Forscher am MIT haben eine hocheffiziente thermophotovoltaische Zelle gebaut das, wenn es mit erneuerbaren Ressourcen gepaart wird, einfallende Photonen – Lichtteilchen – effizient in Strom umwandelt. Es ist ein Leistung die zu neuen Wegen der Energieversorgung der Welt inspirieren könnten.

„Das Problem ist, du verstehst es nicht [renewable] Energie, wann immer Sie wollen“, Asegun Henry, Maschinenbauingenieur am MIT und Autor des neuen Nature lernen, erklärt in einem Videoanruf. „Man bekommt sie nur bei günstigem Wetter: wenn die Sonne scheint oder der Wind weht.“ Die Antwort auf dieses Dilemma liegt in dem, was Henry „thermische Batterien“ nennt, in denen Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie Solarenergie als Wärme gespeichert wird.

Thermische Batterien könnten Energie an das Stromnetz „abgeben“, wann immer sie benötigt wird, sagte Henry. Lithium-Ionen-Akkus reichen hierfür nicht aus. „Lithium-Ionen-Batterien sind leider zu teuer, und es gab eine Reihe von Studien, die untersucht haben, wie billig die Speicherung sein muss, damit wir ein vollständig erneuerbares Netz haben“, erklärte Henry. „Hier haben wir also diese Technologie entwickelt – Wärmebatterien – weil es 10- bis 100-mal billiger ist, Energie als Wärme zu speichern, anstatt sie elektrochemisch zu speichern.“

Wie es funktioniert

Die thermophotovoltaische Zelle beruht auf einer grundlegenden Halbleiterphysik. Die Atome in den Legierungen eines Halbleiters haben Bandlücken, dh den Abstand zwischen der Valenzschale der Elektronen und dem Leitungsband. Wenn die Elektronen im Valenzband erregt werden, werden sie angeregt (wie Sie selbst, wenn Sie diesen Artikel lesen) und springen vom Valenzband in das Leitungsband. Dieser Sprung führt zu einer Energiefreisetzung, wobei die genaue Menge an freigesetzter Energie durch den Abstand der Bandlücke bestimmt wird. Mit anderen Worten, die freigesetzte Energiemenge wird dadurch bestimmt, wie viel Energie das Elektron benötigt, um über die Bandlücke zu springen.

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Die Elektronen in dieser thermophotovoltaischen Zelle befinden sich in ihren Legierungen, die wie die Schichten eines Kuchens übereinander gestapelt sind. Die Zelle besteht aus zwei Schichten halbleitender Legierungen und einer reflektierenden Schicht aus Gold. Die Legierungen in diesem Experiment wurden gemäß der Wellenlänge der Photonen ausgewählt, die erforderlich sind, um die Zelle mit ihrer höchsten Effizienz zu versorgen. Wenn „Sie Licht bei einer bestimmten Frequenz absorbieren möchten, können Sie herausfinden, welche Legierungen Ihnen die richtigen Bandlücken liefern, die Sie wollen“, sagte Henry.

Auch die Position der Legierungen innerhalb der Wärmekraftmaschine war ein wichtiger Faktor. Die erste Schicht wurde so konzipiert, dass sie die größte Bandlücke hat, um die Photonen mit der höchsten Energie einzufangen. Photonen, die nicht von der ersten Schicht eingefangen werden, fallen dann zur zweiten Schicht durch und schieben Elektronen über eine kleinere Bandlücke. Wenn ein Photon nicht genug Energie hat, um ein Elektron durch die Lücke in der ersten oder zweiten Schicht zu schieben, kann die reflektierende Goldschicht Photonen zurück in die Lichtquelle reflektieren, um Energieverschwendung zu reduzieren. Die Wendung ist jedoch, woher diese Photonen kommen.

Henry und das Forschungsteam arbeiteten in einer kontrollierten Laborumgebung und erhielten die Photonen aus überhitztem Metall, das sich direkt über der Wärmekraftmaschine befand.

