Formwandler-Chemikalie ist der Schlüssel zu einer neuen Solarbatterie.

Welche Stromversorgung hat das von Ihnen verwendete Gerät? Elektrizität, offensichtlich. Aber wo kommt das her? Zwei Drittel des in den USA verbrauchten Stroms stammen aus Kraftwerken, die mit fossilen Brennstoffen – Kohle, Öl oder Erdgas – betrieben werden. Solarenergie produziert nur 1,3 Prozent des Stroms. Dennoch könnte die Energie der Sonne leicht jeden unserer Bedürfnisse befriedigen, wenn sie für den Gebrauch gespeichert werden könnte, wenn die Sonne nicht scheint (z.B. nachts). Forscher in Schweden denken jetzt, dass sie einen Weg haben könnten, genau das zu tun.

Erklärer: Verständnis von Licht und elektromagnetischer Strahlung
Als Chemieingenieur nutzt Kasper Moth-Poulsen Chemie und Physik, um Problemlösungen zu entwickeln. Er arbeitet an der Chalmers University of Technology in Göteborg, Schweden. Er arbeitete mit anderen Forschern in Schweden und Spanien zusammen, um das Problem der Speicherung von Energie aus der Sonne anzugehen. Ihre Lösung: Speichern Sie diese Energie in den Verbindungen von Molekülen, die in einer Flüssigkeit suspendiert wurden.

Moleküle bestehen aus zwei oder mehr Atomen. Diese Atome teilen Elektronen durch Bindungen, die sie zusammenhalten.

Verschiedene Arten von Molekülen haben unterschiedliche 3-D-Formen. So ist beispielsweise Methan wie eine dreiseitige Pyramide geformt, die als Tetraeder bezeichnet wird (Teh-tra-HE-drun). Andere Moleküle haben unterschiedliche Formen. Das Hinzufügen von Energie zu einem Molekül kann seine Form verändern. Zwischen seinen Atomen können sich nun neue Bindungen bilden – solche, die unterschiedliche Energiemengen enthalten können. Wenn ein Molekül später Energie absorbiert, kann diese Energie in diesen neuen Verbindungen eingeschlossen werden.

Das ist der Schlüssel zur neuen Solarbatterie.

Die Verwendung von Bindungen innerhalb eines Moleküls zur Speicherung von Sonnenenergie ist nicht neu. Die Gruppe von Moth-Poulsen hatte jahrelang daran gearbeitet. Aber die Moleküle, mit denen sie anfangs arbeitete, enthielten ein seltenes und teures Metall namens Ruthenium (Roo-THEE-nee-um). Die Forscher brauchten eine kostengünstigere Alternative.

Zur Inspiration wandten sie sich der Arbeit anderer Chemiker zu. Sie fanden bald einen vielversprechenden Kandidaten namens Norbornadien (Nor-BORN-uh-DY-een). Es besteht hauptsächlich aus Kohlenstoff und Wasserstoff, Atomen, die in allen Lebewesen vorkommen. Das bedeutet, dass dieses Molekül preiswert und einfach herzustellen sein sollte.

Doch es gab noch ein Problem. Diese Chemikalie konnte nur ultraviolettes (UV-)Licht absorbieren – einen kleinen Teil des Sonnenlichts. Um dieses Molekül nützlicher zu machen, haben die Forscher es so optimiert, dass es mehr Wellenlängen (Farben) des Sonnenlichts absorbiert. Dass Innovation einfach klingt. Tatsächlich dauerte es sieben Jahre, bis sie es geschafft hatten. Jetzt kann ihr Molekül nicht nur Energie aus dem UV-Bereich, sondern auch aus blauem und grünem Licht absorbieren.

Ein Ende des Moleküls reagiert auf dieses Licht. Während es diese Energie absorbiert, zerfällt das Molekül in eine neue Form. Neue Bindungen zwischen seinen Atomen fangen diese Energie ein. Und sie halten es fest, auch nachdem das Molekül auf Raumtemperatur abgekühlt ist.

Erklärer: Was ist ein Katalysator?
Aber Energie zu speichern ist nicht sinnvoll, es sei denn, man kann diese Energie freisetzen, wenn man sie braucht. So fand das Team von Moth-Poulsen einen Weg, sein Molekül dazu zu bringen, die gespeicherte Energie als Wärme freizusetzen. Die Forscher leiten die Flüssigkeit über eine Art Salz, das als Katalysator wirkt. (Katalysatoren sind Materialien, die chemische Reaktionen beschleunigen. Sie werden in den Reaktionen nicht verbraucht, sondern schubsen die Reaktionen mit.) Das Salz bewirkt, dass das Molekül wieder in seine ursprüngliche Form zurückkehrt. Dabei gibt das Molekül die in seinen Bindungen gespeicherte Energie frei. Das erhöht die Temperatur der Flüssigkeit um 63,4 Grad Celsius – genug, um ein Haus zu heizen.

Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse in der Januar-Ausgabe von Energy & Environmental Science.

Solarbetriebene Zukunft
Eine aus diesen Molekülen hergestellte Flüssigbatterie kann Sonnenenergie für Tage, Monate oder sogar Jahre speichern, sagt Moth-Poulsen. So kann die an langen Sommertagen aufgenommene Energie für den Einsatz in der Nacht oder im Winter, wenn die Tage kurz sind, gespeichert werden.

Erklärer: Wie sich Wärme bewegt
Das Team hat sein System in einem Aufdachexperiment in seinem Labor in Schweden getestet. Das System funktioniert gut – aber noch nicht gut genug, um jedes Haus einzurichten. Zunächst muss das Team erhöhen, wie viel von der Sonnenenergie das Molekül aufnehmen kann. “Wir wollen 5 bis 10 Prozent” dieser Energie erreichen, sagt Moth-Poulsen.

Durch die Speicherung von mehr Energie in den Bindungen des Moleküls können diese später mehr Wärme abgeben. Und während das System keinen Strom erzeugt, könnte die von ihm freigesetzte Wärme zum Antrieb einer Turbine genutzt werden, sagt Moth-Poulsen. Eines Tages könnte ein solches System sowohl Gebäude heizen als auch Kraftwerke ohne Verbindung zu externen Stromquellen betreiben. Diese Gebäude könnten auch warm bleiben, ohne dass Energie aus fossilen Brennstoffen benötigt wird.

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Die von Moth-Poulsen’s Team entwickelte Flüssigbatterie würde Teil eines Systems (veranschaulicht) werden, das das Team zur Beheizung eines Hauses entwickelt hat.
Z. Wang et al/Energy & Environmental Science 2019 (CC BY 3.0)
“Wir haben in letzter Zeit einige neue Tricks entdeckt”, sagt Moth-Poulsen. Er hofft, dass diese dazu beitragen werden, dass die Hausheizung noch besser funktioniert. Das sollte seine Erschwinglichkeit und Attraktivität erhöhen.

Jeffrey Grossman findet die neuen Daten spannend. Diese Studie, erforscht er