen nämlich ähnlichen physikalischen Ausbreitungsbedingungen wie Lichtwellen. An einer rauen Oberfläche wird auch Licht zum Teil zurückgeworfen. Am Wellenbild lässt sich das gut daran ablesen, dass die ein- und auslaufenden Wellen eine kabbelige See erzeugen.

Methoden der Transformationsoptik werden übertragen

Die chinesischen Forscher um Chunyang Li hatten die Idee, bekannte Methoden der Transformationsoptik einzusetzen, um derartige Reflexionsverluste möglichst zu minimieren. Dies ist möglich aufgrund der Ähnlichkeit der Wellengleichungen. Die bekanntesten Beispiele für Anwendungen der modernen Transformationsoptik sind vor allem Tarnkappen, die Objekte bei bestimmten Frequenzen unsichtbar machen, indem sie die Wellen außen herum leiten. Von Mikrowellen ist aber etwa auch bekannt, dass sie sich durch eine Anzahl konzentrisch nach außen zeigender dünner Metallplatten im zentralen Bereich verstärken lassen - und das bei sehr geringen Verlusten durch Reflexion.

Um herauszufinden, ob eine solche Wellenkonzentration nicht nur bei Mikrowellen, sondern auch bei Wasser möglich ist, berechneten die Wissenschaftler die optimalen Bedingungen, unter denen die Wellen so wenig wie möglich zurückgeworfen wurden. Dabei nutzten sie spezielle Resonanzen, die sich ergeben, wenn man die Anzahl und Länge solcher Platten geschickt mit der Wassertiefe verknüpft.

Die Frequenz von Wellen in flachem Wasser hängt von der Tiefe ab. Die Forscher suchten deshalb gezielt nach einem passenden Tiefeprofil, um den Konzentrationseffekt zu verstärken. Es erwies sich als vorteilhaft, wenn der Boden Richtung Zentrum des Rings langsam höher wird und die Wassertiefe abnimmt. Im Optimalfall wächst dadurch die Höhe der Wellenberge bei den gängigen Frequenzen der Meereswellen, während zugleich kaum Energie zurückreflektiert wird, der Konzentrator also quasi unsichtbar bleibt.

Ein Prototyp wird 3D-gedruckt

Um das Ganze experimentell zu testen, erstellten erstellten Li und seine Kollegen mit einem 3D-Drucker zwei kleine Strukturen, die zwar noch Miniaturversionen eines künftigen Kraftwerks sind, aber dennoch eindrucksvoll die Machbarkeit des Konzepts illustrieren. Die kleinere Version hatte einen inneren Radius von 35 und einen äußeren Radius von 70 Millimetern, wobei die Wassertiefe von acht Millimetern außen auf sechs Millimeter im Inneren abnahm. Bei einfallenden Wellen von rund fünf oder sieben Hertz verdoppelte sich die Wellenamplitude im Zentrum der Struktur, während der Wellengang außerhalb praktisch unbeeinflusst blieb - der Konzentrator also wie gewünscht unsichtbar blieb.

Die größere Version hatte einen äußeren Radius von 43 Zentimetern, bei einer Wassertiefe, die von zehn Zentimetern außen auf drei Zentimeter im Innern abnahm. Diese Struktur zeigte eine noch höhere Verstärkung der Wellenberge. Je höher der Wellengang im sechzig Meter langen Wasserbecken war, desto größer war der Verstärkungsfaktor der Konzentration. Dieser Effekt war über den gesamten Frequenzbereich von 1,1 bis 1,75 Hertz zu sehen, bei dem die Forscher diese Versuche durchführten. Eine besonders hohe Verstärkung zeigte sich bei rund 1,2 Hertz sowie im Bereich von 1,4 bis 1,5 Hertz, wo die Wellenamplitude bis zu dreifach höher war als die Ursprungswelle. Dabei zeigten die Versuche eine gute Übereinstimmung mit den Erwartungen aus Simulationen.

Abgesehen von der überraschenden Effizienz dieser Anordnung wecken die Versuche nach Ansicht der Forscher aber auch die Hoffnung auf mehr. Wenn sich die Gesetzmäßigkeiten der Transformationsoptik so gut auf die Formung von Wellen übertragen lassen, könnte man ihr reichhaltiges Instrumentarium auch für eine ganze Reihe anderer Lösungen einsetzen.

Funktioniert das auch draußen in der Natur?

Es bleibt zwar abzuwarten, ob sich die speziellen Laborbedingungen wirklich effektiv in die raue Realität an den Meeresküsten übersetzen lassen. Aber je nach Geografie und Zweck sind viele Anwendungen denkbar, von der Stromgewinnung bis zum Küstenschutz - schließlich gehören zu den Erfolgen der Transformationsoptik in jüngerer Vergangenheit auch die Herstellung von Tarnkappen, Wellenrotatoren und dergleichen mehr.

Martin McCall vom Imperial College London, der zu theoretischer Optik arbeitet und an dieser Studie nicht beteiligt war, hält die Arbeit der Forscher aus Xiamen für einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet. Ihm zufolge könnte sich das Verfahren für noch ganz andere Gebiete der Physik einsetzen lassen, die mit Wellen zu tun haben, etwa in der Akustik. Als nächstes wollen Li und Kollegen ihre Anlage in deutlichem größeren Maßstab nachbauen, um die nötigen Dimensionen zu erreichen, die für realistische Versuche zur Stromgewinnung aus Wellenenergie notwendig sind.