Damit ein Material die Sonnenwärme effektiv absorbiert, muss es das Sonnenlicht zunächst möglichst vollständig hereinlassen, dann aber verhindern, dass die Sonnenwärme wieder nach außen abgestrahlt wird. Im Prinzip sollte ein Sonnenkollektor daher innen heiß, aber außen kalt bleiben. Normale Flachkollektoren für das Hausdach bestehen meist aus einer Glasschicht, die gegen den Wärmeverlust beschichtet ist. Als Absorber dienen meist Kupferrohre, die die Wärme dann an eine Trägerflüssigkeit abgeben. Diese Sonnenkollektoren erreichen meist nur Temperaturen von rund 80 Grad – genug für Warmwasser, aber nicht für andere Zwecke. Etwas höhere Werte von rund 150 Grad können Sonnenkollektoren erzielen, in denen ein Vakuum die Absorberschicht von der Glasschicht isoliert. Noch höhere Temperaturen, wie sie beispielsweise solarthermische Kraftwerke benötigen, lassen sich jedoch bisher nur durch eine Konzentration des Sonnenlichts beispielsweise mit Spiegeln erreichen.
Ein Gel aus Luft und Silikat
Jetzt haben Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) um Lin Zhao und Evelyn Wang ein Material entwickelt, das Sonnenkollektoren auf Hausdächern, aber auch im industriellen Maßstab deutlich effektiver machen könnte. “Wärme im Bereich von 120 bis 220 Grad wird für viele Anwendungen im häuslichen und industriellen Sektor benötigt, etwa für die Warmwasserbereitung und Heizung, die Dampferzeugung, die Sterilisation sowie für weitere Prozesse”, erklären die Forscher. “Bisher jedoch erfordert die Gewinnung dieser Hitze aus der Solarenergie teure optische und mechanische Bauteile.” Wang und ihr Team jedoch haben nun ein Material entwickelt, das diese Sonnenwärme ganz ohne aufwändige Zusatzkomponenten einfängt und das selbst ohne Konzentration mit Spiegeln Temperaturen von bis zu 264 Grad erreichen kann.
Kern der neuartigen Sonnenkollektoren ist ein Aerogel – ein festes, extrem leichtes Material, das zu mehr als 90 Prozent aus luftgefüllten Poren besteht. Die Grundstruktur des Aerogels besteht aus einem Silikat, das dem porösen Material Festigkeit verleiht. Der Clou dabei: Durch den hohen Luftanteil besitzen Aerogele eine extrem geringe Wärmeleitfähigkeit, sie werden daher auch als Dämmstoffe eingesetzt. Bisher Allerdings eigneten sich diese Materialien nur bedingt für Sonnenkollektoren, weil sie nicht komplett transparent sind. Durch Brechung an den Poren werden vor allem die blauen Anteile des Sonnenlichts stark gestreut. Wang und ihr Team haben deshalb an einem Aerogel gearbeitet, dass statt 70 Prozent nun 95 Prozent des einfallenden Lichts auf die Absorberschicht durchlässt. Erreicht haben sie dies, indem sie die Porengröße des Aerogels verringerten, wie sie berichten.
