Da die Welt weiterhin nach alternativen Brennstoffquellen sucht, um ihren unersättlichen Appetit auf Energie zu stillen und gleichzeitig die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern, kann eine neue Quelle an einem unerwarteten Ort liegen: die Geräusche um uns herum.
Untersuchungen zur Schallenergie dauern seit vielen Jahren an, aber die Nutzung von Schall als Energiequelle befindet sich noch in den Anfängen. In diesem Artikel wird untersucht, was mit Schallenergie gemeint ist, ihre verschiedenen Verwendungen, und seine Lebensfähigkeit als alternative Energiequelle.
Was ist Schallenergie?
Es gibt viele verschiedene Arten von Energie, und Schallenergie resultiert aus den Schwingungen von Schallwellen.
Aber wie passiert das eigentlich? Wenn eine Störung ein Objekt oder eine Substanz zum Vibrieren bringt, wandert die durch die Vibration erzeugte Energie als Schallwellen durch das Objekt. Das vibrierende Objekt oder die vibrierende Substanz muss entweder fest, flüssig oder gasförmig sein.
Etwas so Grundlegendes wie das Winken unserer Hände in einer Substanz wie Luft würde genug Vibrationen verursachen, die zu Schallwellen führen. Die auf diese Weise erzeugten Schallwellen sind nicht laut genug, um von Menschen gehört zu werden, aber das Prinzip ist dasselbe für Schallwellen, die für unser Trommelfell hörbar sind. Die Schwingungen bewirken, dass Moleküle in der Substanz ineinander stoßen und einen Anstoßeffekt erzeugen, der zur Erzeugung von Schallwellen führt.
Es gibt zwei Haupttypen von Wellen: longitudinale (oder Kompressions-) Wellen und transversale Wellen. Longitudinalwellen entstehen, wenn sich die Wellen in die gleiche Richtung bewegen wie die auf die Substanz einwirkende Kraft. Bereiche, in denen die Wellen am kompaktesten sind, werden Kompressionen genannt; Die Bereiche, in denen die Wellen am weitesten ausgedehnt sind, werden als Verdünnungen bezeichnet.
Transversale Wellen bewegen sich dagegen in einer Richtung, die senkrecht zur aufgebrachten Kraft steht. Während Longitudinalwellen in einer von drei Substanzen — Feststoffen, Flüssigkeiten oder Gasen — auftreten können, können sich Transversal-Wellen nur durch Feststoffe bewegen.
Die Schwingungen, die diese Schallwellen erzeugen, werden von unseren Ohren gefühlt, was sie dann sinnvoll macht. Damit menschliche Ohren eine Schallschwingung erkennen können, muss sie sich zwischen 20 Schwingungen pro Sekunde und 20.000 Schwingungen pro Sekunde bewegen. Mehr Schallschwingungen pro Sekunde zeigen einen höheren Ton an. Diese Schallschwingungen werden in Hertz gemessen und bezeichnen die Frequenz eines Schalls.
Die Lautstärke eines Tons wird jedoch in Dezibel (dB) gemessen, wobei die normale Konversation bei etwa 60 dB liegt.
Wie wird Schallenergie genutzt?
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Obwohl die Aufmerksamkeit auf Schallenergie als möglichen Ersatz für andere Stromquellen ein relativ neues Phänomen ist, gibt es Beispiele für Schallenergie, die wir Menschen seit langem für lebenswichtige Aktivitäten nutzen.
Ein Beispiel für Schallenergie hat dazu beigetragen, Leben zu retten. Wenn Piloten aus einem Flugzeug mit Motorproblemen aussteigen und auf See untergehen, können sie eine kleine Sprengladung freisetzen, die Schallenergie abgibt.
Der Schall eines kleinen Sprengstoffs bewegt sich Tausende von Metern in der Tiefsee, weil er im tiefen Schallkanal gefangen ist, der als SOFAR oder Sound Fixing and Ranging Channel bekannt ist. Der Schall kann dann von speziellen Geräten im Meer aufgenommen und der Standort des abgestürzten Piloten ermittelt werden, um deren Rettung zu ermöglichen.
Ein weiteres Beispiel für Schallenergie ist vielen von uns bekannt — die Verwendung von Ultraschall. Ultraschall besteht aus sehr hochfrequenten Longitudinalwellen, mit denen Gallen- und Nierensteine aufgebrochen werden können. Es wird auch häufig für medizinische Bildgebungszwecke während der Schwangerschaft einer Frau verwendet.
Ein drittes Beispiel für Schallenergie ist eines, das normalerweise nicht mit Menschen in Verbindung gebracht wird — Echoortung. Es ist allgemein bekannt, dass Tiere wie Delfine, Wale und Fledermäuse Echoortung verwenden, um ihnen bei der Navigation und Jagd zu helfen. Diese Kreaturen senden Schallwellen aus, die von Objekten abprallen und als Echos zu ihnen zurückkehren, die ihnen den Ort der Beute oder Hindernisse auf ihrem Weg anzeigen.
