MAGIC Motor
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Der MAGIC Motor ist ein wichtiger Bestandteil des Magnesiumkreislaufs der das Kernelement der Magnesiumwirtschaft darstellt, wie sie von Professor Takashi Yabe vorgestellt und erforscht wird.
Das Acronym MAGIC bedeutet im Englischen Magnesium Injection Cycle übersetzt etwa Magnesiumkreislauf-Einspritzmotor. Der MAGIC Motor ist der Entwurf einer Wärmekraftmaschine die zurzeit von der Mitsubishi Corporation und der Technischen Hochschule Tokio entwickelt wird. Das Projekt befindet sich im experimentellen Stadium. Der Motor verbrennt Magnesium und Wasser, um heißen Dampf und daraus mechanische Energie zu erzeugen. Er benötigt keine fossilen Treibstoffe. [1] [2] [3] Des Weiteren nutzt der Energiekreislauf mit Sonnenenergie betriebene Laser.
2 Grundstoff: Magnesium
3 Energiedichte
3.1 Vergleich mit anderen Energieträgern und -speichern
4 Energiekette und Materialkreislauf
4.1 Extraktion von Magnesium aus Meerwasser
4.2 Reduktion des Magnesiumoxids mit Sonnenenergie
4.3 Der Motor
4.3.1 Chemische Reaktionen
5 Anwendungen
6 Vergleich Magnesiumkreislauf und Wasserstoffkreislauf
7 Zukunft
2005 - Ein Gemeinschaftsprojekt zwischen Mitsubishi und derTechnischen Hochschule Tokio wird gegründet.
2006 - Entwicklung eines Prototyps eines Kohlenstoffdioxid (CO2) freien Motors der erfolgreich funktionierte.
2007 - Professor Yabe will den Motor aus Anlass des G8-Gipfel in Tōyako 2008 in Chitose, Japan vorführen.[2]
2008 - Solar-Laser arbeitet mit 80 W[4]
Grundstoff: Magnesium[Bearbeiten]
→ Siehe auch Hauptartikel: Magnesium.
Magnesium ist ein Metall, leichter als Aluminium und besitzt einen weißlichen, silbrigen Glanz. Meerwasser enthält Magnesium im Überfluss, mehr als 1 kg/m³, etwa 1800 Billionen Tonnen.[5] Magnesium ist hochreaktiv, wenn es mit Wasser zusammentrifft verbrennt es sehr schnell. Es ist ebenso leicht entzündlich wie Wasserstoff. Andererseits entzündet sich festes Magnesium bei Temperaturen unter 650 °C nicht, es kann bei Raumtemperatur aufbewahrt werden. Es kann tatsächlich länger als 10 Jahre gespeichert werden.
Energiedichte[Bearbeiten]
→ Siehe auch Hauptartikel: Energiedichte.
Die Energiedichte von Magnesium ist recht hoch. Die Reaktion zwischen Magnesium und Wasser erzeugt viel Wärme. Gleichzeitig wird Wasserstoff erzeugt. Dieser Wasserstoff kann gleichzeitig verbrannt werden und erzeugt weitere Wärme. Durch diesen Vorgang kann eine große Menge von Wasserdampf mit hohem Druck und hoher Temperatur erzeugt werden. Mit diesem Dampf können Turbinen angetrieben werden um mechanische oder elektrische Leistung zu erzeugen. In diesem Fall lassen sich aus einem Kilogramm Magnesium 25 Mega-Joules Wärmeenergie erzeugen. Enthalten ist die Energie, die beim Verbrennen das Wasserstoffes frei wird.
Zum Vergleich: Beim Verbrennen von einem Kilogramm Kohle werden 30 Mega-Joules Wärmeenergie frei, etwas mehr als bei Magnesium.[6]
In der Tabelle sind verschiedene Energieträger und Energiespeicher aufgeführt, die für eine Anwendung in Fahrzeugen in Frage kommen. Unter den erneuerbaren Energieträgern hat Magnesium die höchste Energiedichte.
