Luft und Silikat

Aerogel-Kollektoren nutzen Hitze des Sonnenlichts effektiver

Aerogel-Kollektoren

Aerogel-Kollektoren erzeugen mithilfe des Sonnenlichts Temperaturen von bis zu 264 Grad. Bisher waren solche Temperaturen nur durch aufwändige Systeme möglich, die das Licht der Sonne mit Spiegeln konzentriert haben.

Cambridge (U.S.A.). Sonnenkollektoren absorbieren die Hitze des Sonnenlichts, indem sie das eintreffende Licht aufnehmen und anschließend möglichst vollständig verhindern, dass die Wärme der Sonne wieder nach außen gelangt. Flachkollektoren, die sich auf vielen Häusern befinden, bestehen in der Regel aus einer Glasschicht mit einer Beschichtung, die den Wärmeverluste minimieren soll. Die Hitze wird durch Rohre aus Kupfer absorbiert, die von einer Trägerflüssigkeit durchflossen werden. Maximal werden mit dieser Art von Sonnenkollektor Temperaturen von 80 Grad Celsius erreicht, die zwar warmes Wasser erzeugen können aber für viele Einsatzzwecke nicht ausreichen.

Durch ein Vakuum, dass die Glasschicht und die Absorberschicht voneinander isoliert, können Sonnenkollektoren derzeit Temperaturen von etwa 150 Grad Celsius erreichen. Noch höhere Temperaturen, die zum Beispiel für den Betrieb von solarthermischen Kraftwerken benötigt werden, können bisher nur das Bündeln von Sonnenlicht über Spiegel erreicht werden.

Neue Sonnenkollektoren erreichen 264 Grad Celsius

Laut einer Forschungsarbeit, die Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT) im Fachmagazin ACS Nano publiziert haben, können gewöhnliche Sonnenkollektoren durch den Einsatz eines neuen Materials Temperaturen von bis zu 264 Grad Celsius erzeugen, die in Haushalten und der Industrie zur Warmwasserbereitung, zur Heizung, zur Dampferzeugung, zur Sterilisation und für weitere Aufgaben ausreichen. Im Gegensatz zu bisherigen Technologien, die so hohe Temperaturen mithilfe des Sonnenlichts erzeugen konnten, benötigt das neue Material keine weiteren optischen oder mechanischen Komponenten, die das System komplexer und damit teurer machen würden.

Möglich wird dies durch ein neues Aerogel, das aus einer Silikat-Grundstruktur besteht, dessen Poren mit Luft gefüllt sind. Da das Material zu etwa 90 Prozent aus Luft besteht besitzt es eine niedrige Wärmeleitfähigkeit. Aerogele werden aus diesem Grund seit längerem auch als Dämmmaterial für Gebäude genutzt. In Sonnenkollektoren konnten Aerogele hingegen bisher nicht eingesetzt werden, da sie nicht transparent waren und somit nicht genügend Sonnenlicht einfallen konnte. Durch eine Verringerung der Porengröße ist es den Wissenschaftlern des MIT nun gelungen, dass statt 70 Prozent 95 Prozent des Sonnenlichts die Absorberschicht erreicht.

220 Grad heiße Trägerflüssigkeit im kalten Winter

Bei ersten Tests des neuen Aerogels im Winter konnte die Trägerflüssigkeit bei einer Außentemperatur um den Gefrierpunkt auf mehr als 220 Grad Celsius aufgeheizt werden. Bisher wurden solche Temperaturen selbst unter besseren Bedingungen im Sommer nur mit konzentrierenden Systemen aber nicht mit einfachen Sonnenkollektoren erreicht.

Evelyn Wang, Autoren der Studie erklärt, dass „Aerogel-basierte System, da sie nach Prinzipien arbeiten wie herkömmliche Sonnenkollektoren und keine weitere Zusatzkomponenten benötigten, einfach ausgetauscht werden können.“

Außerdem sind die Materialen des Aerogels, das hauptsächlich aus Silikat, das sind Salze und Ester der Ortho-Kieselsäure, in der Natur reichlich vorhanden. Einzig der Trocknungsprozess, bei dem aus dem flüssigen Gel ein festes Bauteil wird macht noch Probleme. Trotz der teuren Produktion sind Aerogel-Kollektoren laut Berechnungen der Wissenschaftler in einigen Bereichen bereits jetzt herkömmlichen Sonnenkollektoren auch wirtschaftlich überlegen. Sobald die Produktionsprobleme gelöst sind können Aerogel-Kollektoren gewöhnliche Sonnenkollektoren in allen Einsatzbereichen ablösen.

ACS Nano, doi: 10.1021/acsnano.9b02976

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