Wirkungsgrad von Solarthermie erhöhen: Was kann ein Nano-Fluid?

Nano Fluid Solarthermie

Aus Japan kommt dieser Tage die Meldung, dass es dort Forschern gelungen sei, ein Fluid zu mischen, dass sich besonders effizient erhitzen lasse. Eingesetzt als Wärmeübertragungsmittel in einer Solarthermie-Anlage könnte das sogenannte Nano-Fluid deren Wirkungsgrad deutlich steigern. Ich erkläre hier, was ein Nanofluid ist und wie es einer Solarthermie-Anlage auf die Sprünge helfen kann.

Die Geschichte der Solarthermie ist alt. Das Prinzip, dass sich Wasser mittels Sonne erwärmen lässt, nutzten schon die Vorfahren der Vorfahren unserer Vorfahren. Eine Solarthermie-Anlage macht sich das Prinzip so zunutze: Ihre Solarkollektoren sammeln Sonnenstrahlen ein und absorbieren sie, wobei Wärme entsteht. Diese Wärme wird auf ein Wärmeübertragungsmittel beziehungsweise Wärmeträgermedium übertragen, das immer im Kreis durch die Anlage strömt. Das kann eine Flüssigkeit wie eine Wasser-Frostschutzmittel-Mischung (auch Wasser-Glykol-Mischung genannt) sein oder einfach nur pures Wasser. Die Wärme lässt sich auch via Luft vom Kollektor zum Wärmespeicher respektive Wärmeverbraucher übertragen. Entsprechend unterscheidet man dann auch die Kollektoren in Typen, die mit Wasser-Glykol, Wasser oder Luft arbeiten. Doch das nur nebenbei, ist ja alles auch nichts Neues, haben wir hier auf dem Blog schon zig Mal erklärt.

Vergleichsweise neu ist das, was die japanischen Forscher jetzt gemacht haben, von denen in der eingangs erwähnten Pressemeldung die Rede ist: Denen sei es angeblich gelungen, eine besondere Wärmeübertragungsflüssigkeit (auch Wärmeübertragungsfluid genannt) zu entwickeln, die sich effektiver erwärmen lasse als das bisher möglich gewesen sei. Bei ihrem Fluid handele es sich um ein sogenanntes Nano-Fluid.

Was ist ein Nanofluid und was hat es mit Solarthermie zu tun?

Ein Nanofluid ist eine Flüssigkeit, die winzige Partikel, die wegen ihrer Größe im Nanobereich auch Nanopartikel genannt werden, enthält. Laut den Definitionen, die als Deutsche Industrie Norm DIN SPEC 1121 (DIN ISO/TS 27687) veröffentlicht wurden, bezeichnet man als Nanopartikel, Nanoteilchen oder Nanoobjekte Material mit einem, zwei oder drei Außenmaß(en) im Nanomaßstab. Dazu zählen Nanopartikel, also Nanoobjekte mit allen drei Außenmaßen im Nanomaßstab. Nanoplättchen sind Nanoobjekte mit einem Außenmaß im Nanomaßstab und zwei wesentlich größeren Außenmaßen. Nanofasern besitzen zwei ähnliche Außenmaße im Nanomaßstab und ein drittes Außenmaß, das wesentlich größer als die beiden anderen Außenmaße ist. Der Nanomaßstab umfasst den Bereich von etwa einem Nanometer bis 100 Nanometer, wobei ein Nanometer einem Millionstel eines Millimeters beziehungsweise einem Milliardstel eines Meters entspricht.

Je nach Beschaffenheit der Nanopartikel hat ein Nanofluid unterschiedliche Eigenschaften. Versetzt man beispielsweise Wasser mit metallischen Nanopartikeln, fungieren die in der Lösung als Wärmeabsorber, wenn man das Nanofluid der Sonne aussetzt, während das Wasser zugleich zum Wärmespeicher wird. So verwendet,  kann das Fluid als Wärmeübertragungsmittel in der Solarthermie zu höheren Wirkungsgraden betragen.

Nanofluid mit Nanopartikeln des Typs Titannitrid (TiN) mit Wirkungsgrad von 90 Prozent

Das Nanofluid der japanischen Forscher um Satoshi Ishii vom International Center for Materials Nanoarchitectonics (WPI-MANA) und Kollegen von der Japanischen Wissenschafts- und Technologieagentur basiere auf Titannitrid(TiN)-Nanopartikeln. Es wandle das Sonnenlicht effizienter als andere Nanofluide in Wärme um, sagen die Wissenschaftler. Sie hätten die optischen Absorptionseigenschaften von TiN-Nanopartikeln untersucht und einen breiten und starken Absorptions-Peak gefunden.

Die TiN-Nanopartikel überträfen laut Aussage der japanischen Forscher die Absorptionseigenschaften von Carbon und Gold. Ihre Effizienz erreiche beinahe 90 Prozent. Von besonderer Bedeutung sei, dass die TiN-Nanopartikel während der Sonnen-Absorption nicht aufgebraucht würden. Ein TiN-basiertes Solarwärmesystem könne demzufolge über lange Zeit stabil bleiben. Die Forscher sehen viele gute Anwendungsmöglichkeiten des TiN-Nanofluids – auch in vielen anderen Alltagsanwendungen, bei denen es um die Erwärmung gehe.

Nanoteilchen aus Nanofluid filtern  

Die Grafik zeigt die Membran aus Kunststoff-Fäden (rot und schwarz) mit Proteinen (blau), die ihre metallbindende Eigenschaft aktiviert haben. Fließt das Nanofluid mit Metallpartikeln (oben) durch das Sieb, halten die Proteine die Partikel zurück und heraus kommt eine partikelfreie Flüssigkeit. Copyright: John Wiley and Son

Die Grafik zeigt die Membran aus Kunststoff-Fäden (rot und schwarz) mit Proteinen (blau), die ihre metallbindende Eigenschaft aktiviert haben. Fließt das Nanofluid mit Metallpartikeln (oben) durch das Sieb, halten die Proteine die Partikel zurück und heraus kommt eine partikelfreie Flüssigkeit.
Copyright: John Wiley and Son

Während die Japaner Nanopartikel ins Wasser gaben, um ein Nanofluid zu mixen, forschen anderswo Wissenschaftler daran, wie man die Nanoteilchen wieder aus dem Nanofluid rausbekommt. Und nicht nur das:  Forscher der Helmholtz-Hochschul-Nachwuchsgruppe in Kiel und Geesthacht veröffentlichten eine Studie über ein von ihnen entwickeltes Sieb, das die Nanopartikel aus dem Nanofluid filtert und dabei zugleich selbst zum Absorber von Solarenergie wird.

Das Netz, über das Professor Mady Elbahri und sein Team vom Institut für Materialwissenschaft der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und dem Institut für Polymerforschung am Helmholtz-Zentrum Geesthacht hier in der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials 2012 berichteten, bestünde aus herkömmlichen makroporösen Polymer-Membranen, auf dessen Fäden die Forscher einfache Proteine ansiedelten: „Wir haben herausgefunden, dass dieses konventionelle Protein durch Wasser aktiviert wird: Es schaltet seine metallbindende Eigenschaft ein, und das Metall wird vom Protein zurückgehalten“, erklärt Elbahri. „Das ist ein Durchbruch“, ergänzt Dr. Shahin Homaeigohar, Mitautor der Forschungspublikation.

Links zu sehen ist das Nanofluid mit Goldpartikeln, rechts die gefilterte Lösung. Alle Metallpartikel sind herausgefiltert. Copyright: CAU, Foto: Claudia Eulitz

Links zu sehen ist das Nanofluid mit Goldpartikeln, rechts die gefilterte Lösung. Alle Metallpartikel sind herausgefiltert.
Copyright: CAU, Foto: Claudia Eulitz

 

Filtere das Nanosieb Metallpartikel wie Gold aus dem Nanofluid, ergebe sich demnach eine weitere Anwendung: Denn mit keiner anderen Methode sei es bislang gelungen, eine so gleichmäßige Verteilung von Metallpartikeln zu erreichen. „Das war unerwartet“, sagt Elbahri. „Im trockenen Zustand nimmt die Membran sogar die Farbe des Metalls, in diesem Fall das Rot des Goldes, an.“ Werde das Nanosieb mit den gefilterten Partikeln feucht, färbe es sich allerdings schwarz. „Es funktioniert dann als sogenannter ‚black absorber’, wobei das Wasser als Speicher für die absorbierte Solarenergie eingesetzt werden kann.“

Neben der Einsatzmöglichkeit als Wasserfilter und als Absorber für Sonnenenergie habe das Bio-Nano-Komposit außerdem großes Potenzial im Bereich der Katalyse: „Mit unserem Nanosieb haben wir ein neues funktionales Material hergestellt, das Effizienz in vielen Bereichen verspricht und noch dazu kostengünstig produziert werden kann“, sagt Elbahri.

Wie Ihr seht, kommt da Großes, besser: Kleines mit großem Wirkungsgrad auf die Solarthermie zu. Bleibt abzuwarten, wie und wann sich die Forschungsergebnisse in der Praxis niederschlagen. Ich bin gespannt – und Ihr?

Foto: Das Titelbild zeigt eine Mikroskopaufnahme der Membran nach dem Filtern. Die Goldpartikel sind gleichmäßig verteilt. Copyright: John Wiley and Son

 

 

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