Iridium-Emitter: Die Antwort auf die Herausforderungen der Thermophotovoltaik

Das Prinzip der Thermophotovoltaik besteht darin, Wärme in elektrischen Strom umzuwandeln. Um die Strahlungsenergie effizient aus der Wärmequelle zu gewinnen, werden sogenannte selektive Emitter eingesetzt. Diese befinden sich zwischen der Wärmequelle und der Photovoltaikzelle und geben lediglich einen spezifischen Teil der Strahlung ab, während sie den Rest unterdrücken. Eine bedeutende Herausforderung besteht darin, dass die Umwandlung von Wärme in Strom bei extremen Temperaturen von etwa 1000°C stattfindet. Der Emitter muss daher in der Lage sein, diesen Temperaturen standzuhalten, ohne seine Fähigkeit zur selektiven Strahlungsemission zu beeinträchtigen. In Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Hamburg (TUHH) und der Universität Aalborg ist es den Forschenden des Helmholtz-Zentrums Hereon nun erfolgreich gelungen, einen neuen Emitter aus dem widerstandsfähigen Metall Iridium zu entwickeln, der diesen anspruchsvollen Bedingungen gewachsen ist, ohne seine Effizienz einzubüßen.

Welche Eigenschaften hat Iridium?

Iridium ist ein äußerst seltenes chemisches Element, das im Periodensystem der Elemente die Ordnungszahl 77 trägt und mit dem Symbol „Ir“ gekennzeichnet ist. Es gehört zu den Platinmetallen und kommt nur in geringen Mengen auf der Erde vor. Oft wird es zusammen mit anderen Edelmetallen wie Platin und Palladium in Mineralvorkommen gefunden.

Eine bemerkenswerte Eigenschaft von Iridium ist seine außerordentlich hohe Dichte, wobei es nach Osmium das zweitdichteste Element ist. Diese Dichte macht Iridium in verschiedenen Anwendungen äußerst nützlich.

Eines der herausragenden Merkmale von Iridium ist seine bemerkenswerte Korrosionsbeständigkeit, die es in extremen Umgebungen und bei hohen Temperaturen stabil hält. Die Schmelztemperatur von Iridium liegt bei etwa 2.447 Grad Celsius, und seine Siedetemperatur beträgt rund 4.527 Grad Celsius.

Aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften findet Iridium in verschiedenen Bereichen Anwendung. Es wird in der Elektronikindustrie, in Hochtemperaturlegierungen, in der Raumfahrttechnik (beispielsweise in Raketen und Raumfahrzeugen) und in der Chemieindustrie eingesetzt. Zudem wird Iridium in der Schmuckherstellung verwendet, oft in Kombination mit Platin, da es aufgrund seiner Beständigkeit und Schönheit geschätzt wird.

Warum ein Emitter aus Iridium entscheidend ist

In der Thermophotovoltaik, genauso wie in der herkömmlichen Photovoltaik, erfolgt die Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrischen Strom. Der entscheidende Unterschied besteht jedoch darin, dass in der Thermophotovoltaik die Strahlungsenergie nicht von der Sonne stammt, sondern von einer Wärmequelle, wie sie beispielsweise in der Stahlindustrie verwendet wird. Zwischen dieser Wärmequelle und der Solarzelle befindet sich ein Bauteil namens Emitter. Dieser Emitter besteht aus mehreren sehr dünnen Schichten, die aus abwechselnden Materialien wie Metall und Oxid bestehen. Es ist wichtig, dass diese Schichten bei hohen Temperaturen ihre Eigenschaften beibehalten, um die Umwandlung von Wärme in Strom zu ermöglichen. Idealerweise gibt der Emitter nur kurzwellige Photonen ab und unterdrückt langwellige Strahlung. Dies ist von großer Bedeutung, da die photovoltaische Zelle nicht in der Lage ist, langwellige Strahlung in elektrischen Strom umzuwandeln.

Bei erhöhten Temperaturen neigen die meisten Metalle zur Oxidation, was zu einer Beeinträchtigung der Funktion des Emitters führt. Die Forscher konnten jedoch nachweisen, dass der neu entwickelte selektive Emitter aus Iridium und Hafniumoxid seine Funktionalität über einen Zeitraum von 100 Stunden bei 1000 °C vollständig beibehält. Das Metall widersteht somit den anspruchsvollen Bedingungen ohne jegliche Beeinträchtigung, wie durch Röntgenuntersuchungen bestätigt wurde. Die erfolgreiche Entwicklung selektiver Emitter auf der Basis von Iridium stellt einen bedeutenden Fortschritt auf dem Weg zur Weiterentwicklung der Thermophotovoltaik dar.

„Mit Iridium gehen wir beide Aspekte gleichzeitig an: die Selektivität und die Temperaturstabilität“, wird Alexander Petrov, der sich an der TUHH mit optischen Eigenschaften von Materialien beschäftigt, in einer Pressemitteilung zitiert. „Selektive Emitter auf Iridium-Basis sind sehr gut in der Lage, unerwünschte Strahlung zu unterdrücken und reagieren nicht mit Sauerstoff. Iridium ist ein Edelmetall wie Gold, aber geeignet für Hochtemperaturanwendungen“, erklärt er weiter.

Potenzial für effizientere und nachhaltigere Systeme erschlossen

„Indem wir die nachteiligen Auswirkungen der Oxidation vermeiden, haben wir das Potenzial für effizientere und nachhaltigere Systeme erschlossen“, berichtet Gnanavel Vaidhyanathan Krishnamurthy, Erstautor der Studie und Wissenschaftler am Helmholtz-Zentrum Hereon. „Diese Innovation öffnet die Türen zu neuen Möglichkeiten bei der Abwärmerückgewinnung, der solarthermischen Stromerzeugung und darüber hinaus.“

In der Umstellung auf erneuerbare Energien ist die Sicherstellung einer kontinuierlichen Stromversorgung von entscheidender Bedeutung. Die Thermophotovoltaik hat das Potenzial, nicht nur Strom aus industrieller Abwärme zu erzeugen, sondern auch einen bedeutenden Beitrag zur Umstellung der Energieversorgung auf erneuerbare Energien zu leisten. In diesem Zusammenhang wird die natürlicherweise zeitlich schwankend erzeugte Energie aus Photovoltaik- und Windkraftanlagen in Wärmespeichern zwischengespeichert. Später, wenn die Sonne nicht scheint oder der Wind nicht weht, kann diese Energie durch die Anwendung der Thermophotovoltaik kontinuierlich in elektrische Energie umgewandelt werden, wodurch die Stabilität der Energienetze gewährleistet wird.