Vergleich mit anderen Energieträgern und -speichern[Bearbeiten]
Stoff/System
Energiedichte in MJ/kg
fossil/erneuerbar
Bemerkung, Anwendung
Bleiakkumulator
erneuerbar
Notebook-Akku, Handy
Li-Ionen-Akku
Bereich: 0,36–0,5 MJ/kg,[8] letztere Zahl siehe: Akkumulator
Wasserstoff (inkl. Hydridtank)
inkl. Wasserstoff-Verbrennung[6]
Erdgas
Brennwert
Dieselkraftstoff
Wasserstoff (ohne Tank)[9]
1 J = 1 Ws; 1 MJ = 0,2778 kWh; 1 kWh = 3,6 MJ
Energiekette und Materialkreislauf[Bearbeiten]
Extraktion von Magnesium aus Meerwasser[Bearbeiten]
Durch Verdampfen von Meerwasser kann man Magnesiumchlorid gewinnen. Mit Hilfe des Solar-Lasers kann man daraus reines Magnesium herstellen.
Das Magnesiumchlorid im Meerwasser enthält chemisch gebundenes Wasser. Wird es erhitzt entsteht Magnesiumoxid und Salzsäure.
Reduktion des Magnesiumoxids mit Sonnenenergie[Bearbeiten]
Pulverförmiges Magnesiumoxid
Wenn man ohne Katalysator arbeitet, benötigt man eine Temperatur von 20.000 °C um Magnesiumoxid in Magnesium und Sauerstoff aufzuspalten.
Das Magnesium wird durch einen mit Sonnenenergie betriebenen Laser aus dem Oxid zurückgewonnen. Die Entwicklung dieses Lasers ist bereits weit fortgeschritten, er arbeitet folgendermaßen:
Mit Sonnenlicht betriebener Laser in Chitose, Japan
Das einfallende Sonnenlicht wird mit einer 4 m2 großen Fresnel-Linse aus Kunststoff auf eine Fläche von etwa 6 cm2 fokussiert. Ein solcher Punkt kann allerdings höchstens so heiß werden, wie die Oberfläche der Sonne, also etwa 6000 °C. Das Sonnenlicht besteht aus Licht mit verschiedenen Wellenlängen: Ultraviolet, sichtbares Licht, Infrarot-Licht. Das fokussierte Sonnenlicht betrahlt ein Cr-dotiertes Nd:YAG keramisches Material. Dieses Material ist in der Lage Sonnenlicht aus verschiedenen Spektralbereichen von blauem Licht (ca. 400 nm) bis zu nahem Infrarot (ca. 900 nm) in nahes Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von 1064 nm zu konvertieren. Der Laserstrahl wird durch eine Linse auf eine Fläche von weniger als 6 mm2 fokussiert, um extrem hohe Temperaturen zu erzeugen.[4]
Mit dem extrem heißen Lichtstrahl wird für sehr kurze Zeit (0,2 s) Magnesiumoxid-Pulver betrahlt, die Oberfläche vedampft und das entstehende Gas enthält zu ca. 30 % Magnesium. Das gasförmige Magnesium wird rasch durch ein inertes Gas (z.B. Argon) abgekühlt, damit es nicht mit Luftsauerstoff reagieren kann. Das Magnesium wird als Substrat abgelagert.
Weitere Versuche legen nahe, daß diese Umwandlung von Magnesiumoxid in Magnesium mit einem Wirkungsgrad von 45 % arbeiten kann.[10]
Der Motor[Bearbeiten]
Die chemische Reaktion zwischen Magnesium (in pulverisierter Form) und Wasser bei Raumtemperatur erzeugt energiereichen Dampf und Wasserstoff. Gleichzeitig wird der Wasserstoff verbrannt und dabei noch weiterer energiereicher Dampf erzeugt. Diese beiden Dampfquellen treiben den Motor an. Der Energiezyklus erzeugt kein CO2 oder andere schädliche Emissionen. Die einzigen Endprodukte der Reaktion sind Wasser und Magnesiumoxid.
Trotzt seiner kleinen Abmessungen (Durchmesser ca. 5 cm , Höhe ca. 13,5 cm), kann der Motor eine Wärmeleistung von mehreren Dutzend kW erzeugen, die in mechanische Leistung umgesetzt werden.[3]
Die Motorentwicklung wurde geleitet von Professor Takashi Yabe mit der Unterstützung von Professor Ikuta und anderen von der Technischen Hochschule Tokio in Kooperation in Ono Denki Seisakusho, K.K. einem Hersteller aus Shinagawa, Tokio.
