Dielektrische Elastomer-Generatoren

Dielektrische Elastomer Membranen sind interessant für "energy harvesting", weil sie leicht und billig sind. Solche Elastomer Generatoren versprechen hohe Werte für die erzielbare Energie pro Masse und sind daher auch aus ökonomischen Gesichtspunkten interessant für Anwendungen auf großer und kleiner Skala. Derzeit ist das volle Potential solcher Elastomer Generatoren nicht bekannt. Auf der Basis von verfügbaren Materialdaten des üblicherweise eingesetzten Acryl-Elastomers 3MVHB4910, konnten Zhigang Suo und seine Mitarbeiter von der Harvard Universität eine Energiedichte bis zu 1.7 J/g ableiten. Dielektrische Elastomer Generatoren arbeiten mit deformierbaren Plattenkondensatoren, bei denen die Kapazität mechanisch durch das Ausüben von Kräften und elektrisch, durch das Anlegen einer elektrischen Spannung geändert werden kann. In Graphiken von intensiven über extensiven Zustandsgrößen, wie Druck über Dehnung sowie Spannung über elektrische Ladung können durch das Auffinden von Grenzuständen Regionen identifiziert werden, die für Elastomer Generatoren zugänglich sind. In solche Graphiken können thermodynamische Kreisprozesse mit maximalem Flächeninhalt eingetragen werden, die zu maximalen Energieerträgen beim "energy harvesting" führen. In einem dielektrischen Elastomer Generator werden elektrische Ladungen auf niedrigem Spannungspotential gesammelt und über elektromechanische Energiewandlung auf hohem Potential gespeichert. Obwohl es natürlich erscheint mit solchen thermodynamischen Überlegungen dielektrische Elastomer Generatoren zu beschreiben, gibt es nur wenige und unvollständige Studien um das Potential dieser Methode des "energy harvestings" auszuloten. In diesem Projekt sollen dielektrische Elastomer Generatoren in einem Computer kontrollierten Laboratorgenerator untersucht werden. Alle notwendingen mechanischen und elektrischen Parameter werden dabei kontinuierlich bestimmt um die Konstruktion von Diagrammen von konjuguerten Zustandsgrößen zu erlauben. Es ist geplant, das Potential des Acrylelastomers 3MVHB4910 und von natürlichem Gummi für Elastomer Generatoren auszuloten. Darüber hinaus sollen alternative Zyklen und neue Materialien, insbesondere interpenetrierende Netzwerke analysiert werden. Es wird erwartet dass das Projekt zu den Grundlagen des "energy harvestings" mit weichen, dehnbaren Materialien beiträgt. Das Projekt wird in Kooperation mir der "Mechanics of Materials and Structures" Gruppe von Zhigang Suo an der Harvard University durchgeführt. Unsere Arbeitsgruppe ermittelt experimentelle Daten die zusammen mit Zhigan Suo`s Team analysiert und bewertet werden. Dadurch ergibt sich eine große Synergie zwischen den komplementären Interessen beider Arbeitsgruppen. Zusammenfassend soll das Potential von Elastomer Generatoren ermittelt werden, basierend auf Modellsystemen wie Akrylelastomeren und natürlichem Gummi, aber auch mit fortgeschrittenen Materialien wie interpenetrierenden Netwzwerken. Ziel des Projektes ist es auch Richtlinien für Ingenieure abzuleiten, die sich mit Energiewandlern auf Basis weicher Materie befassen.

Elastomere, umgangssprachlich auch Gummi genannt, zeigen Potential für Hochtechnologieanwendungen. So könnten beispielsweise Elastomere dazu dienen, die mechanische Energie von Wasserwellen in elektrische Energie zu wandeln. Hierzu wird das Elastomer als mechanisch verformbarer Kondensator ausgeführt, der durch geeignete Prozessschritte direkt mechanische in elektrische Energie wandeln kann. Das Potential dieser erneuerbaren Energiequelle ist signifikant, so könnte fast der gesamte Bedarf an elektrischer Energie der Menschheit durch Wasserwellen gedeckt werden, allerdings ist diese Energiequelle mangels geeigneter Technologien heute fast nicht genützt. Aufbauend auf theoretischen Untersuchungen der Arbeitsgruppe von Professor Zhigang Suo an der Harvard University, konnten wir in enger Kooperation mit dieser Arbeitsgruppe aufzeigen, dass Elastomere großes Potential für die Nutzung erneuerbarer mechanischer Energiequellen aufzeigen. Hierzu wurde in diesem Projekt an der JKU Linz ein experimentelles Verfahren entwickelt, das es gestattet die besten Elastomermaterialien für die elektromechanische Energiewandlung zu identifizieren. Wir benutzen in Analogie zur Thermodynamik einen elektrischen Carnot Prozess mit formveränderbaren Kondensatoren um den Wirkungsgrad der mechanisch elektrischen Energiewandlung zu bestimmen. Unsere Ergebnisse konnten unmittelbar in zwei europäischen Verbundprojekten verwendet werden, um Experimente in Wasserwellentanks unter realistischen Bedingungen durchzuführen. Da überraschend schnell die Projektziele erreicht werden konnten, erweiterten wir signifikant den Fokus des Projektes, wobei Elastomere die im Projekt untersucht wurden auch als Basis für Neuentwicklungen im Gebiet der dehnbaren Elektronik dienten. Dieses neue Gebiet der Elektronik verspricht weitreichende Anwendungen in mobiler Elektronik und Gesundheit.