Patent US11232880B2 - Lattice Energy Conversion Device - Gordon-Whitehouse

Vorrichtung zur Konvertierung von Gitterenergie

Patent
Patentnummer	US11232880B2
Bezeichnung	Lattice Energy Conversion Device
Anmelder	Frank E. Gordon, Harper John Whitehouse
Erfinder	Frank E. Gordon, Harper John Whitehouse
Anmeldetag	28.05.2021
Veröffentlichungstag	25.01.2022
Erteilungstag	25.01.2022

Zusammenfassung

„Es wird ein Gitterenergiekonverter (Lattice Energy Converter - LEC) offengelegt, der auf der Grundlage der thermischen Energie im Gitter eines eigens dafür angefertigten Arbeitselementes ionisierende Strahlung und/oder elektrische Energie erzeugt, welches ganz oder zum Teil aus einem Wirtsmaterial für Wasserstoff besteht und von Wasserstoff oder Wasserstoffisotopen eingeschlossen ist, wobei das Wirtsmaterial für Wasserstoff Leerstellen, überreichlich vorhandene Leerstellen (Superabundant Vacancies - SAV) und andere Gitterdefekte aufweisen kann. Es hat sich gezeigt, dass der LEC die Erzeugung ionisierender Strahlung von selbst auslöst, sobald das Wirtsmaterial für den Wasserstoff von Wasserstoff eingeschlossen ist, und dass der LEC die Erzeugung ionisierender Strahlung von selbst aufrechterhält, sobald die Wirtsmaterialien für den Wasserstoff in strömungstechnischem Kontakt mit einem Gas oder Dampf stehen, in dem Wasserstoff oder Wasserstoffisotope enthalten sind. Besitzt der LEC darüber hinaus eine oder mehrere zusätzliche Elektroden oder Elektrodenstrukturen, wird die ionisierende Strahlung in elektrische Energie umgewandelt. Es kommen keine Materialien zum Einsatz, die von Natur aus als radioaktiv gelten.“

Zum Hintergrund der Erfindung

1. Das Fachgebiet der Erfindung

„Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von Gitterenergie (LEC), die sich bei der Umwandlung von Energie in einer Gitterstruktur, welche aus einigen speziell dafür gefertigten Materialien oder aus Materialien innerhalb der Gitterstruktur besteht, in ionisierende Strahlung und elektrische Energie als selbsterhaltend erwiesen hat, ohne dass hierfür Materialien zum Einsatz kommen müssen, die von Natur aus als radioaktiv gelten.“

2. Der Stand der Technik

„Schon seit langem besteht die ausgewiesene Notwendigkeit, ein geeignetes Instrument und ein entsprechendes Verfahren zur Erzeugung von zuverlässiger und beständiger „grüner“ oder zumindest CO2-freier elektrischer Energie zu finden, die ohne die Verbrennung von fossilen Brennstoffen und anderen kohlenstoffhaltigen Materialien auskommt. Zu den möglichen Ansätzen zählen die Kernkraft, die Wasserkraft, die Geothermie, die Photovoltaik sowie Windkraftanlagen. Jede dieser Optionen bringt jedoch ihre ganz eigenen Nachteile mit sich. So erfordert die Kernenergie den Einsatz von radioaktiven Materialien und hinterlässt gefährliche radioaktive Abfälle. Sowohl bei der Wasserkraft als auch bei der Geothermie sind die Einsatzmöglichkeiten auf bestimmte Standorte beschränkt. Die Photovoltaikanlagen liefern ohne die Möglichkeit zur Energiespeicherung den Strom nur dann, wenn die Sonne scheint. Ebenso liefern auch die Windkraftanlagen ohne entsprechende Energiespeicherung den Strom nur dann, wenn der Wind weht – sind allerdings auch dafür bekannt, dass sie niederfrequenten Schall erzeugen und eine Gefahr für Vögel darstellen.

Zu den bekannten Geräten, die thermische Energie in elektrische Energie umwandeln, ohne dabei radioaktive Stoffe zu verwenden, gehören die thermoelektrischen Generatoren (TEG), welche auf dem Seebeck-Effekt beruhen, und die Thermopiles, bei denen mehrere Thermoelemente zum Einsatz kommen, sowie die thermionischen Wandler, welche die thermionische Elektronenemission im Vakuum nutzen, wobei die Temperatur des Elektronenemittenten bis zu 700 °C oder mehr betragen kann. Bei derartigen Geräten bedarf es einer Temperaturdifferenz zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke. Im Allgemeinen erzeugen diese Geräte bei der Umwandlung von thermischer in elektrische Energie nur eine geringe Menge an elektrischer Energie, wodurch ihre Anwendungsmöglichkeiten eingeschränkt sind.

