DE19705520C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Energiespeicherbausteins - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Energiespeicherbausteins.

Elektrische Energiespeicher, wie Akkus, Batterien oder dergleichen, spielen im täglichen Le­ ben eine wichtige Rolle. Bei den meisten dieser Speichersysteme wird die chemisch gespei­ cherte Energie über eine chemische Reaktion, z. B. an den Elektrodenflächen der Akkus, in elektrisch nutzbare Energie umgewandelt. Da bei all diesen chemischen Reaktionen nur je­ weils die Elektronen der äußeren Schalen beteiligt sind, die Bindungsenergien von wenigen eV aufweisen, können pro Molekül- oder Ionenreaktion nur wenige eV an elektrischer Ener­ gie gewonnen werden und bisherige, elektrische Energiespeicher nur relativ wenig Energie pro Volumen speichern.

Seit ca. 10 bis 20 Jahren gibt es äußerst leistungsstarke Ionenquellen für höchstgeladene Io­ nen, wie zum Beispiel Elektron-Cyclotron-Resonanzionenquellen (EZR, Electron Cylcotron Resonance Ion Source: ECR-Ion-Source), Elektronen-Strahl-Ionenquellen (Electron Beam Ion Source: EBIS), Elektronen-Strahl-Ionenfallen (Electron Beam Ion Trap: EBIT). Eine EZR-Anlage beispielsweise kann heute bereits 100 µA an Kr¹¹⁺-Ionen oder einige 10 µA an Xe²⁹⁺-Ionen herstellen, siehe "13^th International Workshop on Electron Cyclotron Resonance Ion Sources", Februar 1997, Vortrag von Z. Q. Xie und C. M. Lyneis; eine EBIT-Anlage kann heute bereits sehr selektiv mit beachtlicher Intensität heliumähnliches Pb oder U mit thermischer Energie erzeugen, nämlich Pb⁸⁰⁺-Ionen oder U⁹⁰⁺-Ionen mit einigen eV an kineti­ scher Energie, während die potentielle Energie besagter Ionen einige hunderte keV beträgt, siehe "Hyperfine Interactions (99)", 1996, S. 47 bis 69.

In "Physik", von Gerthsen, Kneser, Vogel, Springer-Verlag, Berlin, 13. Auflage, 1977, Seiten 444 und 445, ist das Prinzip des Speicherns von Energie in Ionen mit optisch verbotenen Übergängen offenbart. Generell spricht man bei angeregten Atomen, in denen Übergänge verboten sind und die somit eine verlängerte Lebenszeit aufweisen, von metastabilen Atomen, siehe, beispielsweise, "Modern Physics", von R. L. Sproull, John Wiley & Sons, Inc., New York, 2. Auflage, 1966, S. 471.

Ferner ist bereits diskutiert worden, daß hohle Atome, also hochangeregte, metastabile Ato­ me, durch Elektroneneinfang und/oder Streumechanismen insbesondere über eine Kaskade von Auger-Übergängen unter Aussendung von Photonen zerfallen, wie, beispielsweise, in "Physical Review A", 1996, Vol. 53, No. 4, S. 2194 bis 2199, "Physical Review A", 1995, Volumen 51, No. 5, S. 3873 bis 3882, "Physical Review A", 1993, Vol. 48, No. 3, S. 2182 bis 2191, oder "Physical Review A", 1991, Vol. 43, No. 3, S. 1405 bis 1415, beschrieben.

Die Herstellung von hohlen Atomen durch die Anregung von hochgeladenen Ionen in Wech­ selwirkung mit einer metallischen Oberfläche ist bereits untersucht worden, siehe "Physical Review Letters", 1990, Vol. 65, No. 2, S. 159 bis 162. Gemäß "Accelerator-Based Atomic Physics Techniques and Applications", von S. M. Shafroth und J. C. Austin, 1997, Kapitel 11, werden so hohle Atome hergestellt, daß hochionisierte Ionen in einem einzigen Oberflächenstreuprozeß vollständig neutralisiert werden. Die bekannten hohlen Atome sind jedoch recht kurzlebig.

Schließlich ist theoretisch auch vorhergesagt worden, daß bestimmte mehrfach angeregte spinpolarisierte Zustände, wenn die Hyperfeinwechselwirkung vernachlässigt werden kann, daß heißt der Kernspin 0 beträgt, praktisch nicht zerfallen, wie in "Physical Review A", 1993, Vol. 47, No. 2, S. 929 bis 935, für berylliumartige Ionen beschrieben.

Aufgabe der gegenwärtigen Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeu­ gung eines Energiespeicherbausteins bereitzustellen, mit dem ein elektrischer Energiespeicher erstellbar ist, dessen Energie pro Volumen gegenüber herkömmlichen Energiespeichern er­ heblich erhöht ist.

