Sonnenlicht erwärmt normalerweise beide Seiten eines kleinen Energiewandlers und verringert damit genau den Temperaturunterschied, den er für die Stromproduktion benötigt. Eine neue flexible Zelle löst dieses Problem mit zwei gegensätzlichen Oberflächen. Strom aus Abwärme entsteht dabei durch starke Erwärmung auf einer Seite und passive Strahlungskühlung auf der anderen. Die maximale Leistungsdichte lag im Versuch 214 Prozent über einer Vergleichszelle ohne die zusätzliche Kühlung.
Thermogalvanische Zellen nutzen einen Temperaturunterschied, um elektrochemisch eine Spannung zu erzeugen. Sie sind besonders für sogenannte Niedertemperaturwärme interessant, die in vielen technischen Prozessen anfällt und für klassische Wärmekraftmaschinen zu kühl ist. Auch Sonnenlicht kann als Wärmequelle dienen. Dabei entsteht jedoch ein grundlegendes Problem. Wenn die gesamte Zelle bestrahlt wird, erwärmen sich beide Seiten. Das Temperaturgefälle schrumpft und damit auch die elektrische Leistung. Forscher der Donghua University in Shanghai haben deshalb eine asymmetrische flexible Zelle entwickelt. Eine Oberfläche absorbiert Licht besonders stark und wandelt es in Wärme um. Die gegenüberliegende Seite gibt gleichzeitig Wärmestrahlung in einem Spektralbereich ab, in dem die Erdatmosphäre vergleichsweise durchlässig ist. Dadurch kann sie passiv kühler bleiben.
Als Trägermaterial verwenden die Forscher bakterielle Cellulose. Auf der warmen Seite befinden sich Kohlenstoffnanoröhren, die Sonnenlicht absorbieren und in Wärme umwandeln. Die kühlende Seite enthält Titandioxid und ist für passive Strahlungskühlung optimiert. Das Ziel ist kein möglichst heißes Gesamtgerät, sondern ein möglichst großer Temperaturunterschied innerhalb derselben dünnen Zelle. Die Studie in npj Flexible Electronics berichtet unter standardisierter Einstrahlung von einem Temperaturunterschied von 14,11 Kelvin. Dadurch entstanden 18,07 Millivolt Spannung und eine maximale Leistungsdichte von 13,98 Milliwatt pro Quadratmeter.
Eine thermogalvanische Zelle enthält ein Redoxpaar, dessen elektrochemisches Gleichgewicht von der Temperatur abhängt. Sind die beiden Elektroden unterschiedlich warm, unterscheiden sich auch ihre elektrochemischen Potenziale. Daraus entsteht eine Spannung. Wird die kalte Elektrode jedoch ebenfalls aufgeheizt, verschwindet ein Teil dieses Vorteils. Die neue Konstruktion behandelt deshalb beide Zellseiten völlig unterschiedlich. Die Oberseite soll möglichst viel Sonnenenergie aufnehmen. Die Gegenseite soll dagegen Wärme effizient in den Himmel abstrahlen. Dieses Prinzip der passiven Strahlungskühlung wird bereits bei Gebäudeflächen und Kühlmaterialien untersucht. Die Forscher integrieren es nun direkt in einen elektrochemischen Energiewandler. Damit entsteht das Temperaturgefälle ohne aktive Pumpe oder elektrisch betriebenes Kühlsystem.
Die auffällige Steigerung muss präzise eingeordnet werden. Die optimierte Zelle lieferte maximal 13,98 Milliwatt pro Quadratmeter. Das waren 214 Prozent mehr als bei einer Variante, die zwar photothermisch erwärmt wurde, aber keine vergleichbar wirksame Strahlungskühlung besaß. Es handelt sich also nicht um einen Wirkungsgrad von 214 Prozent und auch nicht um eine Verdreifachung beliebiger Solartechnik. Die absolute Leistung bleibt klein. Das Verfahren richtet sich deshalb eher an Sensoren und Systeme mit sehr geringem Energiebedarf als an die Stromversorgung eines Haushalts. Die Forscher demonstrierten beispielsweise einen lichtabhängigen Schalter für intelligente Fenster, wobei zusätzlich ein Spannungsverstärker verwendet wurde. Der eigentliche Fortschritt liegt in der verbesserten Nutzung eines kleinen Temperaturgefälles.
