Neue Form der Solarthermie

Graphen-Folie bietet neue Möglichkeiten effizienter Wärmeenergie-Gewinnung

Forscher des Zentrums für Translationale Atomaterialien der Swinburne University of Technology im australischen Melbourne (CTAM) haben eine hocheffiziente Folie entwickelt, die Sonnenlicht mit minimalem Wärmeverlust absorbiert und sich in offener Umgebung schnell auf bis zu 83°C erwärmt. Der Graphen-Metamaterial-Film hat großes Potenzial für den Einsatz bei der Solarthermie, der Thermophotovoltaik (direkte Umwandlung von Wärme in Elektrizität),der solaren Meerwasserentsalzung, der Abwasserbehandlung, bei Lichtquellen und Fotodetektoren – so eine Veröffentlichung am 13.03.2020 in Nature Communications.

Die Forscher entwickelten einen Prototyp, um die photothermische Leistung und die thermische Stabilität der Folie zu demonstrieren. Sie haben auch einen skalierbaren und kostengünstigen Produktionsweg entwickelt, um die Graphen-Folie für praktische Anwendungen herzustellen.

Die Unterdrückung von thermischen Emissionsverlusten – auch bekannt als Schwarzkörperstrahlung – bei gleichzeitiger Absorption des Sonnenlichts ist für einen effizienten solarthermischen Absorber von entscheidender Bedeutung, ist aber äußerst schwierig zu erreichen, sagt Baohua Jia, Gründungsdirektorin des CTAM. “Das liegt daran, dass die Emissionstemperatur je nach der absorbierten Wärme und den Eigenschaften des Absorbers unterschiedlich ist, was zu erheblichen Unterschieden in der Wellenlänge führt”, erklärt sie. “Aber wir haben ein dreidimensional strukturiertes Graphen-Metamaterial (SGM) entwickelt, das hoch absorbierend ist und die Schwarzkörperstrahlung selektiv herausfiltert.

Das 3D-SGM besteht aus einer 30 Nanometer dicken Schicht aus abwechselnd Graphen- und dielektrischen Schichten, die auf einer grabenartigen Nanostruktur abgeschieden sind, die zur Verbesserung der Absorption doppelt als Kupfersubstrat dient. Noch wichtiger ist, dass das Substrat in einer Matrixanordnung strukturiert ist, um eine flexible Abstimmbarkeit der wellenlängenselektiven Absorption zu ermöglichen.

Der Graphenfilm ist so ausgelegt, dass er Licht zwischen 0,28 bis 2,5 Mikrometer Wellenlänge absorbiert. Und das Kupfersubstrat ist so strukturiert, dass es als selektiver Bandpassfilter fungieren kann, der die normale Emission von intern erzeugter Schwarzkörperenergie unterdrückt. Diese zurückgehaltene Wärme dient dann dazu, die Temperatur des Metamaterials weiter zu erhöhen. Daher kann das SGM schnell auf bis zu 83 Grad Celsius erhitzen. Sollte für eine bestimmte Anwendung eine andere Temperatur erforderlich sein, kann eine neue Graben-Nanostruktur hergestellt und auf diese spezifische Schwarzkörperwellenlänge abgestimmt werden.

“In unserer früheren Arbeit haben wir einen wärmeabsorbierenden 90 nm Graphen-Metamaterial-Film vorgestellt”, sagt Professorin Baohua Jia, Gründungsdirektorin des Zentrums für Translationale Atomaterialien. “In dieser neuen Arbeit haben wir die Schichtdicke auf 30 nm reduziert und die Leistung durch Minimierung des Wärmeverlustes verbessert. Diese Arbeit bildet einen aufregenden Abschnitt in unserer Atomaterialforschung.”

Konzept des strukturierten Graphen-Metamaterials. Unten: Die 30-Nanometer-Graphen-Metamaterial-Folie absorbiert fast das gesamte Sonnenlicht und erwärmt sich effizient auf bis zu 83°C – Bild © swinburne.edu.au

Hauptautor Keng-Te Lin sagt: “Unser kostengünstiger und skalierbarer strukturierter Graphen-Metamaterial-Absorber ist vielversprechend für Anwendungen in der Energiegewinnung und -umwandlung. Mit unserer Folie kann eine beeindruckende Solar-zu-Dampf-Effizienz von 96,2 Prozent erreicht werden, die für die Erzeugung von sauberem Wasser aus erneuerbaren Energiequellen sehr wettbewerbsfähig ist.