„Wir schickten Strom zu einer Widerstandsheizung, die ein paar Meter entfernt war“, erklärte Henry. Dieser Widerstandsheizer war wie ein komplexer Glühbirnenfaden – ein Leiter, der glüht und überhitzt wird, wenn Energie durch ihn fließt. Das heiße, glühende Metall setzte Photonen frei, die von den Legierungsschichten eingefangen wurden, die in der Wärmekraftmaschine Strom erzeugten; Die Forscher fanden heraus, dass ein Element, das auf 1.900 bis 2.400 Grad Celsius (3.452 bis 4.352 Grad Fahrenheit) erhitzt wurde, ihnen die beste Effizienz verlieh.

In einem Labor ist es einfach, eine Widerstandsheizung an eine Wandsteckdose anzuschließen, aber die Forscher haben reale Szenarien im Sinn. Idealerweise möchten sie in diesen großen Batterien Energie aus nachwachsenden Rohstoffen speichern, auf die sie dann mit den Wärmekraftmaschinen zugreifen könnten.

Was die Wärmekraftmaschine kann

Um Energie als Wärme zu speichern, würde eine erneuerbare Energiequelle die Widerstandsheizungen antreiben, die flüssiges Metall erhitzen. Das flüssige Metall wurde dann über Graphitblöcke gepumpt, was Henry als „Sonne in einer Kiste“ beschreibt. Die hypothetische Sun-in-a-Box würde mit der halben Temperatur der tatsächlichen Sonne arbeiten und dann die Widerstandsheizungen mit Strom versorgen, die Photonen an die Wärmekraftmaschinen senden, die in einer großen Anordnung übereinander gespeichert würden.

Henry erkannte schnell, dass dies wie etwas aus einem Science-Fiction-Roman klingt, aber von demselben Team recherchiert wurde Vor fünf Jahren inspirierte sie, die Methodik weiter voranzutreiben. Sie waren die ersten, die demonstrierten, dass es möglich war, flüssiges Metall auf über 1.832 Grad Fahrenheit (1.000 Grad Celsius) zu pumpen, eine Leistung, die ihnen einbrachte Guinness Welt Rekord für die höchste Temperatur des gepumpten Flüssigmetalls.

Er sagte, eine potenzielle Gefahr einer vollwertigen thermischen Batterie und einer Wärmekraftmaschinen-Stromversorgung bestehe darin, dass sie in einer sauerstofffreien Umgebung betrieben würden. „Dieses Ding wird in einem Lagerhaus aufbewahrt, das mit Inertgas wie Argongas gefüllt ist“, erklärte Henry. „Diese Umgebung hat keine Luft, also kann man da nicht einfach reingehen.“ Idealerweise wäre das Speichersystem so konzipiert, dass alle Wartungsarbeiten aus der Ferne durchgeführt werden könnten, aber er sagte, dass regelmäßige Inspektionen und Reparaturen immer noch sicher durchgeführt werden könnten.

„Wir würden gerne während der jährlichen Wartung einen Blick darauf werfen, und Sie kühlen das System einfach ab oder kühlen einen Teil davon ab und schicken jemanden hinein“, sagte Henry zu mir. „Wenn Sie einen Notfall hatten, könnten Sie das System abkühlen und jemanden mit Tauchausrüstung und einer Sauerstoffflasche reinschicken.“

Ihre thermophotovoltaische Zelle arbeitet mit einem Wirkungsgrad von 40 %, was besser ist als bei früheren Konstruktionen und vergleichbar mit Dampfturbinen. Es ist ein vielversprechendes Ergebnis, und Henry und seine Kollegen streben nun nach einem noch größeren Ziel: diese Technologie auf ein Kraftwerk in Lagerhausgröße zu skalieren, das in das bestehende Stromnetz eingesteckt werden könnte.