Aber wussten Sie, dass manche Menschen auch Echoortung verwenden? Einige blinde und sehbehinderte Menschen tun dies, indem sie mit ihren Zungen Klickgeräusche machen oder mit ihren Stöcken klopfen. Die Schallwellen, die sie erzeugen, prallen von Objekten ab und dienen dazu, sie über ihre Position, Größe und Textur zu informieren.
Kann Schallenergie fossile Brennstoffe ersetzen?
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In den letzten Jahrzehnten haben Forscher Schallenergie als eine der erneuerbaren Energieformen untersucht. Die Forscher sind daran interessiert, weil Schallenergie zwei Arten von mechanischer Energie enthält — potentielle und kinetische —, was bedeutet, dass sie die Fähigkeit hat, Arbeit zu verrichten. Erfahren Sie mehr in unserem Leitfaden, der den Unterschied zwischen potentieller und kinetischer Energie erklärt.
Die Technologie zur Nutzung von Schallenergie als Energiequelle hat jedoch noch nicht das Stadium erreicht, in dem sie in großem Maßstab eingesetzt werden kann. Zum Beispiel erzeugt das Geräusch eines Druckluftbohrers, das die meisten von uns als zu intensiv empfinden, nur ein Hundertstel Watt Energie pro Quadratmeter, während Sonnenenergie auf derselben Fläche bis zu 680 Watt erzeugen würde.
Dennoch macht die Verbreitung von Klängen in unserer Umwelt die Nutzung von Schallenergie für die Stromversorgung zu einer verlockenden Aussicht. Wissenschaftler bezeichnen dies als akustische Energiegewinnung, und die Erforschung ihres Potenzials als Energiequelle konzentrierte sich hauptsächlich auf drei Technologien: Helmholtz-Resonatoren, akustische Metamaterialien und thermoakustische Motoren. Schauen wir uns alle drei genauer an.
Helmholtz-Resonatoren
Helmholtz-Resonatoren werden zur Verstärkung oder Absorption von Schall eingesetzt. In einem Experiment nutzten die Forscher diese Eigenschaft, um Geräusche an einem Bahnhof zu erfassen und zu verstärken. Anschließend wandelten sie die Schallenergie mit Hilfe eines Stromgeneratormoduls in elektrische Energie um. Die resultierende Leistung reichte aus, um kleine elektronische Geräte zu betreiben.
Akustische Metamaterialien
Diese Arten von Materialien wurden entwickelt, um Schallwellen zu manipulieren, um ein bestimmtes Ziel zu erreichen. Diejenigen, die entwickelt werden, um Schallenergie zu nutzen, verstärken sowohl eingehende Schallwellen als auch konzentrieren die Energie aus den Schallwellen, um ihre Umwandlung in elektrische Energie zu ermöglichen. Piezoelektrische Strukturen werden üblicherweise zum Entwerfen akustischer Metamaterialien verwendet.
Thermoakustische Motoren
Diese Motortypen wandeln Wärme in Schallenergie um, aus der dann elektrische Energie gewonnen wird. Thermoakustische Motoren gelten als einfache und zuverlässige Technologie. Im Gegensatz zu den beiden anderen ist es jedoch auf eine externe Stromversorgung angewiesen, um den Energy-Harvesting-Prozess voranzutreiben. Zu seinen Anwendungen gehört die Rückgewinnung von Abwärme aus Autoabgasen zur Reduzierung von Emissionen, die dann in Schallenergie umgewandelt wird, aus der elektrische Energie gewonnen wird.
Diese Methoden der akustischen Energiegewinnung sind jedoch in ihrer realen Anwendung begrenzt. Ein Grund dafür ist, dass einige Methoden nur mit einem schmalen Frequenzband arbeiten, während viele der für die Schallernte im modernen Leben verfügbaren Klänge im breitbandigen Frequenzbereich liegen. Eine weitere Einschränkung besteht darin, dass die zum Sammeln von Klängen verwendeten Bereiche, wie im Fall von akustischen Metamaterialien, typischerweise sehr klein sind, so dass nicht viel Energie gesammelt werden kann.
Ist Schallenergie eine erneuerbare Energiequelle?
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Die Nutzung von Energie aus Akustik als erneuerbare Energiequelle befindet sich noch in der experimentellen Phase. Ein solches Experiment erfasste den Lärm, der an drei Bushaltestellen erzeugt wurde. Mit Hilfe von akustischen Metamaterialien, nämlich piezoelektrischen, wandelte es dieses Rauschen in elektrische Energie um.
Die Forscher sagten, ihr Ziel sei es, den Einsatz nicht erneuerbarer Energiequellen zu reduzieren und gleichzeitig „grüne, nachhaltige elektrische Energie“ zu erzeugen, die zur Stromversorgung von Straßenlaternen verwendet werden könnte. Die Orte, an denen sie Schall einfingen, hatten routinemäßig einen Geräuschpegel von etwa 80 Dezibel, und die aufgenommene Energie ergab etwa 0,024 Wattstunden aus einer Fläche von etwa 1,5 Quadratmetern.