Weil die Zelle auf einem flexiblen Cellulosematerial basiert, muss sie nicht auf einer starren ebenen Fläche sitzen. Denkbar sind gekrümmte Oberflächen, Gehäuse, Rohrleitungen oder technische Textilien, sofern dort ein stabiles Temperaturgefälle erzeugt werden kann. Gerade industrielle Abwärme fällt häufig an Oberflächen an, deren Temperatur deutlich über der Umgebung liegt, aber zu niedrig für eine klassische Turbine ist. Solche Energie wird bislang oft vollständig an die Umgebung abgegeben. Die neue Arbeit zeigt allerdings noch keine industrielle Abwärmeanlage. Getestet wurde vor allem die solar erzeugte Temperaturdifferenz. Dass niedrige Temperaturunterschiede technisch schwierig zu nutzen sind, zeigt auch ein anderes Konzept, bei dem ein schwimmendes Rechenzentrum Abwärme und Meerestemperaturen koppeln soll. Dort liegen die thermischen Wirkungsgrade ebenfalls nur bei wenigen Prozent.
Ein aktives Kühlsystem würde einen Teil der gewonnenen elektrischen Energie sofort wieder verbrauchen. Passive Strahlungskühlung benötigt dagegen keine Pumpe und keinen Kompressor. Materialien werden so gestaltet, dass sie Wärme besonders gut als Infrarotstrahlung an den Himmel abgeben. Unter geeigneten Bedingungen kann eine Oberfläche dadurch sogar unter die Temperatur der Umgebungsluft sinken. Bei der neuen Zelle genügt bereits eine deutliche Verringerung der unerwünschten Erwärmung der kalten Seite. Die Autoren sprechen von der Unterdrückung parasitärer Erwärmung. Dieser Begriff beschreibt Wärme, die zwar in das System gelangt, für den gewünschten Temperaturgradienten aber kontraproduktiv ist. Durch die asymmetrische Beschichtung wird Sonnenlicht deshalb gleichzeitig als Energiequelle und als Auslöser eines kontrollierten Temperaturunterschieds genutzt.
Mit knapp 14 Milliwatt pro Quadratmeter ist die Zelle weit von der Leistungsdichte gewöhnlicher Photovoltaik entfernt. Moderne Solarmodule liefern unter voller Sonne elektrische Leistungen im Bereich von Hunderten Watt pro Quadratmeter. Ein direkter Wettbewerb ist deshalb nicht sinnvoll. Thermogalvanische Systeme zielen auf Energie, die sonst ungenutzt als Wärme verloren gehen würde, oder auf sehr kleine autarke Geräte. Sensoren für Gebäude, Umweltmessungen oder drahtlose Elektronik können zeitweise nur Milliwatt oder weniger benötigen. Dort kann eine selbstständig arbeitende Energiequelle interessant sein, wenn sie Wartung und Batteriewechsel reduziert. Für solche Anwendungen sind allerdings Langzeitstabilität, Witterungsbeständigkeit und die Leistung bei wechselnder Bewölkung wichtiger als ein einzelner Spitzenwert im Labor.
Die veröffentlichte Forschungsarbeit zeigt damit ein ungewöhnliches Energiemanagement. Sonnenlicht heizt nicht einfach die gesamte Zelle auf. Stattdessen wird eine Seite gezielt warm, während die andere möglichst viel Wärme abstrahlt. Erst der Unterschied zwischen beiden Seiten erzeugt die elektrochemische Spannung. Ob daraus robuste Produkte entstehen, hängt nun von der Skalierung der Beschichtungen, der Lebensdauer des Elektrolyten und dem Verhalten bei realem Wetter ab. Die Messungen im Freien und der Demonstrator für ein intelligentes Fenster liefern dafür einen ersten Funktionsnachweis. Der eigentliche technische Hebel bleibt der kontrollierte Temperaturgradient, der aus derselben Sonneneinstrahlung deutlich mehr nutzbare elektrische Leistung herausholt.
npj Flexible Electronics, Thermopower amplification in thermogalvanic cells via radiative cooling-mediated photothermal conversion; doi:10.1038/s41528-026-00646-1
Mit KI-Unterstützung erstellt
Wählen Sie Forschung und Wissen bei Google als bevorzugte Quelle oder folgen Sie uns per RSS-Feed.