Der das Verfahren betreffende Aufgabenteil wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Kennzeichens von Anspruch 1 gelöst.

In den Ansprüchen 2 bis 7 sind bevorzugte erfindungsgemäße Verfahren beschrieben.

In Anspruch 8 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Durchführen des beanspruchten Verfahrens beschrieben.

Anspruch 9 gibt weitere Details zur erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Der Erfindung liegt somit die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß man gezielt Atome herstellen kann, die in inneren Schalen unbesetzte elektronische Zustände, sogenannte Vakanzen, und ein großes inneres magnetische Moment aufweisen, so daß sie langlebig sowie meta­ stabil sind. Erzeugt man in einem Atom viele solcher langlebiger Innenschalenvakanzen, so steigt die gespeicherte Energie dabei additiv an, so daß in einem schweren Atom, wie bei­ spielsweise Blei oder Uran, pro Atom Energie in der Größenordnung von 1 keV bis zu 10 keV gespeichert werden kann.

Beim späteren Auffüllen der Vakanzen der erfindungsgemäß hergestellten, metastabilen Atome kann ein sehr hoher Energiebetrag in elektrische oder in eine andere Energieform um­ gesetzt werden, da besagte Innenschalenzustände eine hohe Bindungsenergie aufweisen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschrei­ bung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Herstellung eines Energiespeicherbausteins gemäß der Erfin­ dung,

Fig. 2a die Elektronenkonfiguration von neutralem Blei im Grundzustand;

Fig. 2b die Elektronenkonfiguration eines hochgeladenen Blei-Ions, mit einer Ladung von 59⁺; und

Fig. 2c die Elektronenkonfiguration eines zum Teil hohlen, neutralen Blei-Atoms, das ei­ nen erfindungsgemäßen Energiespeicherbaustein darstellt.

Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, umfaßt eine erfindungsgemäße Vorrichtung eine Ionenquelle 1, eine Blende 2, einen Ladungs- und Massenseparator 3, eine weitere Blende 4, eine spinpolarisierte Oberfläche 5, eine Stern-Gerlach-Apparatur 6, eine dritte Blende 7 und eine Magnetfalle 8.

Die Ionenquelle 1 erzeugt einen Ionenstrahl a mit langsamen, d. h. eine kinetische Energie von einigen eV bis zu einigen keV aufweisenden, Ionen unterschiedlicher Ladungen, von denen in dem Ladungs- und Massenseparator 3 hochgeladene Ionen eines speziellen Ladungs-zu-Masse- Verhältnisses ausgewählt werden. Bei der ausgewählten Konfiguration befinden sich alle Elektronen des Ions im Grundzustand, in dem innere Schalen abgeschlossen sind und die restlichen Elektronen des Ions gerade die nächste nicht abgeschlossene Schale mit parallelem Spin zur Hälfte füllen, so daß die ausgewählten Ionen ein hohes internes magnetisches Mo­ ment aufweisen.

Die ausgewählten Ionen treffen dann in einem Ionenstrahl b auf die spinpolarisierte Oberflä­ che 5 mit einem Einfallswinkel α auf, so daß unter Ultra-Hoch-Vakuum über einen Zeitraum von einigen Pikosekunden Streuung unter den Bedingungen von Totalreflexion stattfindet. Bei der Wechselwirkung der ausgewählten Ionen mit den spinpolarisierten Elek­ tronen kommt es zu einem Einfangen von Elektronen, deren Spin parallel zur Richtung des internen magnetischen Moments der ausgewählten Ionen steht, wobei das Streuen eines lang­ samen Ions zum Einfangen eines Elektrons nur Bruchteile einer Pikosekunde dauert. Die ein­ gefangenen Elektronen werden dabei wegen des Pauli-Ausschließungsprinzips nur in höhere unbesetzte Schalen eingefangen und daher das innere magnetische Moment verstärken.

Der gestreute Atomstrahl c enthält somit neutrale, zum Teil hohle Atome mit Innenschalenva­ konzen, die metastabil sind, da die eingefangenen Elektronen nur über Spinflip in freie Plätze in noch halb leeren inneren Schalen übergehen können, wobei die Übergangswahr­ scheinlichkeit für solche Spinflipübergänge jedoch mit wachsendem inneren magnetischen Moment stark abnimmt und daher ein Spinflip extrem verzögert, beispielsweise erst nach Jah­ ren, stattfindet. Von dem Atomstrahl c werden schließlich in der Stern-Gerlach-Apparatur 6 die metastabilen, neutralen, zum Teil hohlen Atome abgetrennt, die dann über den Atomstrahl d in der Magnetfalle 8 eingefangen werden, und dort als Baustein für einen Energiespeicher aufbewahrt werden.

