Ein möglicherweise bahnbrechendes solarbetriebenes Gerät hat Temperaturen von über 1.000 °C erreicht, was Hoffnungen auf die Nutzung grüner Energie für den Betrieb einiger der fossilintensivsten Herstellungsprozesse der Erde weckt.
Die neue Proof-of-Concept-Technologie verwendet synthetische Quarzkristalle, um Sonnenenergie bei Temperaturen über 1.000 °C einzufangen und demonstriert damit ihr Potenzial, saubere Energie für kohlenstoffintensive Industrien wie die Metall-, Zement- und Chemieherstellung bereitzustellen.
Für die Herstellung von Materialien wie Glas, Stahl und Keramik sind Temperaturen über 1.000 °C erforderlich, was derzeit normalerweise nur durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe erreicht wird.
Auf diese Fertigungsindustrien entfällt fast ein Viertel des weltweiten Energieverbrauchs.
Wissenschaftler haben bereits zuvor versucht, Solarenergie zur Befeuerung dieser Industriezweige zu nutzen, indem sie das Sonnenlicht mit einer Reihe von Tausenden von Spiegeln, die der Sonne nachgeführt werden, einfangen und konzentrieren. Mit solchen Methoden konnten die erforderlichen Temperaturen jedoch nicht effizient erreicht werden.
Das neue Gerät, das aus der Befestigung synthetischer Quarzkristalle an einer undurchsichtigen Siliziumscheibe besteht, nutzt ein Phänomen namens „Thermal Trap Effect“, um Sonnenlicht mit bisher unerreichter Effizienz zu nutzen.
Der technologische Durchbruch wird in einer im Fachmagazin veröffentlichten Studie beschrieben Gerät Am Mittwoch.
Das Funktionsprinzip besteht darin, dass undurchsichtige Materialien, die der Sonnenstrahlung ausgesetzt sind, diese an der Oberfläche absorbieren und durch Wärmeleitung ins Innere übertragen, während halbtransparente Materialien das Sonnenlicht eindringen lassen und im Innenvolumen absorbiert werden.
Durch die richtige Abstimmung halbtransparenter Materialien mit einer geeigneten Energiestrahlungsquelle ist es möglich, Temperaturen zu erreichen, die in der Masse des Materials höher sind als an der der Sonnenstrahlung ausgesetzten Oberfläche – mit anderen Worten: die Schaffung einer Wärmefalle.
Als Forscher ihr Gerät einem Energiefluss aussetzten, der dem Licht von 136 Sonnen entsprach, erreichte ein Ende des Geräts 1.050 °C und das andere 600 °C.
„Bisherige Forschungen konnten den thermischen Falleneffekt nur bis zu 170 °C nachweisen. „Unsere Forschung hat gezeigt, dass die solarthermische Speicherung nicht nur bei niedrigen Temperaturen, sondern weit über 1.000 °C funktioniert“, sagte Emiliano Casati von der ETH Zürich, Mitautor der Studie.
„Dies ist entscheidend, um sein Potenzial für reale industrielle Anwendungen zu zeigen.“
Derzeit optimieren die Forscher den thermischen Falleneffekt und untersuchen neue Anwendungen für die Methode.
Vorläufige Analysen zur Untersuchung anderer Materialien ergaben, dass sogar noch höhere Temperaturen erreicht werden könnten.
„Diese Studie trägt zur Entwicklung effizienterer Solarempfänger bei, um wichtige Industrieprozesse zu dekarbonisieren, die viel Wärme erfordern, wie die Herstellung von Zement und Metallen und die thermochemische Produktion von Solarbrennstoffen“, sagte Dr. Casati.
„Um die Akzeptanz in der Industrie wirklich zu motivieren, müssen wir die Wirtschaftlichkeit und Vorteile dieser Technologie im großen Maßstab demonstrieren.“