Einige der Methoden zur direkten Energieumwandlung beruhen auf der Verwendung von radioaktiven Stoffen. Ein Ansatz ist die Direktladungsmethode, bei der die durch den radioaktiven Zerfall freigesetzten Teilchen oder Ionen ihre Ladung zu einer Elektrode transportieren, die aus einer einfachen Metallelektrode oder aus Vorrichtungen zur Energieumwandlung in Festkörpern bestehen können, wie etwa alpha- oder beta-voltaische Vorrichtungen. Dieses Verfahren zur direkten atomaren Aufladung funktioniert in erster Linie als Stromquelle. Ein zweiter Ansatz besteht in der Methode der Kontaktpotenzialdifferenz (Contact Potential Difference - CPD), bei der die von radioaktiven Stoffen emittierten Ionen zur Ionisierung eines Gases verwendet werden, dessen gasförmige Ionen von Elektroden bzw. Elektrodenstrukturen aufgefangen werden, welche aus Materialien mit unterschiedlichen elektrochemischen Eigenschaften oder einer unterschiedlichen Auslösearbeit bestehen können. Obwohl beide Verfahren seit fast 100 Jahren bekannt sind, war ihre Anwendung zum Teil dadurch eingeschränkt, dass hierfür radioaktive Stoffe benötigt werden und die Menge an gewonnener Energie nur gering ausfällt.

Das Metall-Wasserstoff-System (M-H) nach Fukai (The Metal-Hydrogen System Second Edition, Y. Fukai, Springer Series in Materials Science, 2005), sowie das Palladium-Wasserstoff-System (Pd-H) nach Lewis (The palladium-hydrogen system, 1967 Academic Press) werden nun schon seit mehr als 150 Jahren untersucht. Im Jahr 1863 berichteten Sainte-Claire Deville und L. Troost, dass Wasserstoff durch homogene Platten aus Gusseisen oder Platin rasch hindurchdiffundiert. Diese überraschenden Erkenntnisse haben Thomas Graham, Master of the Royal Mint, veranlasst, eine vergleichbare Versuchsreihe mit Palladium durchzuführen. Drei Jahre später, im Jahr 1866, war Graham der Erste, der über die hohe Diffusionsgeschwindigkeit von Wasserstoff durch erhitztes Palladium berichtet hat. Im Jahr 1958 berichtete Darling (Platinum Metals Rev., 1958, 2, (1), 16 „The Diffusion of Hydrogen through Palladium“ A. S. Darling, Ph.D., A. M. I. Mech. E.), dass sich die Permeabilität von Wasserstoff in Pd stark erhöht, wenn das Wasserstoffgas über die Pd-Oberfläche strömt und sich nicht in einem statischen Zustand befindet. In seinem Buch weist Fukai auf Seite 225 auf die Bedeutung von Leerstellen hin, darunter auch auf sogenannte überreichlich vorhandene Leerstellen (Superabundant Vacancies - SAV), wie sie bei der „Elektroabscheidung von Metallen aus wässrigen Lösungen“ entstehen.

Auch die Ionisation von Gasen durch ionisierende Strahlung und der daraus resultierende Stromdurchgang durch das ionisierte Gas stellen ein recht komplexes Phänomen dar, das bereits seit dem Ende des 19. Jahrhunderts untersucht wird. J. J. Thomson und E. Rutherford veröffentlichten 1896 einige ihrer ursprünglichen Arbeiten unter dem Titel „On the passage of Electricity through Gases exposed to Röntgen Rays“, Phil. Mag. 42 (1896): 392-407. Eine maßgebliche Veröffentlichung, die die Leitung von Elektrizität durch Gase in einem breiten Druck- und Temperaturbereich beschreibt, findet sich in der zweibändigen 3P-Edition der Nobelpreisträger Sir J. J. Thomson (Physik 1906) und seines Sohnes G. P. Thomson (Physik 1937) mit dem Titel „Conduction of Electricity Through Gases“, 3P Edition, Volume 1 1928, Volume 11, 1933. K. K. Darrow (Electrical Phenomena in Gases, 1932 Williams & Wilkins Company) hat die Bedeutung der Diffusion von Ionen für die Messung der Stromdichte pro Flächeneinheit untersucht. Diese Forschungsarbeiten bilden die Grundlage für die Analyse der Leistung einer Vorrichtung zur Umwandlung von Gitterenergie im Hinblick auf das Verständnis des Phänomens und die Leistungsoptimierung, um so eine praktische Anwendung zu ermöglichen.

Die im Folgenden beschriebene Vorrichtung zur Umwandlung von Gitterenergie – oder einfach Gitterenergiekonverter (LEC) – baut auf dem Wissen über das Metall-Wasserstoff-System mit Wirtsmetallen für den Wasserstoff wie Eisen, Nickel und Palladium auf, und ebenso auf dem Wissen über den Stromdurchgang durch ein Gas, um so eine völlig neue und einzigartige Vorrichtung zur Energieumwandlung zu entwickeln, die eine ionisierende Strahlung erzeugt, welche zur Produktion von Ionen und elektrischer Energie führt. Eine derartige LEC-Zelle bietet das Potenzial, den Bedarf an verlässlicher und kontinuierlich verfügbarer „grüner“ oder zumindest CO2-freier elektrischer Energie zu decken, welche ohne die Verbrennung von fossilen Brennstoffen und anderen kohlenstoffbasierten Materialien auskommt. Des weiteren erfordert eine LEC-Zelle auch keinerlei Verwendung natürlicher radioaktiver Stoffe. Die LEC-Varianten umfassen selbstauslösende und selbsterhaltende Vorrichtungen, durch welche die Energie in einem speziell präparierten Gitterwirtsmaterial für den Wasserstoff, in welchem Wasserstoff- oder Deuteriumatome eingelagert oder eingeschlossen sind, in ionisierende Strahlung und elektrische Energie umgewandelt wird. Darüber hinaus funktionieren die Ausführungsformen des LEC in einem breiten Temperaturbereich, ohne dass eine externe elektrische Energiezufuhr erforderlich ist, wobei die Menge an ionisierender Strahlung und die daraus resultierende Ionisation des Gases mit der Temperatur zunehmen.