Im Anschluß wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung beispielhaft an­ hand von Blei beschrieben:

In der Ionenquelle 1 werden aus neutralen Blei-Atomen, deren Elektronenkonfiguration im Grundzustand in Fig. 2a dargestellt ist, unterschiedliche hochgeladene Blei-Ionen hergestellt, von denen in dem Ladungs- und Massenseparator 3 Pb⁵⁹⁺ das die in Fig. 2b gezeigte Elektro­ nenkonfiguration aufweist, bei der die 3d-Schale zur Hälfte mit fünf Elektronen parallen Spins aufgefüllt ist, absepariert wird.

Durch Streuen der Pb⁵⁹⁺-Ionen an der spinpolarisierten Oberfläche 5 kommt es zu einem Elektroneneinfang, bei dem unter anderem auch die in der Stern-Gerlach-Apparatur 6 abge­ trennten neutralen, zum Teil hohlen Blei-Atome erzeugt werden, deren Elektronenkonfigura­ tion in Fig. 2c dargestellt ist und die einen Gesamtbahndrehimpuls von L = 1 und einen Ge­ samtspin S = 32 aufweisen, so daß ein internes Magnetfeld vorliegt, das am Rande der äußeren Schalen ca. 10⁶ Tesla beträgt und somit das von herkömmlichen Ferromagneten deutlich übersteigt.

Der Energiespeicherwert pro abgetrenntem Blei-Atom beträgt dabei ca. 2800 eV für jedes der fünf 3d-Elektronen, ca. 890 eV für das 4s-Elektron, ca. 700 eV für jedes der drei 4p- Elektronen, ca. 400 eV für jedes der fünf 4d-Elektronen, ca. 140 eV für jedes der sieben 4f- Elektronen, ca. 140 eV für das 5s-Elektron, ca. 70 eV für jedes der drei 5p-Elektronen, ca. 30 eV für jedes der fünf 5d-Elektronen, ca. 15 eV für jedes der sieben 5f-Elektronen, ca. 10 eV für jedes der neun 5g-Elektronen und ca. 8 eV für das 6s-Elektron, jedes der drei 6p- Elektronen, jedes der fünf 6d-Elektronen, jedes der sieben 6f-Elektronen, das 7s-Elektron und das 7p-Elektron, so daß insgesamt ca. 20000 eV pro Atom gespeichert sind. Diese Energie kann dann durch Auffüllen der Innenschalenvakanzen freigesetzt werden.

60 Mol Blei-Atome mit einem Gewicht von 12 kg speichern somit eine elektrische Energie von ca. 3,6 × 10²⁵ × 20000 eV = 1,2 × 10¹¹ Joule. Somit könnte man in einem Würfel von 10³ cm³ (11) ca. 32000 kWh an elektrischer Energie speichern. Dies entspricht dem Energiein­ halt von ca. 4000 l Öl oder der jährlichen Heizleistung eines mittleren Einfamilienhauses.

Auch hochgeladene Uran-Ionen, nämlich U⁶⁹⁺, eignen sich gut als Ausgangsion zum Bilden eines neutralen, zum Teil hohlen Atoms als Energiespeicherbaustein. Dabei weist U⁶⁹⁺ fol­ gende Elektronenkonfiguration auf: 1s², 2s², 2p⁶, 3s², 3p⁶, 3d⁵. Die Elektronenkonfiguration nach Einfangen der Elektronen für ein neutrales, zum Teil hohles Atom lautet dabei wie folgt: 1s², 1s², 2p⁶, 3s², 3p⁶ 3d⁵, 4s¹, 4p³, 4d⁵, 4f⁷, 5s¹, 5p³, 5d⁵, 5f⁷, 5g⁹, 6s¹, 6p³, 6d⁵, 6f⁷, 7s¹, 7p³, 7d⁵, 8s¹, 8p².

Die Drehimpulskonfiguration solch eines neutralen, zum Teil hohlen Uran-Atoms weist einen Gesamtbahndrehimpuls L = 1 und einen Gesamtspin S = 37 auf, wodurch ein internes Magnet­ feld vorliegt, das am Rande der äußeren Schalen ca. 10⁶ Tesla beträgt und somit das von herkömmli­ chen Ferromagneten deutlich übersteigt. Außerdem hat dieses zum Teil hohle, neu­ trale Uran-Atom einen Energiespeicherwert von ca. 31000 Elektronvolt pro Atom.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offen­ barten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims (9)

1. Verfahren zur Erzeugung eines Energiespeicherbausteins, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• 1. Erzeugen von hochgeladenen Ionen ab einem Verhältnis von Ladungszahl zu Ord­ nungszahl von ungefähr 0,2,

wobei die erzeugten Ionen sich vorzugsweise im Ultra- Hoch-Vakuum befinden und eine kinetische Energie in einem Bereich von einigen eV bis einigen keV aufweisen,

