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Verfolger des Lichts entwickelt

Nanotechniker haben sich von "botanischen Sonnenabetern" inspirieren lassen. (Bild: zorazhuang/iStock)

Sie halten ihr „Gesicht“ stets ins Licht: Die Sonnenblumen haben Forscher zur Entwicklung von sogenannten SunBOTs inspiriert, die sich automatisch der Richtung des einfallenden Lichts anpassen. Das Konzept könnte in der Solartechnik zum Einsatz kommen, um die Lichtausbeute ohne technischen Aufwand zu erhöhen, sagen die Wissenschaftler.

Am effektivsten sind sie im vollen Licht: Solarzellen sollten auf die Richtung des Lichteinfalls ausgerichtet sein, um möglichst viel elektrische Energie zu erzeugen. Doch dabei gibt es bekanntlich ein Problem: Vom Aufgang im Osten bis zum Untergang im Westen verändert die Sonne im Tagesverlauf ständig ihren Einstrahlwinkel. Um eine Fläche stets dem vollen Licht auszusetzen, muss ihre Ausrichtung deshalb dem Sonnenstand fortlaufend angepasst werden. Dafür gibt es zwar technische Lösungen in der Solartechnik, doch diese Nachführsysteme sind aufwändig und störungsanfällig. Wie so oft hat allerdings die Natur bereits raffinierte Systeme hervorgebracht, an denen sich Techniker ein Beispiel nehmen können.

Von den Sonnenblumen inspiriert

So sind die Sonnenblumen in den Fokus gerückt. Sie sind dafür bekannt, dass sie ihre großen Blüten dem Sonnenstand im Tagesverlauf folgen lassen, um möglichst viel Strahlung abzubekommen. Dieser sogenannte Phototropismus beruht auf Effekten im Blütenstiel, haben Studien gezeigt. Bei der Verfolgung der Sonne am Tag dehnt sich demnach die Ostseite des Stängels durch hormonell gesteuerte Wachstumsprozesse langsam aus. Dadurch verformt sich der Stiel und richtet die Blüte zum Licht aus. Nachts kommt es dann zu dem gleichen Effekt in der Westseite, wodurch eine Rückorientierung der Blüte nach Osten ausgelöst wird.

Den Phototropismus technisch nachzuahmen, hat sich bisher allerdings als schwierig herausgestellt: Kein Material konnte den Effekt bisher zufriedenstellend vermitteln. Doch nun präsentieren die Forscher um Xiaoshi Qian von der University of California in Los Angeles ein vielversprechendes Konzept. Bei ihren sogenannten SunBOTs handelt es sich gleichsam um Nanotech-Sonnenblumen-Stiele. Die etwa einen Zentimeter langen zylindrischen Gebilde bestehen aus einem speziellen Polymermaterial, in das Nanopartikel aus Gold oder Graphenoxid eingebettet sind. Wenn Licht auf diese winzigen Bestandteile fällt, erhitzen sie sich und geben die Wärme an das Polymermaterial ab. Es handelt sich dabei um eine Substanz, die sich nicht wie viele andere Stoffe durch Wärme ausdehnt, sondern schrumpft.

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Kleine Sonnenanbeter mit Potenzial

Das führt dazu, dass sich der künstliche Stängel auf der beleuchteten Seite zusammenzieht, wodurch er sich in Richtung des Lichts beugt. Verändert sich der Einstrahlwinkel, kühlen die weniger beleuchteten Stellen ab und dehnen sich wieder aus, während sich zunehmend angestrahlte Teile zusammenziehen. Auf diese Weise kann das Gebilde einem weiten Bereich von Beleuchtungsrichtungen folgen, zeigen die Versuche der Wissenschaftler.

Wie sie erklären, handelt es sich bei ihren SunBOTs nun um Prototypen, die das Potenzial des Verfahrens demonstrieren sollen. Es ist denkbar, dass Einheiten aus vielen der lichtsensiblen Nanotech-Stängel dazu dienen könnten, Solarzellen der Richtung des Lichteinfalls anzupassen. Somit ließe sich deren Energieausbeute ohne technischen Aufwand möglicherweise deutlich erhöhen, sagen die Entwickler. Doch auch andere Anwendungsmöglichkeiten scheinen ihnen zufolge denkbar: So könnten SunBOT-Strukturen etwa den Effekt von Jalousien bei Smart-Windows erfüllen, schreiben Qian und seine Kollegen.

Quelle: Nature Nanotechnology, doi: 10.1038/s41565-019-0562-3

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