Einige wenige Unternehmen scheinen jedoch mit der Nutzung dieser Energieform im kommerziellen Maßstab vorangekommen zu sein. Eine vom Department of Energy finanzierte Technologie, bekannt als ResonantAcoustics Mixing (RAM), die von Resodyn Corp. entwickelt wurde, wird für den Einsatz in Branchen vermarktet, die das Mischen als Hauptbestandteil ihres Produktionsprozesses durchführen.
Schallschwingungen werden zum Mischen von Flüssigkeiten und Schlämmen verwendet, beispielsweise bei der Herstellung von Keramik, Lebensmitteln und Pharmazeutika sowie bei der Wasseraufbereitung. Bisher hat das Unternehmen die Mischer sowohl in den USA als auch in Übersee verkauft und Mischer mit sehr unterschiedlichen Kapazitäten eingeführt.
Eine weitere kommerzielle Anwendung von Schallenergie als erneuerbare Energie wird vom Flugzeughersteller Boeing durchgeführt. Das Unternehmen meldete 2015 ein Patent für eine Technologie an, die die Geräusche von Jets, die an Flughäfen abheben, ernten und in Strom umwandeln würde, um sie als Strom zu nutzen.
Eine weitere patentierte Schallenergieanwendung wurde von Forschern der RMIT University in Australien entwickelt. Die Wissenschaftler dort haben eine Technologie patentiert, die hochfrequente Schallwellen verwendet, um Impfungen durch Inhalation anstelle von Nadeln zu verabreichen.
Eine noch bodenständigere Anwendung der Schallenergietechnologie ist ein von Forschern der University of Nottingham entwickelter Schallkocher, der Schallenergie zur Stromerzeugung für den Antrieb von Öfen verwendet. Die Öfen, die 36 Watt Strom produzieren, wurden in Asien getestet. Es gilt als transformative Technologie, da viele Menschen in Afrika südlich der Sahara und in einigen Teilen Asiens keine Stromversorgung haben.
Kann Schallenergie gespeichert werden?
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Das gleiche Problem, das die Aufnahme der meisten Formen erneuerbarer Energien für mehrere Jahre behindert hat, stellt sich bei Schallenergie: Wie speichern Sie die Energie, nachdem Sie sie erfasst haben?
Typischerweise ändert jede Art von mechanischer Welle, einschließlich Schallwellen, ihre Form, wenn sie mit einem Objekt in Kontakt kommt. Ein Teil davon wird von dem Material absorbiert, mit dem es in Kontakt kommt, oder es wird gestreut. Wenn die Schallwellen absorbiert werden, werden sie zu einer anderen Energieform.
Forscher haben eine Möglichkeit entwickelt, Schallenergie so lange zu speichern, bis sie benötigt wird, damit sie nur bei Bedarf in elektrische Energie umgewandelt wird. Bekannt als kohärente virtuelle Absorption, stört die Technik im Grunde die Art und Weise, wie Schallwellen typischerweise mit Materialien interagieren, damit die Energie gespeichert werden kann, anstatt verloren zu gehen oder in elektrische Energie umgewandelt zu werden, bevor sie benötigt wird.
Vor fast zwei Jahrzehnten wurde eine Technologie zur Speicherung von Energie aus Schall zum Patent angemeldet. Es beinhaltet die Verwendung von Schwungrädern, die elektrische Energie über lange Zeiträume speichern würden, und galt als besonders nützliches Gerät zur Speicherung in abgelegenen Gebieten.
Ob eine dieser Technologien und Patente irgendwann zum Mainstream wird oder für den Einsatz in großem Maßstab entwickelt wird, bleibt abzuwarten. Sie heben jedoch hervor, dass sich die Forscher der dringenden Herausforderung stellen, Alternativen zu umweltschädlichen fossilen Brennstoffen zu finden, die den Klimawandel und Naturkatastrophen weltweit vorantreiben. Solche Bemühungen sind daher zu begrüßen.
Ist Schallenergie nur für Ihre Ohren?
Wie dieser Artikel zeigt, erfüllt Schallenergie weit mehr als das Bedürfnis von uns Menschen zu kommunizieren, sei es durch den Gebrauch von Musikinstrumenten oder Sprache. Der Artikel hat einige der vielen möglichen Anwendungen der Wissenschaft gezeigt, die hinter der Art und Weise steht, wie Schallenergie aufgrund von Luftmolekülen und den erzielten technologischen Innovationen fließt. Solche Forschungen werden vielleicht zu akustischen Geräten führen, die sehbehinderten Menschen eine noch größere Unabhängigkeit ermöglichen. Möglicherweise werden auch neue Wege entdeckt, um verlorene Personen oder Gegenstände zu finden oder diese erneuerbare Ressource für Strom zu nutzen.
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