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Mehr Hitze aus dem Sonnenlicht

Aerogel
Dieses Aerogel könnte Sonnenkollektoren effekiver machen. (Bild: Zhao et al./ MIT)

Das Licht der Sonne lässt sich nicht nur zur Stromgewinnung, sondern auch als Wärmequelle nutzen. Jetzt haben US-Forscher ein Material entwickelt, das die Sonnenwärme deutlich effektiver einfängt als herkömmliche Solarthermie-Module. Dabei handelt es sich um ein Aerogel – ein transparentes, aus viel Luft und dünnen Silikatstrukturen bestehendes Gebilde, das den sichtbaren Anteil des Lichts durchlässt, aber die Wärmestrahlung absorbiert. Selbst im Winter heizt dieses Aerogel ein Trägermaterial bis auf mehr als 200 Grad auf – ohne dass Spiegel oder andere konzentrierende Hilfsmittel nötig sind. Ein weiterer Vorteil: Die Rohstoffe für das Aerogel sind überall verfügbar und günstig, wie die Forscher berichten.

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.

220 Grad selbst mitten im Winter

Das Ergebnis ist ein Aerogel, das das Sonnenlicht nahezu komplett passieren lässt, aber die im Sonnenkollektor zurückgeworfene Wärmestrahlung nahezu komplett zurückhält. Wie die Forscher berichten, erhitze ein solches Aerogel-Kollektormodul bei ersten Tests mit einem Kollektor auf dem Dach eines MIT-Gebäudes eine Trägerflüssigkeit auf mehr als 220 Grad – und das im Winter bei Außentemperaturen um 0 Grad. „Solche Temperaturen wurden bisher nur mit konzentrierenden Systemen erreicht“, heißt es in der Mitteilung des MIT. Weil das Aerogel-basierte System nach den gleichen Prinzipien funktioniert wie herkömmliche Sonnenkollektoren, könnte es einfach und ohne zusätzlich erforderliche Elemente ausgetauscht werden, sagen Wang und ihre Kollegen.

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Ein weiterer Vorteil: Die Ausgangsmaterialien für das Aerogel sind reichlich vorhanden und günstig, nur der Trocknungsprozess, durch den das Aerogel seine Festigkeit erlangt, ist aufwändiger, wie die Forscher erklären. Deshalb lässt sich das Aerogel bisher nicht „von der Rolle“ herstellen, sondern nur portionsweise. „Der Schlüssel zur Skalierung auf den großtechnischen Maßstab ist daher, wie stark wir die Kosten für diesen Produktionsprozess reduzieren können“, sagt Wang. Doch erste Berechnungen ergaben, dass die Aerogel-Kollektoren schon jetzt bei einigen Anwendungen günstiger sind als herkömmliche Modelle, darunter vor allem vakuumisolierte Sonnenkollektoren.

Quelle: Lin Zhao (Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge) et al., ACS Nano; doi: 10.1021/acsnano.9b02976

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