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Dienstag, 19.09.2017
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Sonnenenergie-Speicher aus Nanoröhrchen

Nanofabrikation ermöglicht Produktion maßgeschneiderter chemischer Speichermaterialien

Amerikanische Forscher haben eine neue Möglichkeit entdeckt, die Energie des Sonnenlichts chemisch zu speichern. Als effektiver „Licht-Akku“ erwies sich eine Verbindung aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen und einem organischen Ringmolekül. Von Licht angestrahlt, ändert dieser Komplex seine Struktur zu einer energiereicheren Form. Erst wenn er einen weiteren Reiz erhält, springt die Struktur in die alte Form zurück. Dabei gibt sie die gespeicherte Energie wieder als Wärme ab.
Licht-Akku

Licht-Akku

„Man hat damit ein Material, das Energie umwandelt und speichert. Es ist robust, es degradiert nicht und es ist billig“, sagt Alexie Kolpak vom Massachusetts Institute of Technology (MIT). Ein großer Vorteil sei die hohe Energiedichte der Verbindung: Sie entspreche der eines herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus. Damit kann die Nanoröhrchen-Verbindung 10.000 Mal mehr Energie auf gleichem Volumen speichern als bisherige Lichtspeichermaterialien. Im Gegensatz zu diesen kommt das neue Material zudem ganz ohne das wertvolle und knappe Element Ruthenium aus.

Eine Beschränkung gebe es allerdings noch, räumen die Forscher im Fachmagazin „Nano Letters“ ein: Der Nanoröhrchen-Speicher sei gut zur Wärmeproduktion geeignet. Um mit ihm Strom aus dem Sonnenlicht zu gewinnen, müsste aber noch ein weiterer Umwandlungsschritt - zum Beispiel eine Dampfturbine - nachgeschaltet werden.

Chemische Speicher bisher zu instabil oder zu teuer


Die Umwandlung in chemische Energie gilt als gute Möglichkeit, die Sonnenenergie relativ verlustarm über längere Zeit zu speichern. Ein dafür geeignetes Material fehlt nach Einschätzung der MIT-Forscher jedoch bisher. Einige Moleküle zerfallen schon nach wenigen Zyklen des Aufnehmens und Abgebens, andere sind zu teuer. Nun könnten Kolpak und ihre Kollegen einen chemischen Sonnenenergie-Speicher entwickelt haben, der sowohl günstig als auch stabil ist.


Nanoröhrchen als Konstruktionshilfe


Das von den Forschern entwickelte Material besteht aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Grundgerüst. An diese sind Azobenzole angelagert, ringförmige Kohlenwasserstoffe. Diese Verbindung erhalte „neue Eigenschaften, die in den Einzelmolekülen nicht erreichbar sind“, sagt Arbeitsgruppenleiter Jeffrey Grossman.

Entscheidend für die guten Eigenschaften als Energiespeicher sei die Energielücke zwischen den beiden stabilen Zuständen - energiearm und energiereich -, die das Molekül einnehmen könne. Ist die Lücke zu klein, fällt das Molekül zu leicht in seinen Grundzustand zurück und versagt als Speicher. Ist die Lücke zu groß, gibt es seine Energie nicht ohne weiteres wieder her. „Mithilfe der Nanotechnologie kann man kontrollieren wie viel Energie ein Molekül speichern kann und wie lange“, sagt Kolpak.

Energiedichte kann signifikant erhöht werden


„Das Neue an dieser Arbeit ist, dass sie zeigt, wie die Energiedichte signifikant erhöht werden kann“, kommentiert Yosuke Kanai von der University of North Carolina die Studie. Diese innovative Idee eröffne eine interessante Möglichkeit, auch bereits bekannte photoaktive Moleküle für solarthermische Anwendungen und als Speicher maßzuschneidern.

„Ich sehe dies nur als Spitze eines Eisbergs“, sagt auch MIT-Forscher Grossman. Er und sein Team seien bereits aktiv dabei, sich eine Reihe neuer Materialien als potenzielle Sonnenenergie-Speicher anzuschauen. (Nano Letters, 2011; DOI: 10.1021/nl201357n)
(Nano Letters / Massachusetts Institute of Technology / dapd, 15.07.2011 - NPO)
 
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