Sind Unterwasser-Solarzellen der Schlüssel zu einem tieferen Verständnis der Ozeane?
Nur etwa fünf Prozent der Weltmeere sind bisher kartographiert. Forscherinnen und Forscher haben nun Möglichkeiten ausgelotet, wie Sonnenenergie für Unterwasserfahrzeuge genutzt werden kann, um den Geheimnissen der Tiefsee auf die Spur zu kommen.
Ein Großteil des Meeresgrunds ist noch unerforscht, Unterwasser-Solarzellen könnten dabei helfen, dies zu ändern.
Foto: Panthermedia.net/Andrey Kuzmin
Seit die Kartographen Drachen und Seeungeheuer als Symbole des Unbekannten an die Ränder der bekannten Meere zeichneten, faszinieren die Ozeane als Orte unerforschter Geheimnisse. Trotz jahrhundertelanger Erforschung ist unser Wissen über die Tiefsee erstaunlich lückenhaft: Nur etwa fünf Prozent der Weltmeere sind bisher kartiert.
Moderne Technologien wie autonome Unterwasserfahrzeuge (AUVs) und ferngesteuerte Unterwasserfahrzeuge (ROUVs) könnten es uns ermöglichen, weiter und tiefer als je zuvor vorzudringen. Doch es gibt eine große Herausforderung: die Energieversorgung dieser Geräte. Forschende der New York University Tandon School of Engineering (NYU) haben nun untersucht, ob Solarenergie eine geeignete Lösung für dieses Problem sein könnte. Ihre Ergebnisse haben sie in einem Fachartikel in der Zeitschrift Nature Photonics veröffentlicht.
Fehlender Strom das Haupthindernis bei der Erforschung der Tiefsee
Das Hauptproblem bei der Tiefseeforschung mit Unterwasserfahrzeugen ist die begrenzte Lebensdauer der Batterien und das Fehlen von langlebigen Energiequellen an Bord der Geräte. Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, konzentriert sich die Forschung auf die Entwicklung alternativer Energielösungen.
Diese Lösungen sollen es autonomen und ferngesteuerten Unterwasserfahrzeugen (AUVs und ROUVs) ermöglichen, Tauchgänge durchzuführen, ohne regelmäßig auftauchen und ihre Batterien aufladen zu müssen. Darüber hinaus soll die Entwicklung solcher Energiequellen den Betrieb von permanent installierten Unterwassersensoren und Kommunikationsnetzwerken ermöglichen, die nicht auf Batterien oder physische Verbindungen zur Stromversorgung angewiesen sind.
Solarenergie scheint eine vielversprechende Option zu sein, da Sonnenlicht erstaunlich tief in die Ozeane eindringen kann. Ein Forschungsteam der NYU unter der Leitung von Jason A. Röhr und André Taylor vom Department of Chemical and Biomolecular Engineering untersucht, wie diese Sonnenenergie für Unterwasserfahrzeuge effizient genutzt werden kann. In einem wissenschaftlichen Artikel skizzieren sie die dabei auftretenden Herausforderungen und Fragen.
Wie sieht es derzeit mit der Tiefseeerkundung aus?
Technologien, die Wellen, Gezeiten, Meeresströmungen und osmotische Kräfte nutzen, haben zwar ein gewisses Potenzial, sind aber häufig an bestimmte Standorte gebunden und nicht leicht zu transportieren. Eine Ausnahme bildet die ozeanische thermische Energieumwandlung (OTEC), die auf den Temperaturunterschieden zwischen der Meeresoberfläche und der Tiefsee basiert.
Obwohl OTEC in der Vergangenheit erfolgreich eingesetzt wurde, um autonome Unterwasserfahrzeuge (AUVs) über längere Zeiträume mit Energie zu versorgen, begrenzen spezifische Tauchmuster und die eingeschränkte Anwendbarkeit in tropischen und subtropischen Gebieten den breiteren Einsatz dieser Technologie.
Solarenergie sorgt für Reichweite und Autonomie
Solarenergie ist eine allgegenwärtige, verfügbare und leistungsstarke Alternative, die auch unter der Wasseroberfläche genutzt werden kann. Sichtbares Licht, insbesondere im grünen bis blauen Bereich des Spektrums, kann laut den Forschenden bis zu 50 Meter tief in das Wasser eindringen und ausreichend Energie für die Grundversorgung liefern.