• 1. Separieren der erzeugten Ionen nach speziellen Ladungszuständen und somit nach speziellen Hüllenkonfigurationen mit Hilfe mindestens eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes, umfassend ein elektromagnetisches Feld, wobei Ionen mit einer solchen Elektronenkonfiguration ausgewählt werden, bei der die inneren Schalen ab­ geschlossen sind und sich bei der nächsten nicht abgeschlossenen Schale die Elektro­ nen nach der Hund'schen Regel mit parallelem Spin auffüllen,
• 2. Spinausrichten der Ionen in mindestens einem elektrischen und/oder magnetischen Feld, umfassend ein elektromagnetisches Feld,
• 3. Wechselwirken der ausgewählten Ionen mit spinpolarisierten Elektronen in einer Io­ nenfalle oder durch Streuen an einer spinpolarisierten Oberfläche, um Elektronen ein­ zufangen, deren Spin parallel zur Richtung des internen magnetischen Moments der ausgewählten Ionen steht, um auf diese Weise neutrale, metastabile Atome mit Innen­ schalenvakanzen zu erzeugen,
• 4. Abtrennen dieser neutralen und metastabilen Atome mithilfe mindestens eines inho­ mogenen Magnetfeldes, und
• 5. Sammeln dieser Atome in Magnetfallen, im Vakuum oder an Festkörperoberflächen zum Bereitstellen eines Energiespeicherbausteins.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Separieren der erzeugten Ionen nach speziellen Ladungszuständen mittels selektiver Laseranregung durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als die nicht abgeschlossene Schale die 3d-, 4d- oder 5d-Schale, mit fünf Elektronen ge­ füllt, oder die 4f oder 5f-Schale, mit sieben Elektronen gefüllt, ausgewählt wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
Pb⁵⁹⁺ mit der Elektronenkonfiguration 1s², 2s², 2p⁶, 3s², 3p⁶, 3d⁵ oder
U⁶⁹⁺ mit der Elektronenkonfiguration 1s², 2s², 2p⁶, 3s², 3p⁶, 3d⁵ absepariert wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Spinausrichten der Ionen eine Hochfrequenzanregung, wie über RF- oder Laseranre­ gung, durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Streuen an einer spinpolarisierten Oberfläche unter dem Grenzwinkel der Totalreflek­ tion durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
Pb-Atome mit der Elektronenkonfiguration 1s², 2s², 2p⁶, 3s², 3p⁶, 3d⁵, 4s¹, 4p³, 4d⁵, 4f⁷, 5s¹, 5p³, 5d⁵, 5f⁷, 5g⁹, 6s¹, 6p³, 6d⁵, 6f⁷, 7s¹, 7p¹ oder
U-Atome mit der Elektronenkonfiguration 1s², 2s², 2p⁶, 3s², 3p⁶, 3d⁵, 4s¹, 4p³, 4d⁵, 4f⁷, 5s¹, 5p³, 5d⁵, 5f⁷, 5g⁹, 6s¹, 6p³, 6d⁵, 6f⁷, 7s¹, 7p³, 7d⁵, 8s¹, 8p² abgetrennt werden.

8. Vorrichtung zur Erzeugung eines Energiespeicherbausteins in einem Verfahren nach ei­ nem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch:

• 1. eine Ionenquelle (1), insbesondere vom EZR-, EBIS- oder EBIT-Typ,
• 2. ein Separationssystem (3) für spezielle Ionenkonfigurationen, wie ein Ladungs- und Massenseparator,
• 3. ein Mittel zur Spinausrichtung, wie ein Wien-Filter oder ein Mittel zur Hochfre­ quenzanregung,
• 4. ein Mittel (5) zum Ermöglichen einer Wechselwirkung mit spinpolarisierten Elektro­ nen, wie eine Ionenfalle oder eine spinpolarisierte Oberfläche,
• 5. eine Abtrennapparatur (6) für neutrale, metastabile Atome mit Innenschalenvakanzen, die mindestens ein inhomogenes Magnetfeld erzeugt, wie eine Stern-Gerlach- Apparatur, und
• 6. eine Magnetfalle (8) für neutrale, metastabile Atome mit Innenschalenvakanzen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Blende (2, 4, 7) zwischen der Ionenquelle (1) und dem Separationssystem (3), zwi­ schen dem Separationssystem (3) und dem Mittel zur Spinausrichtung, zwischen dem Mittel zur Spinausrichtung und dem Mittel (5) zum Ermöglichen einer Wechselwirkung mit spinpolarisierten Elektronen, zwischen dem Mittel (5) zum Ermöglichen einer Wech­ selwirkung mit spinpolarisierten Elektronen und der Abtrennapparatur (6) und/oder zwi­ schen der Abtrennapparatur (6) und der Magnetfalle (8) angeordnet ist.