Wissenschaftler der ETH Zürich revolutionieren die Solarenergie mit hocheffizienter Photovoltaikkeramik und fortschrittlichen Solarreaktoren und produzieren Strom, Wasserstoff und synthetische Kraftstoffe mit geringer Umweltbelastung
Seit fast vierzig Jahren wird die Photovoltaik-Technologie von Silizium-Fotozellen dominiert. Obwohl Silizium-Solarmodule eine ausgezeichnete erneuerbare Ressource darstellen, gibt es erhebliche Einschränkungen, die ihrer breiten Verbreitung entgegenstehen. Die Installation auf dem Dach kann aufgrund der erforderlichen Stützstrukturen komplex und teuer sein. Darüber hinaus erfordert die Herstellung von Siliziumzellen viel Energie, hohe Temperaturen und begrenzte Ressourcen.
Diese Nachteile haben die Forschung nach neuen Solartechnologien vorangetrieben, die Effizienz, Flexibilität und Nachhaltigkeit optimieren können. Eine Gruppe von Ingenieuren der ETH Zürich hat eine entwickelt Photovoltaik-Keramik was die Branche revolutionieren könnte. Wissenschaftler der ETH Zürich haben ein neues Keramikmaterial entwickelt, das Sonnenstrahlen mit tausendmal höherer Effizienz in Energie umwandeln kann als herkömmliche Solarmodule. Diese Innovation hat in Kombination mit einer fortschrittlichen 3D-Drucktechnik das Potenzial, die Solarenergielandschaft völlig zu verändern.
Die Photovoltaikkeramik ist mit einer Perowskitstruktur angereichert, einem metallorganischen Gerüst, das in einem zweidimensionalen Netzwerk strukturiert ist. Diese Technologie ermöglicht die Spaltung von Wassermolekülen in Sauerstoff und Wasserstoff dank der durch Licht erzeugten elektrischen Ladung. Der erzeugte Wasserstoff kann gespeichert und als Energieträger genutzt werden. Dieses Material erzeugt nicht nur elektrische Energie, sondern speichert auch chemische Energie und bietet damit eine überlegene Lösung gegenüber fossilen Brennstoffen.
So funktioniert Photovoltaik-Keramik
Die von der ETH Zürich entwickelte Keramik verfügt über eine ausgeklügelte Nanostruktur, die Sonnenenergie effizient in Strom umwandelt. Das Photovoltaikmaterial besteht aus Aluminiumoxid- und Perowskit-Nanopartikeln, die Licht absorbieren und Strom leiten. Perowskite, die für ihre hervorragenden Lichtsammeleigenschaften bekannt sind, werden in Solarzellen immer häufiger eingesetzt. Allerdings reagieren sie grundsätzlich empfindlich auf Temperatur-, Feuchtigkeits- und mechanische Belastungen. Keramik löst diese Probleme, indem sie Perowskit-Nanopartikel in einer Aluminiumoxidmatrix einkapselt.
Bei Einwirkung von Sonnenlicht werden die Nanopartikel angeregt und erzeugen Elektronen, die von der Aluminiumoxidmatrix zur Oberfläche der Keramik transportiert werden und dort einen elektrischen Strom erzeugen. Diese Photovoltaik-Keramik stellt ein Beispiel für eigenverbrauchsorientierte Innovation dar, ähnlich wie Tesla-Solardächer und Mini-Windkraftanlagen. Diese Erfindung stellt einen Schritt vorwärts hin zu flexibleren Solarmodulen dar, die an den häuslichen Bedarf angepasst sind und es jedem ermöglichen, Strom zu sparen und der Null-Auswirkungen näher zu kommen.
Synthetische Solarbrennstoffe
In den letzten Jahren haben Ingenieure der ETH Zürich die Technologie zur Herstellung entwickelt flüssige Brennstoffe aus Sonnenlicht und Luft. 2019 demonstrierten sie den gesamten thermochemischen Prozess unter realen Bedingungen auf dem Dach des ETH-Maschinenlabors in Zürich. Diese synthetischen Solarkraftstoffe sind CO2-neutral, da sie nur die Menge an CO2 abgeben, die bei ihrer Herstellung aus der Luft aufgenommen wurde.
Herzstück des Herstellungsprozesses ist ein Solarreaktor, der durch einen Parabolspiegel konzentriertem Sonnenlicht ausgesetzt wird, das Temperaturen von bis zu 1500 Grad Celsius erreicht. In diesem Reaktor, der eine poröse Keramikstruktur aus Ceroxid enthält, findet ein thermochemischer Zyklus statt, der aus der Luft aufgenommenes Wasser und CO2 spaltet und Synthesegas erzeugt. Dieses Synthesegas kann zu flüssigen Treibstoffen wie Kerosin weiterverarbeitet werden, die für die Luftfahrt genutzt werden können.
©ETH Zürich
Innovationen im 3D-Druck
Ein Forscherteam hat eine neuartige Technologie entwickelt 3d Drucken Dies könnte die Art und Weise, wie wir Solarenergie verwalten, revolutionieren. Traditionell neigen poröse Materialien, die in Solarreaktoren verwendet werden, dazu, einen Teil des Sonnenlichts zu blockieren, was die Wärmeentwicklung und damit die Brennstoffproduktion einschränkt. Aber jetzt, dank der Arbeit von André StudartExperte für komplexe Materialien, z Aldo Steinfeldeinem Spezialisten für erneuerbare Energien, wurde eine neue Methode zur Herstellung poröser Keramikstrukturen entwickelt, die eine bessere Nutzung der Sonnenstrahlung ermöglicht.
Diese neuen Strukturen sind mit Kanälen und Poren ausgestattet, die sich verengen, je tiefer man in den Reaktor vordringt, eine Konfiguration, die das Sonnenlicht besser einfängt und im gesamten Reaktorvolumen verteilt. Das Ergebnis? Die Innentemperaturen können i 1500°Cdie für die Kraftstoffproduktion unerlässlich ist, und die produzierte Kraftstoffmenge kann im Vergleich zu herkömmlichen Systemen verdoppelt werden.
Beim 3D-Druck dieser Keramikstrukturen wird eine spezielle Tinte mit niedriger Viskosität verwendet, die jedoch reich an Cerpartikeln ist, einem Schlüsselelement zur Optimierung der Sonnenabsorption. Das Patent für diese Technologie ist bereits angemeldet und die Firma Synhelion hat die Rechte zur Kommerzialisierung von der ETH Zürich erworben. Dieser Fortschritt stellt einen großen Fortschritt in der Produktion nachhaltiger Flugtreibstoffe dar und verspricht, Solarreaktoren effizienter und kostengünstiger zu machen.
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Quelle: ETH Zürich
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