Koautor Dr. Han Lin fügt hinzu: “Neben der langen Lebensdauer des vorgeschlagenen Graphen-Metamaterials ist die solarthermische Leistung unter Arbeitsbedingungen sehr stabil, was es für die industrielle Nutzung attraktiv macht. Durch die Dicke von 30 nm wurde die Menge der Graphenmaterialien deutlich reduziert, was Kosten spart und sie für Anwendungen zugänglich macht.”

Abstrakt aus Nature Communications 

Ein idealer solarthermischer Absorber erfordert eine effiziente selektive Absorption mit einer abstimmbaren Bandbreite, eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit und Stabilität sowie eine einfache Struktur für eine effektive solarthermische Energieumwandlung. Obwohl schon verschiedene Solarabsorber vorgestellt wurden, sind diese Bedingungen mit konventionellen Materialien und Strukturen nur schwer gleichzeitig zu erreichen. Hier schlagen die Autoren ein dreidimensional strukturiertes Graphen-Metamaterial (SGM) vor und demonstrieren es, das die Vorteile der Wellenlängenselektivität von metallischen grabenartigen Strukturen und der breitbandigen Dispersionslosigkeit sowie der ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit des ultradünnen Graphen-Metamaterialfilms nutzt. Die SGM-Absorber weisen eine hervorragende solarselektive und omnidirektionale Absorption, eine flexible Abstimmbarkeit der wellenlängenselektiven Absorption, eine ausgezeichnete photothermische Leistung und eine hohe thermische Stabilität auf. Es wurde eine beeindruckende Solar-zu-Wärme-Umwandlungseffizienz von 90,1% und eine Solar-zu-Dampf-Effizienz von 96,2% erreicht. Diese überlegenen Eigenschaften des SGM-Absorbers deuten darauf hin, dass er ein großes Potenzial für praktische Anwendungen der Gewinnung und Handhabung von solarthermischer Energie hat.

Wunder-Stoff Ato-Materialien

Sehr selbstbewusst erläutern die Wissenschaftler vom CTAM auf fer Swinburne-Internetseite die zukünftigen Eigenschaften ihrer Ato-MAterialien: Wie werden die Atomaterialien unsere Welt verändern? Mit Hilfe von Atomaterialien schaffen die Swinburne-Forscher neue Funktionalitäten und Produkte, die unsere Welt und die von uns verwendeten Alltagsprodukte verändern werden. Dazu gehören:

  • Ein Superkondensator als Energiespeicher: Die Superbatterie aus Graphen wird Geräte in Sekunden und Elektrofahrzeuge in Minuten aufladen. Sie hat eine Lebensdauer von Millionen von Zyklen, weil sie nicht auf eine chemische Reaktion angewiesen ist. Sie ist auch sicherer als heutige Batterien, die für die Umwelt giftig sind.
  • Ultradünne Graphen-Solarheizung: Ein Material, das sich unter natürlichem Sonnenlicht in einer halben Minute in offener Umgebung schnell auf bis zu 160 Grad Celsius erhitzen kann. Es könnte zur Gewinnung von Sonnenenergie, zur Destillation von Meerwasser zu sauberem Trinkwasser für den sofortigen Verbrauch oder zur Schaffung effizienterer Warmwassersysteme verwendet werden.
  • Selbstkühlender Film: Ein Film, der die Aufnahme von Wärme verhindert und die Umgebung ohne Strom um bis zu 10 Grad abkühlen kann. Er könnte für Gebäude oder Kleidung verwendet werden und würde den Stromverbrauch um 35 Prozent reduzieren, die Zahl der Stromausfälle im Sommer verringern und den Kohlendioxidausstoß reduzieren.
  • Intelligente, sensorische Oberflächen: Viele Atomaterialien sind empfindlich gegenüber Temperatur, Berührung und anderen Parametern. Dieses Team erforscht Sensoren, die in Geräte integriert oder in die Umgebung eingetaucht werden können, um sie “intelligent” zu machen, wenn sie mit anderen Technologien verbunden sind. Beispielsweise könnten die Böden von Pflegeeinrichtungen für ältere Menschen überwacht werden, wenn Bewohner umkippen, oder in Lenkräder integriert werden, um den Zugriff des Fahrers zu beurteilen und Unfälle zu vermeiden.

->Quellen: