Konzentrierte Wellenkraft

  • 12. September 2018

Methoden der Transformationsoptik erweisen sich auch für Wellenkraftwerke als interessant.

Ein Ausbau regenerativer Energien ist unver­meidlich. Während Windkraft und Solarenergie aber in den letzten Jahren stark gewachsen sind und global weiter auf dem Vormarsch sind, hat die Wasserkraft mit steigenden Wider­ständen zu kämpfen. In den großen Industrie­nationen sind ihre Möglichkeiten weitgehend 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.

Abb.: Mit Hilfe solcher konzentrischer Platten lässt sich der Wellenamplitude im Innern auf ein Mehrfaches erhöhen. (Bild: C. Li et al., APS)

Abb.: Mit Hilfe solcher konzentrischer Platten lässt sich der Wellenamplitude im Innern auf ein Mehrfaches erhöhen. (Bild: C. Li et al., APS)

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 schließlich darin, dass sich die Wellen­energie über die ganze Küste verteilt und es deshalb sehr aufwändig 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 guter Teil der Wellenenergie dadurch verloren, dass die Wellen zum Teil reflektiert werden. Am Wellen­bild lässt sich das gut daran ablesen, dass die ein- und auslaufenden Wellen eine kabbelige See erzeugen.

Die chinesischen Forscher um Chunyang Li hatten nun die Idee, bekannte Methoden der Trans­formations­optik einzusetzen, um derartige Reflexions­verluste möglichst zu minimieren. Dies ist möglich aufgrund der Ähnlichkeit der Wellen­gleichungen. Die bekanntesten Beispiele bislang 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.

Um herauszufinden, ob das mit Wasser ebenso möglich ist, berechnete das Forscherteam die optimalen Bedingungen, unter denen die Wellen so wenig wie möglich zurück­geworfen wurden. Dabei nutzten sie Fabry-Pérot-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, so dass sich die Resonanzen durch einen passend geeigneten Tiefe­gradienten einstellen lassen. Im Optimalfall wächst dadurch die Höhe der Wellen­berge bei den gängigen Frequenzen der Meeres­wellen, während zugleich kaum Energie reflektiert wird, der Konzen­trator als quasi „unsichtbar” bleibt.

Mit Hilfe eines 3D-Druckers erstellten die Li und Kollegen 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 Innern 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 waren die nicht­linearen Effekte und umso höher war auch der Verstärkungs­faktor. 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 dabei 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 deren reich­haltiges Instrumen­tarium auch für eine ganze Reihe anderer Lösungen einsetzen. Es bleibt zwar abzuwarten, ob sich die speziellen Labor­bedingungen wirklich effektiv in die raue Realität an den Meeres­küsten übersetzen lassen. Aber je nach Geographie 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 sogar 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.

Dirk Eidemüller

JOL

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