Solarzellen ermöglichen die Energieversorgung von fest installierten Sensoren und Kommunikationssystemen und könnten sogar in Kombination mit OTEC eingesetzt werden, um AUVs mit größerer Reichweite und echter Autonomie zu betreiben. Allerdings sind die derzeit verfügbaren Solarzellen möglicherweise noch nicht effizient genug, um diese speziellen Anforderungen zu erfüllen.
Potenzial von Solarzellen ermittelt
Für ihre Studien haben die Forschenden das Potenzial von Solarzellen für Unterwasseranwendungen eingehend untersucht und sowohl erfolgreiche Beispiele für die Energieversorgung von autonomen Unterwasserfahrzeugen (AUV) als auch von Kommunikationssystemen vorgestellt. Sie haben aber auch die Herausforderungen und Grenzen analysiert. Während Feuchtigkeit und Salzgehalt allgemein als problematische Faktoren für die Elektronik gelten, haben herkömmliche Solarzellen eine besondere Schwäche: Sie sind in der Regel auf die Absorption von rotem und infrarotem Licht optimiert, Wellenlängen, die im Wasser nur begrenzt durchdringen.
Doch es gibt Hoffnung durch alternative Technologien. Solarzellen aus Gallium-Indium-Phosphid (GaInP) und Cadmium-Tellurid (CdTe) haben sich als effizienter erwiesen und zeigen Potenzial für eine weitere Optimierung unter den besonderen Bedingungen des Meerwassers. Auch Solarzellen der nächsten Generation, insbesondere organische Solarzellen und Perowskit-Solarzellen (OSC und PSC), werden für zukünftige Anwendungen in Betracht gezogen.
Biofouling ist eine große Herausforderung
Die Auswahl des optimalen Absorbermaterials ist nur eine der zahlreichen Herausforderungen, denen sich Solarzellen für Unterwasseranwendungen stellen müssen. Ein besonderes Problem ist das so genannte Biofouling, die allmähliche Ablagerung organischer Substanzen auf den Solarzellen. Diese Ablagerungen bestehen aus Mikroorganismen, Pflanzen und kleinen Tieren und stellen vor allem in flacheren Gewässern ein ernsthaftes Hindernis für maritime Technologien dar. Diese organischen Schichten reduzieren die Lichtdurchlässigkeit der Solarzellen, beeinträchtigen den photovoltaischen Prozess und verringern die Gesamtleistung der Zellen.
Die Auswirkungen des Biofoulings beschränken sich aber nicht nur auf die Solarzellen. Auch die Unterwasserfahrzeuge selbst sind betroffen, da sich organisches Material an ihren Rümpfen festsetzt. Dies erhöht das Gewicht der Fahrzeuge und erzeugt einen hydrodynamischen Widerstand, der ihre Manövrierfähigkeit einschränkt. In früheren Experimenten wurde beobachtet, dass bereits nach 30 Tagen Unterwasserbetrieb mehr als 50 Prozent der Oberflächen mit Biofouling bedeckt waren, was die Funktionalität der Solarzellen erheblich beeinträchtigte.
Lichtspektrum in verschiedenen Meerestiefen mit LED-Leuchten simuliert
In dem wissenschaftlichen Artikel beleuchten die Forschenden der NYU Tandon auch die praktischen Herausforderungen bei der Entwicklung und Erprobung von Unterwasser-Solarzellen. Obwohl die Universität nur eine U-Bahnfahrt vom Meer entfernt ist, stellt der fehlende Zugang zu Wasser für einige Einrichtungen ein großes Hindernis für realistische Tests dar. Außerdem wäre es riskant, Solarzellen und Batterien, die potenziell gefährliche Materialien enthalten, unter realen Bedingungen zu testen.
Um dieses Problem zu lösen, setzten die Forscher LED-Leuchten ein, um das Lichtspektrum in verschiedenen Wassertiefen zu simulieren. Dabei zeigte sich, dass Solarzellen auf Siliziumbasis in geringen Wassertiefen besser performten, während andere Zelltypen in Tiefen unter zwei Metern effizienter waren. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler betonen, dass weitere Möglichkeiten zur Optimierung der Zellen untersucht werden sollten
Obwohl Solarzellen für den Einsatz im Wasser noch in den Kinderschuhen stecken, könnten die Erkenntnisse des Forschungsteams den Weg für innovative Technologien ebnen. Diese könnten nicht nur unser Verständnis der Solarenergie erweitern, sondern auch Licht in die geheimnisvollen Tiefen der Ozeane bringen, die die Menschheit seit den ersten Abenteuern der Seefahrer faszinieren.
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