Die molekulare Solarthermie (MOST) galt einst als großer Hoffnungsträger. Doch dann passierte lange nichts. Nun haben Forscher einen Fortschritt erzielt, indem sie Solarenergie verflüssigen und über Monate speichern.
Auf die Wärmeerzeugung entfällt fast die Hälfte des globalen Energiebedarfs. Bisher decken fossile Brennstoffe wie Gas und Öl zwei Drittel dieser Nachfrage. Während Batterien elektrischen Strom effizient speichern, bleibt die langfristige Speicherung von Wärme eine technische Herausforderung.
Ein Forscherteam der University of California zeigt jetzt einen neuen Weg in der molekularen Solarthermie (MOST) auf. Die Methode speichert Sonnenenergie über Monate hinweg direkt in chemischen Bindungen. Moleküle geben die Energie später genau dann als Wärme ab, wenn Bedarf besteht.
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Molekulare Solarthermie: Inspiration durch Sonnenbrand
Die Wissenschaftler nutzten bei der Entwicklung chemische Prozesse, die einem Sonnenbrand ähneln. Ultraviolettes Licht verknüpft in der menschlichen DNA benachbarte Basen zu sogenannten Dewar-Isomeren. Was in der Natur Krebs auslösen kann, dient hier als hocheffiziente molekulare Batterie.
Eine künstliche Flüssigkeit aus 2-Pyrimidon ahmt diesen Effekt nach. Unter Sonnenlicht faltet sich das Molekül in eine extrem stabile Speicherform. Dieser Zustand bleibt bei Raumtemperatur bis zu 481 Tage lang erhalten.
Das System erreicht eine Energiedichte von 1,65 Megajoule pro Kilogramm. Damit übertrifft es die Kapazität von Lithium-Ionen-Akkus um fast das Doppelte. Zum Vergleich: Klassisches Heizöl speichert etwa 40 Megajoule pro Kilogramm, was den Abstand zu fossilen Energieträgern verdeutlicht.
Flüssiger Brennstoff ohne Gift
Die Forscher nennen den zugrunde liegenden Mechanismus „compounded strain“. Die Moleküle verwinden sich dabei zu einer Struktur mit zwei viergliedrigen Ringen aus 1,2-Dihydroazet und Diazetidin. Diese Ringe erzeugen eine gewaltige Spannung, die die Substanz beim Zurückschnappen als Wärme freigibt.
Im Gegensatz zu früheren Versuchen ist das Speichermaterial bei Raumtemperatur flüssig. Es benötigt keine giftigen Lösungsmittel wie Toluol, welche die Energiedichte verdünnen würden. Pumpen befördern den Brennstoff durch Dachkollektoren direkt in einen Lagertank im Keller.
Die Flüssigkeit reagiert zudem unempfindlich auf Wasser und setzt genug Energie frei, um sie zum Kochen zu bringen. Dies erhöht die Sicherheit für den Einsatz in Wohnhäusern erheblich. Bei einem Leck treten keine toxischen Dämpfe oder gefährlichen Chemikalien aus.
Hürden und Lösungsansätze
Derzeit fangen die Moleküle nur etwa fünf Prozent des Sonnenspektrums ein. Ein energetisches Leck, der sogenannte nicht radiative Zerfall, verhindert bisher eine höhere Effizienz. Dabei schüttelt das angeregte Molekül die Energie sofort als Wärme ab, statt sie dauerhaft zu speichern.
Die Forscher planen zudem den Austausch des flüssigen Säurekatalysators. Eine feste, säurefunktionalisierte Oberfläche soll künftig die Energieabgabe steuern. Dies macht eine nachträgliche Neutralisierung des Brennstoffs überflüssig und vereinfacht den Kreislauf.
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