Das Patent US9472812B2, erteilt am 18. Oktober 2016, beschreibt „einen Elektronenkollektor, der sich in dem genannten Innenraum und in der Nähe des genannten ionisierenden Materials befindet, um die Elektronen aus dem genannten ionisierenden Material aufzufangen“ sowie „ein Isoliermaterial, das sich in dem genannten Innenraum befindet und zwischen dem genannten ionisierenden Material und dem genannten Ionenkollektor angeordnet ist“, wobei der „Isolator = ein nicht elektrisch leitendes Material, das zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, um zu verhindern, dass zwischen ihnen Elektronen fließen, während es vorzugsweise dem Gas oder dem ionisierten Gas in der Zelle ermöglicht wird, von der Anode zur Kathode (durch und/oder um den Isolator herum) zu fließen …“. Dennoch bestehen zwischen der oben erwähnten patentierten elektrischen Energiezelle und der Vorrichtung zur Umwandlung von Gitterenergie (LEC) gemäß unserer Erfindung, bei der ionisierende Strahlung erzeugt und in Elektrizität umgewandelt wird, eine Reihe signifikanter Unterschiede, ohne dass innerhalb des ionisierenden Materials Schichten aus Halbleiter- und/oder Isoliermaterialien erforderlich sind oder dass Materialien einbezogen werden, die den Fluss von Elektronen unterbinden, während das ionisierte Gas durchgelassen wird. Darüber hinaus haben die im Folgenden beschriebenen LEC-Zellen die Fähigkeit gezeigt, ionisierende Strahlung auch dann zu erzeugen, wenn die Arbeitselektrode nicht Bestandteil eines physischen Stromkreises wie beispielsweise eines Drahtes ist.

Das Patent US10841989B2, erteilt am 17. November 2020, beschreibt einen „Generator für ionisierende Strahlung in der Gasphase“ zur „… Erzeugung ionisierender Strahlung auf eine elektrisch steuerbare Weise …“ Unsere Erfindung stellt eine Verbesserung des oben erwähnten patentierten Generators für ionisierende Strahlung in der Gasphase dar, da die nachstehend offenbarten LEC-Zellen die Fähigkeit nachgewiesen haben, die Erzeugung ionisierender Strahlung und die Erzeugung eines elektrischen Potenzials und elektrischen Stroms selbstständig auszulösen und aufrechtzuerhalten, ohne dass für das elektrische Potenzial oder den elektrischen Strom eine externe Quelle vorhanden ist.“

Kurzbeschreibung der Erfindung

„Die vorliegende Erfindung befasst sich mit Gitterenergiekonvertern (LEC-Zellen), die Energie wie Wärme- und/oder Schwingungsenergie sowie andere Formen von Energie in einer Gitterstruktur oder in dem in der Gitterstruktur einer oder mehrerer Arbeitselektroden enthaltenen Material in andere Energieformen wie ionisierende Strahlung und/oder Elektrizität umwandeln, ohne dass hierfür natürliche radioaktive Materialien zum Einsatz kommen müssen. Das „aktive“ Element einer LEC-Vorrichtung besteht aus einer oder mehreren Arbeitselektroden, die ganz oder teilweise aus einem speziell angefertigten Wirtsmaterial für Wasserstoff aus einem Metall-Wasserstoff-System wie Eisen, Nickel oder Palladium aufgebaut sind. Wenn die Gitterstruktur des Wirtsmaterials für Wasserstoff vollständig von Wasserstoff umschlossen ist, erzeugt die LEC-Zelle von selbst eine ionisierende Strahlung. Wenn das speziell angefertigte Wirtsmaterial für Wasserstoff in Kontakt mit einem fließendem Gas oder Dampf kommt, das bzw. der ganz oder teilweise aus Wasserstoff besteht, diffundiert der Wasserstoff im Gas in die Gitterstruktur des Wirtsmaterials für Wasserstoff hinein, wird eingeschlossen und diffundiert dann wieder aus ihr heraus oder wird aus ihr herausgeschleudert, so dass die LEC-Zelle die Erzeugung ionisierender Strahlung selbsttätig in Gang setzt und aufrechterhält. Durch die Verwendung einer oder mehrerer Gegenelektroden oder von Elektrodenstrukturen zusätzlich zu einer aktiven Arbeitselektrode kann die ionisierende Strahlung oder die dadurch von der LEC-Zelle erzeugten Ionen als elektrische Energie aufgefangen werden.“