Aus der Solarthermieforschung: Hocheffiziente und ultradünne Absorberfolie entwickelt

Australische Forscher haben eine neuartige Absorberfolie entwickelt. Diese soll auftreffende Sonnenenergie hocheffizient aufnehmen und in nutzbare Wärme umwandeln können – bei zugleich nur minimalem Wärmeverlust. Bei der neuen Absorberfolie handele es sich um einen sogenannten Graphen-Metamaterial-Film. Die Wissenschaftler schreiben der neuen Absorberfolie großes Potenzial für verschiedene Anwendungen zu, allen voran bei der Solarthermie.

Die Forscher vom “Centre for Translational Atomaterials” (CTAM) der Swinburne University of Technology in Melbourne entwickelten nach eigener Schilderung im Fachblatt Nature Communications (Band 11, Artikelnummer: 1389_2020) einen Prototyp ihrer Solarthermie-Folie, um deren fotothermische Leistung sowie Temperaturstabilität zu zeigen. Sie hätten zudem auch einen skalierbaren und kostengünstigen Produktionsweg gefunden, um ihre Graphen-Folie für praktische Anwendungen zu fertigen.

Warum ein Absorber höchst effizient sein sollte

Die Effizienz eines Absorbers ist entscheidend für die Effizienz der jeweiligen Technologie, bei der er zum Einsatz kommt, zum Beispiel bei der Solarthermie. Der Absorber einer Solarthermie-Anlage wird nicht ohne Grund das Herzstück des Solarthermie-Kollektors genannt, gibt er doch den Ausschlag für die Höhe des damit erzielten Solarertrags. Die Absorbereffizienz ergibt sich aus einem optimalen Verhältnis zwischen der Energie, die der Absorber aufnimmt und in nutzbare Wärme umwandelt, und der Energie, die dabei unerwünscht verloren geht, zumeist infolge von so genannter Streustrahlung.

Absorber zu entwickeln, deren auch Schwarzkörperstrahlung genannte thermische Emissionsverluste minimal sind und die zugleich ein Maximum an Sonnenenergie absorbieren – das ist Aufgabe der Forscher und laut Baohua Jia, Gründungsdirektorin des CTAM, besonders schwierig. Sie sagt, dass das daran liege, dass die Emissionstemperatur sowohl von der absorbierten Wärme als auch von den Eigenschaften des Absorbers selbst abhänge, was zu erheblichen Unterschieden in der Wellenlänge führe.

Die CTAM-Forscher beschreiben einen idealen solarthermischen Absorber mit diesen drei Eigenschaften:

1. Der Absorber sollte effizient und selektive mit einer abstimmbaren Bandbreite absorbieren können.
2. Der Absorber sollte eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit und Wärmestabilität besitzen.
3. Der Absorber sollte für eine effektive solarthermische Energieumwandlung eine einfache Struktur aufweisen.

Umwandlungseffizienz der neuen Absorberfolie liegt bei 90plus Prozent

Ihr und ihren Kollegen sei es jedoch gelungen, ein dreidimensional strukturiertes Graphen-Metamaterial (SGM) zu entwickeln, das hoch absorbierend sei und die Schwarzkörperstrahlung selektiv herausfiltere. Mit ihrer neuen Absorberfolie hätten die Forscher eine solarthermische  Umwandlungseffizienz (Solarenergie in nutzbare Wärmeenergie) von 90,1 Prozent erreicht.

Das 3D-SGM bestehe demnach aus einer dreißig Nanometer dicken, dreidimensional strukturierten Schicht (ein Nanometer (nm) entspricht einem Milliardstel Meter). Die Struktur ergebe sich aus Erhebungen und Spalten, den Graphen- und dielektrischen Schichten, die man auf einer grabenartigen Nanostruktur abgeschieden habe. Letztere könne ein Kupferträger sein, um die Absorption zu steigern und Strahlungsverluste zu verringern. Noch wichtiger sei jedoch, dass das Kupfersubstrat in einer Matrix angeordnet sei, damit man die wellenlängenselektive Absorption abstimmen könne.

Der Graphenfilm sei nach einer Beschreibung hier so ausgelegt, dass er Licht mit einer Wellenlänge von 0,28 bis 2,5 Mikrometer absorbiere. Dank seiner Matrixstruktur agiere das Kupfersubstrat als selektiver Bandpassfilter, der die normale Emission von intern erzeugter Schwarzkörperenergie unterdrücke. Die zurückgehaltene Wärme erhöhe demnach die Temperatur des Metamaterials. Daher könne sich die Solarthermie-Folie schnell auf bis zu 83 Grad Celsius erhitzen. In diesem Bericht steht, das geschehe “unmittelbar”. Sollte für eine bestimmte Anwendung eine andere Temperatur erforderlich sein, könne eine neue Graben-Nanostruktur erschaffen und auf diese spezifische Schwarzkörperwellenlänge abgestimmt werden.

“In unserer früheren Studie haben wir einen wärmeabsorbierenden 90 nm starken Graphen-Metamaterial-Film vorgestellt”, sagt Professorin Baohua Jia. “In dieser neuen Studie haben wir die Schichtdicke auf 30 nm reduziert und die Leistung verbessert, indem wir die Wärmeverluste minimierten. Diese Studie bildet einen aufregenden Abschnitt in unserer Atomaterialforschung.”

Oben: Die Struktur des Graphen-Metamaterials. Unten: Die 30-Nanometer-Graphen-Metamaterial-Folie absorbiert fast das gesamte Sonnenlicht und erwärmt sich effizient auf bis zu 83 °C. Foto: swinburne.edu.au

Der Co-Autor der Studie, Dr. Han Lin, sagt über die neue Absorberfolie: “Neben der langen Lebensdauer des vorgeschlagenen Graphen-Metamaterials ist die solarthermische Leistung unter Arbeitsbedingungen sehr stabil, was es für die industrielle Nutzung attraktiv macht. Dank der Dicke von 30 nm reduzierten wir die Menge der Graphenmaterialien deutlich, das spart Kosten und öffnet viele Anwendungsmöglichkeiten.”

Ultradünne Absorberfolie für Solarthermie-Heizung

Auf der Internetseite der Swinburne-Universität beschreiben die Wissenschaftler vom CTAM neue Eigenschaften von Produkten, die unsere Welt und die von uns verwendeten Alltagsprodukte verändern würden, unter anderem eine ultradünne Graphen-Solarthermie-Heizung, die auf der Solarthermie-Folie basiere, die sich in natürlichem Sonnenlicht in einer halben Minute in offener Umgebung schnell auf bis zu 160 Grad Celsius erhitzen könne. Damit ließe sich nicht nur Solarwärme gewinnen, sondern auch Meerwasser für den sofortigen Verbrauch zu sauberem Trinkwasser destillieren. Oder man verwende die Folie, um effizientere Warmwassersysteme zu schaffen.

Fotos und Grafiken: swinburne.edu.au