Chemische Reaktionen[Bearbeiten]
Im MAGIC-Motor wird Magnesium mit Wasser "verbrannt":
gleichzeitig wird der entstehende Wasserstoff mit Luftsauerstoff verbrannt:
Anwendungen[Bearbeiten]
Es ist vorgesehen, den Motor in Wärme-Kraft-Kopplungsanlagen, Fahrzeugen, Schiffen und vielen anderen Gebieten zu verwenden.
Vergleich Magnesiumkreislauf und Wasserstoffkreislauf[Bearbeiten]
Bei gleichem Volumen ist Magnesium viel schwerer als Wasserstoff. Will man Wasserstoff speichern, benötigt man einen stabilen Tank. Der Wasserstoff entweicht sehr leicht, falls der Tank beschädigt wird. Magnesium kann bei Raumtemperatur aufbewahrt werden. Es kann tatsächlich länger als 10 Jahre gespeichert werden.
Wasserstoff benötigt spezielle Einrichtungen und kann nicht so einfach gespeichert werden. Um die Energie zu speichern, die ein 1000-MW-Kraftwerk an einem Tag (in 24 Stunden) erzeugt (100 * 1012 Joule) benötigt man bei Wasserstoff bei einem Druck von einem bar einen Tank mit den Abmessungen 1 km × 1 km × 10 m. Dieselbe Energiemenge kann man mit Magnesium in einem Tank der Größe 15 m × 15 m × 10 m speichern. [11]
Zukunft[Bearbeiten]
In einer Ankündigung im Jahr 2006 wird erklärt, dass weitere Forschung geplant sei, mit dem Ziel der Markteinführung nach drei Jahren.[1][3] Seither wurden keine aktualisierten Pläne veröffentlicht.
Wasserstoffwirtschaft
Erneuerbare Energie
Takashi Yabe, Tatsuya Yamaji: The Magnesium Civilization: An Alternative New Source of Energy to Oil. Pan Stanford Publishing, 2010, ISBN 978-981-4303-65-1.
Takashi Yabe, Shigeaki Uchida, Kunio Yoshida, Kazunari Ikuta und Takafumi Okamoto: An Overview of Entropia Laser Initiative, AIP Conf. Proc., May 2, 2006, Volume 830, S. 21-30 (englisch)
Mohamed S. MOHAMED, Takashi YABE, Choijil BAASANDASH, Yuji SATO, Yuichi MORI, Hiroki SATO und Shigeaki UCHIDA: Laser Induced Magnesium Oxide Reduction for Renewable Energy Cycle with Solar Power, The Review of Laser Engineering, Vol. 36, 2008, APLS Supplemental Volume 2008, S. 1199, englisch, mit link zu PDF.
"The Magnesium Civilization"
"Magnesium and the Sun", YouTube Video (englisch)
↑ a b "CO2-Free Engine Powers Up", (englisch) Webauftritt von Mitsubishi
↑ a b "Clean Magnesium Energy Cycle Hints at Fossil Fuel Freedom", (englisch) von Steve Levenstein, 27. Juli 2007, InventorSpot.com
↑ a b c "TIT & Mitsubishi Prototypes Pollution-free Engine Excluding Fossil Fuel", (englisch) von Motohiko Hamada and Nikkei Monozukuri, techon.nikkeibp.co.jp
↑ a b "An economical “Solar-pumped laser” produces ultra high temperature", (englisch) www.mgciv.com
↑ "What is Magnesium-based energy cycling", (englisch) www.mgciv.com
↑ a b "Magnesium can be burned at power generation plants", (englisch) www.mgciv.com
↑ Energizer Produkt-Webseite: NiMH-Akku Bauform AA mit 2500 mAh, 1,2 V, 30 g
↑ a b Rolf Zinniker: Merkblatt Batterien und Akkus. 25. August 2003, abgerufen am 3. Mai 2011 (PDF; 151 kB). ↑ Louis Schlapbach, Andreas Züttel: Hydrogen storage materials for mobile applications, Nature 414, 2001
↑ "Can a laser smelt magnesium?", (englisch) www.mgciv.com
↑ "Magnesium is fuel", (englisch) www.mgciv.com
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