07.12.2020 - Lancaster University

Vielversprechendes Material kann Sonnenenergie über Monate oder Jahre speichern

Solche Materialien könnten als dünne Beschichtungen zur Enteisung von Autofenstern entwickelt werden

Mit der Abkehr von fossilen Brennstoffen und der Umstellung auf erneuerbare Energien zur Bewältigung des Klimawandels wird die Notwendigkeit neuer Wege zur Erfassung und Speicherung von Energie immer wichtiger.

Forscher der Lancaster University, die ein kristallines Material untersuchen, haben entdeckt, dass es Eigenschaften besitzt, mit denen es Energie von der Sonne einfangen kann. Die Energie kann bei Raumtemperatur mehrere Monate lang gespeichert und bei Bedarf in Form von Wärme abgegeben werden.

Mit der weiteren Entwicklung könnten diese Art von Materialien ein interessantes Potenzial bieten, um Sonnenenergie während der Sommermonate einzufangen und für die Verwendung im Winter - wo weniger Sonnenenergie zur Verfügung steht - zu speichern.

Dies wäre von unschätzbarem Wert für Anwendungen wie Heizsysteme in netzunabhängigen Systemen oder an abgelegenen Orten oder als umweltfreundliche Ergänzung zur konventionellen Heizung in Häusern und Büros. Es könnte möglicherweise auch als dünne Schicht hergestellt und auf die Oberfläche von Gebäuden aufgetragen oder an den Windschutzscheiben von Autos verwendet werden, wo die gespeicherte Wärme zum Enteisen des Glases an eiskalten Wintermorgen genutzt werden könnte.

Das Material basiert auf einer Art "metallorganischem Gerüst" (MOF). Diese bestehen aus einem Netzwerk von Metallionen, die durch Moleküle auf Kohlenstoffbasis zu 3-D-Strukturen verbunden sind. Eine Schlüsseleigenschaft von MOFs ist, dass sie porös sind, d.h. dass sie Verbundmaterialien bilden können, indem sie andere kleine Moleküle in ihren Strukturen aufnehmen.

Das Lancaster-Forschungsteam wollte herausfinden, ob ein MOF-Verbundwerkstoff, der zuvor von einem separaten Forschungsteam an der Universität Kyoto in Japan vorbereitet wurde und als "DMOF1" bekannt ist, zur Energiespeicherung verwendet werden kann - etwas, was bisher nicht erforscht wurde.

Die MOF-Poren waren mit Molekülen von Azobenzol beladen - einer Verbindung, die Licht stark absorbiert. Diese Moleküle fungieren als Fotoschalter, eine Art "molekulare Maschine", die ihre Form verändern kann, wenn ein äußerer Reiz, wie Licht oder Wärme, einwirkt.

In Tests setzten die Forscher das Material UV-Licht aus, das bewirkt, dass die Azobenzolmoleküle ihre Form in eine gespannte Konfiguration innerhalb der MOF-Poren verändern. Dieser Prozess speichert die Energie in ähnlicher Weise wie die potenzielle Energie einer gebogenen Feder. Wichtig ist, dass die engen MOF-Poren die Azobenzolmoleküle in ihrer gespannten Form einfangen, was bedeutet, dass die potenzielle Energie bei Raumtemperatur über lange Zeiträume gespeichert werden kann.

Die Energie wird wieder freigesetzt, wenn externe Wärme als Auslöser zum "Umschalten" ihres Zustands angewendet wird, und diese Freisetzung kann sehr schnell erfolgen - ein bisschen wie bei einer Feder, die gerade zurückschnappt. Dadurch entsteht ein Wärmeschub, der zur Erwärmung anderer Materialien von Geräten genutzt werden könnte.

Weitere Tests zeigten, dass das Material in der Lage war, die Energie mindestens vier Monate lang zu speichern. Dies ist ein aufregender Aspekt der Entdeckung, da viele lichtempfindliche Materialien innerhalb von Stunden oder wenigen Tagen zurückschalten. Die lange Dauer der gespeicherten Energie eröffnet Möglichkeiten zur jahreszeitübergreifenden Speicherung.

Das Konzept der Speicherung von Sonnenenergie in Fotoschaltern wurde schon früher untersucht, aber die meisten früheren Beispiele erforderten, dass sich die Fotoschalter in einer Flüssigkeit befinden. Da es sich bei dem MOF-Verbundwerkstoff um einen festen und nicht um einen flüssigen Brennstoff handelt, ist er chemisch stabil und leicht einzuschließen. Dadurch ist es viel einfacher, sich zu Beschichtungen oder eigenständigen Geräten zu entwickeln.

Dr. John Griffin, Senior Lecturer in Materialchemie an der Lancaster University und Mitleiter der Studie, sagte: "Das Material funktioniert ein wenig wie Phasenwechselmaterialien, die zur Wärmezufuhr in Handwärmern verwendet werden. Doch während Handwärmer erwärmt werden müssen, um sie wieder aufzuladen, ist das Schöne an diesem Material, dass es "kostenlose" Energie direkt von der Sonne einfängt. Es hat auch keine beweglichen oder elektronischen Teile, so dass es keine Verluste bei der Speicherung und Abgabe der Sonnenenergie gibt. Wir hoffen, dass wir mit der weiteren Entwicklung in der Lage sein werden, andere Materialien herzustellen, die noch mehr Energie speichern".

Diese "proof-of-concept"-Erkenntnisse eröffnen neue Wege der Forschung, um herauszufinden, welche anderen porösen Materialien gute Energiespeichereigenschaften haben könnten, wenn man das Konzept der eingeschränkten Fotoschalter anwendet.

Der gemeinsame Forscher Dr. Nathan Halcovitch fügte hinzu: "Unser Ansatz bedeutet, dass es eine Reihe von Möglichkeiten gibt, zu versuchen, diese Materialien zu optimieren, indem entweder der Fotoschalter selbst oder das poröse Wirtsgerüst verändert wird.

Weitere potenzielle Anwendungen für kristalline Materialien, die Photoschaltermoleküle enthalten, sind die Datenspeicherung - die wohldefinierte Anordnung der Photoschalter in der Kristallstruktur bedeutet, dass sie im Prinzip mit einer präzisen Lichtquelle einzeln geschaltet werden könnten und somit Daten wie auf einer CD oder DVD, jedoch auf molekularer Ebene, speichern könnten. Sie haben auch Potenzial für die Abgabe von Medikamenten - Medikamente könnten mit Hilfe von Fotoschaltern in einem Material eingeschlossen und dann bei Bedarf im Körper durch einen Licht- oder Wärmeauslöser freigesetzt werden.

Obwohl die Ergebnisse hinsichtlich der Fähigkeit dieses Materials, Energie über lange Zeiträume zu speichern, vielversprechend waren, war seine Energiedichte bescheiden. Die nächsten Schritte sind die Erforschung anderer MOF-Strukturen sowie alternativer Arten von kristallinen Materialien mit größerem Energiespeicherpotenzial.

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