Graphen: Extreme Steigerung der Effizienz bei der Nutzung von Solarenergie

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Eine neue Entwicklung aus Graphen kann die Gewinnung von Solarenergie sehr viel effizienter machen. Australische Forscher haben eine Graphenfolie entwickelt, die 90 Prozent der Wärmeenergie aus der Sonne aufnimmt und thermische Verluste minimiert. Sie eignet sich neben der Solarthermie auch für andere Anwendungen.

Graphenfolie unterdrückt Schwarzkörperstrahlung

Die Folie, die an der Swin­burne University of Technology in Melbourne entwickelt wurde, unterdrückt die thermischen Emissionsverluste, auch bekannt als Schwarzkörperstrahlung, während sie gleichzeitig das Sonnenlicht absorbiert. Das ist wichtig, damit Sonnenkollektoren effizient funktionieren, aber schwierig zu erreichen. Das liegt daran, dass die Emissionstemperatur je nach absorbierter Wärme und den Eigenschaften des Kollektors unterschiedlich ist. Dies führt zu großen Unterschieden in der Wellenlänge.

Um das Problem zu lösen, nutzen die Forscher in Melbourne ein dreidimensionales Graphen-Metamaterial, das die Schwarzkörperstrahlung selektiv herausfiltert. In offener Umgebung heizt sich die Folie schnell auf 83 Grad Celsius auf. Sie besteht aus einer 30 Nanometer dicken Schicht, in der sich Graphen und die elektrische Schichten abwechseln. Darunter befindet sich eine Nanostruktur mit vielen Erhebungen und Spalten, die gleichzeitig als Kupfersubstrat die Absorption verbessert. Außerdem ist das Substrat in einer Matrixstruktur angeordnet, um die wellenlängenselektive Absorption flexibel abstimmen zu können.

Die Graphenfolie absorbiert Sonnenlicht zwischen 0,28 bis 2,5 Mikrometern Wellenlänge. Das Kupfersubstrat ist so strukturiert, dass es als Bandpassfilter die normale Emission intern erzeugter Schwarzkörperenergie unterdrückt. Diese zurückbehaltene Energie erhöht die Temperatur des Materials weiter. Deshalb kann sich die Folie so schnell so stark aufheizen. Sollte für eine andere Anwendung eine andere Temperatur nötig sein, kann eine neue Nanostruktur angefertigt werden, die dann genau die spezifische Schwarzkörperstrahlung mit anderer Wellenlänge filtert.

Kostengünstige und skalierbare Herstellung

Die Herstellung der Folie sei kostengünstig sowie skalierbar, sagen die Forscher. Sie lässt sich neben der Solarthermie auch für die Gewinnung und Umwandlung erneuerbarer Energien nutzen, sowie zur Abwasseraufbereitung, der Entsalzung von Meerwasser, und zur Erzeugung von Strom aus Wärme. Für die Dampferzeugung aus Sonnenlicht mithilfe der Folie geben die Forscher beispielsweise eine Effizienz von 96,2 Prozent an.

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