Forschung -

Kohlenstoff-Nanoröhrenfilme können Abwärme recyceln

Die immer bekanntere Kohlenstoffnanoröhre könnte genau das Richtige sein, um Solarmodule - und alles andere, was durch Wärme Energie verliert - viel effizienter zu machen.

Wissenschaftler der Rice University entwerfen nämlich Arrays aus ausgerichteten einwandigen Kohlenstoffnanoröhren, um die Strahlung im mittleren Infrarotbereich (Wärme) zu kanalisieren und die Effizienz von Solarenergiesystemen deutlich zu erhöhen.

Gururaj Naik und Junichiro Kono von der 'School of Engineering' stellten ihre Technologie in "ACS Photonics" vor.

Ihre Erfindung ist ein hyperbolischer thermischer Emitter, der intensive Wärme absorbieren kann, die sonst in die Atmosphäre übergeht. Der Emitter "quetscht" die Wärme in eine schmale Bandbreite und emittiert sie als Licht, das sich in Strom umwandeln lässt.

Dieses Projekt beruht auf einer weiteren Entdeckung der Konos-Gruppe im Jahr 2016, als sie eine einfache Methode entwickelte, um hoch ausgerichtete, wafergroße Filme aus dicht gepackten Nanoröhren herzustellen.

Gespräche mit Naik, der 2016 zu Rice kam, führten die beiden Wissenschaftler zu der Frage, ob die Filme zur Steuerung von "thermischen Photonen" verwendet werden können.

"Thermische Photonen sind lediglich Photonen, die von einem heißen Körper abgegeben werden", sagte Kono. "Wenn man etwas Heißes mit einer Infrarotkamera betrachtet sieht man, wie es glüht. Die Kamera erfasst diese thermisch angeregten Photonen."

Die Infrarotstrahlung ist ein Bestandteil des Sonnenlichts, der dem Planeten Wärme zuführt. Aber sie ist nur ein kleiner Teil des elektromagnetischen Spektrums.

"Jede heiße Oberfläche strahlt Licht als Wärmestrahlung aus", sagte Naik. "Das Problem besteht darin, dass die Wärmestrahlung breitbandig ist, während die Umwandlung von Licht in Elektrizität nur dann effizient ist, wenn die Emission in einem schmalen Band erfolgt.

Die Nanoröhrenfilme boten die Möglichkeit, Mid-Infrarotphotonen zu isolieren, die sonst verschwendet würden. "Das ist die Motivation", sagte Naik.

"Eine Studie von Chloe Doiron (Co-Autorin) ergab, dass etwa 20 Prozent unseres industriellen Energieverbrauchs auf Abwärme entfallen. Das sind etwa drei Jahre Elektrizität nur für den Staat Texas. Das ist eine Menge Energie, die verschwendet wird."

"Die effizienteste Art, Wärme in Strom umzuwandeln, ist derzeit Turbinen und Dampf zu benutzen oder aber eine andere Flüssigkeit, um die Turbinen anzutreiben. Sie können einen Umwandlungswirkungsgrad von fast 50 Prozent bieten."

"Nichts anderes bringt uns dem näher, aber diese Systeme sind nicht einfach zu implementieren." Naik und seine Kollegen wollen die Aufgabe mit einem kompakten System ohne bewegliche Teile vereinfachen.

Die ausgerichteten Nanoröhrenfilme sind Leitungen, die Abwärme aufnehmen und in schmalbandige Photonen umwandeln. Da Elektronen in Nanoröhren nur in eine Richtung wandern können, sind die ausgerichteten Schichten in dieser Richtung metallisch und isolieren gleichzeitig in der senkrechten Richtung, ein Effekt, den Naik als hyperbolische Dispersion bezeichnet. Thermische Photonen können den Film aus jeder Richtung treffen, aber nur in einer Richtung verlassen.

"Anstatt von der Wärme direkt zur Elektrizität zu gehen, gehen wir von der Wärme zum Licht zur Elektrizität", sagte Naik. "Es scheint, dass zwei Stufen effizienter wären als drei, aber hier ist das nicht der Fall."

Naik sagte, dass die Emitter in Standardsolarzellen deren Wirkungsgrad von derzeit etwa 22 Prozent erhöhen könnten. "Indem wir die gesamte verschwendete Wärmeenergie in einen kleinen Spektralbereich pressen, können wir sie sehr effizient in Elektrizität umwandeln. Die theoretische Annahme ist, dass wir 80 Prozent Effizienz erreichen können."

Nanoröhrenfolien eignen sich für diese Aufgabe, da sie Temperaturen bis zu 1.700 °C standhalten. Naiks Team entwickelte Proof-of-Concept-Elemente, mit denen sie bei bis zu 700 °C arbeiten und ihre schmalbandige Ausgabe bestätigen konnten. Zu ihrer Herstellung strukturierte das Team in die Chip-großen Filme Hohlraumarrays im Submikrometerbereich.

"Es gibt eine ganze Reihe solcher Resonatoren, und jeder von ihnen emittiert thermische Photonen in nur diesem engen Spektralfenster", sagte Naik. "Wir wollen sie mit einer Fotovoltaikzelle sammeln und in Energie umwandeln und damit zeigen, dass wir das mit hohem Wirkungsgrad erreichen können."

Das Programm 'Basic Energy Science' des 'Department of Energy', die 'National Science Foundation' und die 'Robert A. Welch Foundation' unterstützten dieses Forschungsprojekt.

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