In diesem Blogbeitrag untersuchen wir die Möglichkeit, ein neues Material zu entwickeln, das die elektrische Energie von Blitzen speichern kann, und ob dies der Schlüssel zur Lösung von Stromengpässen sein könnte.
„Wusch!“ Wir alle erinnern uns noch gut daran, wie wir uns als Kinder bei Blitzen und Gewittern ängstlich unter der Decke versteckten oder uns vor Freude freuten. Aber haben Sie sich schon einmal Gedanken über Blitze und Donnergrollen gemacht? Und noch wichtiger: Haben Sie schon einmal über die elektrische Energie nachgedacht, die durch Blitze erzeugt wird? Könnten wir die aktuellen Stromengpässe lösen, wenn wir die Technologie hätten, elektrische Energie mit Spannungen von Hunderten Millionen Volt und Stromstärken von 20,000 Ampere zu speichern?
Materialien, die diese Art von Energie speichern können, sind neue Materialien. Die Wörterbuchdefinition eines neuen Materials ist ein Material, das mit Rohstoffen kombiniert werden kann, um neue Leistungsmerkmale und Verwendungsmöglichkeiten zu schaffen, die es vorher noch nie gab. Wir werden über Werkstofftechnik sprechen, also den Prozess der Entwicklung neuer Materialien, die die Energie von Blitzen einfangen können, sowie Materialien für viele andere Anwendungen.
Technologien zur Speicherung von Elektrizität sind seit langem Gegenstand der Forschung, angefangen mit der Leidener Flasche im Jahr 1745. In den frühen Tagen der Forschung wurde ein Glasgefäß mit Wasser gefüllt und verkorkt, und ein Draht oder Nagel wurde durch den Korken getrieben, um das Wasser im Gefäß zu berühren. Um das Gefäß aufzuladen, wurde das freiliegende Ende des Drahtes an ein Gerät gehalten, das Reibungselektrizität erzeugte. Wenn der Draht nach Unterbrechung des Kontakts in der Hand gehalten wurde, war ein elektrischer Schlag zu spüren, was bewies, dass Elektrizität gespeichert war. Diese Geräte wurden weiter verfeinert und führten schließlich zum modernen Kondensator.
Der Kondensator, der aus der Leidener Flasche hervorgegangen ist, ist ein Gerät, das Ladung in einem Stromkreis sammelt. Sie fragen sich vielleicht, was das mit Materialien zu tun hat. Blitze erzeugen für kurze Zeit enorme Spannungen und Ströme. Um diese elektrische Energie zu speichern, benötigen wir einen Kondensator, der für kurze Zeit viel Energie speichern kann. Die Entwicklung der in diesen Kondensatoren verwendeten Materialien ist die zentrale Aufgabe der Materialwissenschaft.
Das Konzept der Energiespeicherung ist jedoch möglicherweise nicht sinnvoll, wenn Sie nicht wissen, wie Blitze so viel Energie haben. Lassen Sie uns also darüber sprechen, wie Blitze entstehen und welche elektrische Energie sie enthalten. Der Prozess eines Blitzeinschlags kann in zwei Hauptschritte unterteilt werden. Der erste ist die Elektrifizierung von Wasser und Eis in den Wolken und der zweite ist die elektrostatische Anziehung zwischen den Wolken und dem Boden.
In Gewitterwolken reiben Wassertropfen und kleine Eiskristalle durch den Wind aneinander. Durch diese Reibung werden die Partikel in der Wolke elektrisch aufgeladen. Das Eis entzieht dem Wasser Elektronen und lädt es so (+) auf, während die Wassertropfen, die relativ mehr Elektronen besitzen, eine (-) Ladung haben.
Bevor es zu regnen beginnt, sammeln sich die schwereren Wassertropfen in den Wolken am unteren Ende der Wolke, wodurch die untere Seite der Wolke negativ geladen wird, weil sie mehr Elektronen hat, und die obere Seite der Wolke positiv geladen wird, weil sie weniger Elektronen hat. Wenn sich genug negative Ladung am unteren Ende der Wolke sammelt, erscheint ein Blitz als helle Lichtkugel am unteren Ende der Wolke. Dies ist eigentlich eine Ansammlung negativ geladener Elektronen in den Wolken. Wenn diese Elektronen nun auf den Boden fallen, schlägt ein Blitz ein. Aber warum fallen die Elektronen in den Wolken auf den Boden?
Auch der Boden ist geladen, und der größte Faktor, der die Bildung von Ladungen auf dem Boden beeinflussen kann, ist die Anordnung der Ladungen in den Wolken. Die starken negativen Ladungen am unteren Ende der Wolken üben einen Sog auf die Elektronen am Boden aus und drücken sie weg, sodass der Boden relativ positiv geladen bleibt.
Dadurch entsteht eine elektrische Anziehung zwischen den positiv geladenen Atomen auf dem Boden und den negativen Ladungen am unteren Ende der Wolke, wodurch die Elektronen von der Wolke auf den Boden fallen und Elektrizität zu fließen beginnt. Das zuckende Licht am Himmel, das wir Blitze nennen, ist der Weg, den die Elektronen nehmen, wenn sie mit Atomen in der Luft kollidieren. Dabei geben die Atome in der Luft, die mit dem Blitz kollidieren, Wärme und Licht ab, wodurch der Blitz noch heller wird. Mit anderen Worten: Das Licht eines Blitzes ist das Licht von Elektronen, die auf ihrem Weg zum Boden mit der Luft kollidieren.
Blitze entstehen, wenn unzählige Wassertropfen in einer Wolke unter Strom stehen und zu Boden fallen. Die dabei entstehende Spannung und Stromstärke können Hunderte Millionen Volt und 20,000 Ampere betragen. Um diese elektrische Energie zu speichern, wird ein neues Material benötigt. Die Materialien für die Metallplatten von Akkumulatoren sind ein Beispiel für die Forschung der Fakultät für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik.
Nach bisherigen Forschungsergebnissen wird in Japan besonders intensiv an der Verwendung von Batterien geforscht. Blitzeinschläge sind jedoch selten und ungleichmäßig lokalisiert, was die Forschung erheblich erschwert. Daher erscheint diese Forschung aus wirtschaftlicher Sicht wenig sinnvoll. Nutzt man jedoch die im Sommer häufigen Regenfälle und Blitze, könnten Blitze einen großen Beitrag zur Lösung der schweren Stromengpässe leisten, die wir nicht nur im Sommer, sondern zu allen Jahreszeiten erleben.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Blitze bei ihrer Entstehung enorme Energiemengen erzeugen. Sie haben eine Spannung von 100 Millionen Volt, und wenn wir diese Energie speichern können, könnten wir unsere Energieprobleme lösen. In der Materialwissenschaft entwickeln wir Materialien für den Alltag, wie Fasern, Halbleiter und neue Werkstoffe. Noch ist es schwierig, eine Technologie zu entwickeln, die explosive Energie augenblicklich speichert, aber mit mehr Zeit und Forschung ist zu erwarten, dass wir Materialien entwickeln können, die Blitzenergie speichern können.
