Solarenergie und Kühlung über Raumenergie gekoppelt in einem Gerät
Wissenschaftler der Stanford University haben zum ersten Mal ein Gerät entwickelt, mit dem es möglich ist, gleichzeitig Solarenergie zu verwenden sowie den Effekt der Wärmesenkung aus dem Weltraum zu nutzen.
Ein Solarabsorber und ein Strahlungskühler als Einheit. Diese Kombination ist effizient. Vor dem realen Einsatz auf einem Dach müssen aber noch einige Probleme gelöst werden.
Foto: Linda Cicero, Stanford News
Kühlung kann auch mithilfe des Weltraums funktionieren. Für Forscher ist dieser Ansatz sehr interessant, da bei dieser Methode keine schädlichen Treibhausgase entstehen. Wissenschaftlern der Stanford University ist es nun gelungen, dieses Prinzip mit einem Solarabsorber zu koppeln. Auf der einen Seite könnte solch ein System auf einem Dach dazu führen, dass Solarenergie gewonnen wird, während die Strahlungskühlung über den Weltraum das Gebäude klimatisiert. Auf der anderen Seite könnte sich die Effizienz beider Bereiche durch die Kopplung erhöhen – vor allem, wenn langfristig Solarzellen den Absorber ersetzen. Denn die Strahlungskühlung könnte eine Überhitzung der Solarzellen und den damit verbundenen Leistungsabfall unterbinden, während gleichzeitig das Solarsystem die Sonnenwärme abfängt und so die Leistung des Kühlers verbessert.
Wärmesenke des Weltraums zur Kühlung nutzen
Das Team von Shanhui Fan erhofft sich viel von der Kühlung über den Weltraum. Das Prinzip funktioniert folgendermaßen: Objekte geben Wärme als Infrarotstrahlung an die Umgebung ab. Also als Licht, das für das menschliche Auge nicht sichtbar ist. Der größte Teil dieser Strahlung wird von Partikeln in der Erdatmosphäre zurück zur Erde reflektiert. In einem bestimmten Wellenbereich ist die Atmosphäre jedoch, vereinfacht gesagt, durchlässig. Wird dieses Fenster getroffen, entweicht die Infrarotstrahlung ins Weltall. Es wird also praktisch als Wärmesenke genutzt. Dabei ist es möglich, das Objekt auf Werte unterhalb der Umgebungstemperatur herunterzukühlen.
Zhen Chen, Erstautor der neuen Studie, hat nun gemeinsam mit seinen Kollegen ein Gerät entwickelt, dass diese Strahlungskühlung mit einer Solarabsorbtionstechnologie kombiniert. Dafür haben sie einen mit Germanium beschichteten Solarabsorber auf einen Strahlungskühler gesetzt. Dieser ist wiederum beschichtet mit Silizium, Siliziumnitrid und Aluminium. Ein Vakuum verhindert unerwünschte Wärmeverluste. Die Abgabe der Infrarotstrahlung ans All erfolgt über den mittleren Infrarotbereich zwischen 8 und 13 Mikrometer (µ).
Mit diesem System ist es den Forschern gelungen, gleichzeitig 24 Grad Celsius an Wärme über den Solarabsorber zu produzieren und eine Strahlungskühlung zu erreichen. Bei der Kühlung gelangen 29 Grad Celsius. Dabei hat der Solarabsorber die Kühlleistung schon im Testlauf erhöht, indem er die Sonnenwärme blockiert – die einfallende Wärme der Sonne muss reflektiert oder abgefangen werden, damit sie den Effekt des abstrahlenden Infrarotlichtes nicht zerstört.
Neue Technologie für Solarzellen als langfristiges Ziel
„Auf einem Dach können wir uns vorstellen, dass eine Photovoltaikzelle Strom liefert, während der Kühlkörper das Haus an heißen Sommertagen abkühlt“, sagt Chen. Bis zu einem kommerziellen Einsatz ist es aber noch ein weiter Weg. Es beginnt damit, dass das Fenster, das die Infrarotstrahlung im richtigen Wellenbereich durchlässt, aus Zinkselenid besteht, also einem relativ teuren Material, für das eine günstigere Alternative gefunden werden muss. Auch der Solarabsorber und der Strahlungskühler sollten nach Chens Ansicht aus günstigeren Hochleistungsmaterialien hergestellt werden. Zudem hält er es für wichtig, zunächst den Einsatz von Solarzellen auszuprobieren.
Nichtsdestotrotz ist das Team davon überzeugt, dass dieser Ansatz die derzeitige Solarzellentechnologie revolutionieren könnte. Im Idealfall könnten dabei Module entstehen, die gleichzeitig Strom produzieren und im Gebäude für Kühlung sorgen – und das alles ausschließlich durch erneuerbare Energien. Solche Entwicklungen könnten die Energiewende also weiter vorantreiben.
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