Forschende an der Universität Cambridge haben ultradünne schwimmende „Solarblätter“ entwickelt, die aus Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid ein wasserstoffhaltiges Synthesegas herstellen. Dieses soll in Zukunft etwa als sauberer Treibstoff für Schiffe eingesetzt werden.
Das Motto bei der Entwicklung vieler modernen Technologien war nicht selten: Spicken bei der Natur! Und es ist tatsächlich eine wissenschaftliche Disziplin, Bionik genannt, bei der Forschende von der Natur lernen und sich inspirieren lassen – nun etwa von einem der wichtigsten natürlichen Prozesse auf Erden, der Photosynthese. Kurz erklärt passiert bei diesem Vorgang Folgendes: Eine Pflanze nimmt aus ihrer Umgebung Wasser und Kohlenstoffdioxid auf. Mithilfe von Energie, also Sonnenlicht, kann sie energiereiche Glukose und Sauerstoff herstellen. Die Photosynthese ist also für uns Menschen lebensnotwendig, da wir ohne den produzierten Sauerstoff einfach nicht leben könnten.
Damit aber nicht genug: Könnten wir den Prozess der Photosynthese weiter verbessern, wären wir viele Energiesorgen los – davon sind jedenfalls Forscher:innen überzeugt. Wissenschafter:innen der Universität Cambridge erkannten das Potenzial und tüfteln schon seit einiger Zeit an so von ihnen genannten „künstlichen Blättern“, die mithilfe der Sonnenenergie Wasserstoff herstellen sollen – also ähnlich wie es Pflanzen bei der Photosynthese mit Sauerstoff tun.
Schwimmfähige Minikraftwerke
Von „künstlichen Blättern“ spricht das Forschungsteam einerseits aufgrund der Tatsache, dass die Solarzellen den Vorgang der Photosynthese nachahmen. Andererseits sind sie eben auch fast so zart wie natürliche Blätter. Und genau das hat auch einen Grund: Schließlich ist das Ziel der Forscher:innen um Virgil Andrei, die Solarzellen besonders leichtgewichtig zu gestalten, sodass sie ohne Probleme auf dem Wasser platziert werden können. „Künstliche Blätter sind bisher meist schwer und zerbrechlich und daher schwer zu transportieren und zu skalieren“, erklärt Andrei. Und weiter: „Wir wollten daher sehen, wie weit wir diese Technologie verkleinern können, ohne ihre Leistung zu verringern. Denn wenn sie leicht genug wird, um zu schwimmen, dann eröffnet das ganz neue Einsatzmöglichkeiten für solche Module.“
Die schwimmenden Solarblätter können jedenfalls auf Seen, in Häfen oder sogar auf dem Meer eingesetzt werden. Das flache Modul nutzt dabei das Sonnenlicht für eine elektrochemische Reaktion als Energiequelle. Diese wiederum spaltet Wasser und CO2 und produziert weitergehend das wasserstoffhaltige Synthesegas.
So sehen die ultradünnen Solarblätter aus. Diese schwimmfähigen Module könnten neue Möglichkeiten zur Erzeugung „grünen“ Wasserstoffs und anderer Brennstoffe aus Sonnenlicht eröffnen.
Alles dicht
Dass die Wissenschafter:innen bei der Konstruktion dieser besonderen Anlagen mit einigen Herausforderungen konfrontiert waren, liegt auf der Hand. Besonders wichtig sei es, die Lichtabsorber vor dem Kontakt mit Wasser zu schützen. Die Wissenschafter:innen überzogen hierfür die Solarzellen mit mikrometerdünnen, wasserabweisenden Schichten auf Kohlenstoffbasis. So sollte eine durch Feuchte ausgelöste Degradation, also eine Leistungsminderung von Photovoltaikmodulen im Laufe der Zeit, verhindert werden. Die Absorber wurden weitergehend auf flexiblen Kunststofffolien abgeschieden. Als Katalysator diente Platin.
Erste Schwimmversuche der Solarblätter
Gute Nachrichten gibt es bereits aus Cambridge. Das erste Solarblatt schwimmt schon auf dem Fluss Cam. In einem 24 Stunden dauernden Testlauf erzielte ein 0,17 Quadratzentimeter großes Blatt, bezogen auf den erzeugten Wasserstoff, einen Wirkungsgrad von 0,58 Prozent – vergleichbar mit dem der natürlichen Photosynthese. Das Gewicht des Prototyps liegt laut Entwickler:innen bei 30 bis 100 Milligramm pro Quadratzentimeter.
Das Team geht davon aus, dass die schwimmfähigen Module neue Möglichkeiten zur Erzeugung „grünen“ Wasserstoffs und anderer Brennstoffe aus Sonnenlicht eröffnen. „Diese schwimmenden Blätter vereinen die Vorteile verschiedener Solartechnologien in sich, denn sie sind leicht wie organische Solarzellen aus Pulversuspensionen und leistungsfähig wie verkabelte Hochleistungsmodule“, so Andrei. Die schwimmenden Wasserstoffreaktoren kommen im Gegensatz zu den Hochleistungsmodulen aber eben ohne Kabel aus und arbeiten weitestgehend autonom.
Hoffnung auf grünen Treibstoff
Nach Angaben des Forschungsteams sollen die entwickelten Solarblätter vor allem für die Produktion von Schiffstreibstoffen eingesetzt werden. Wie aber wird das produzierte Synthesegas weitergehend an Land transportiert? Das lassen die Wissenschafter:innen noch offen …