Wie molekulare Solarbatterien Sonnenlicht als Wärme speichern

Sonnenlicht in einem Molekül einfangen

Was wäre, wenn man Sonnenlicht in einer Flüssigkeit einfangen, es monate- oder sogar jahrelang speichern und bei Bedarf als Wärme freisetzen könnte – ohne Lithium, ohne seltene Metalle, ohne Abfall? Das ist das Versprechen der molekularen solaren thermischen (MOST) Energiespeicherung, einer Technologie, die speziell entwickelte Moleküle in einen wiederaufladbaren Treibstoff verwandelt, der vollständig von der Sonne angetrieben wird.

Im Gegensatz zu Photovoltaikmodulen, die Licht direkt in Elektrizität umwandeln, speichern MOST-Systeme Solarenergie in chemischen Bindungen. Das Konzept ist Jahrzehnte alt, aber jüngste Durchbrüche haben die Energiedichten über die von Lithium-Ionen-Batterien hinausgetrieben und das Interesse an dem, was einst eine Labor-Kuriosität war, neu entfacht.

Wie MOST-Systeme funktionieren

Das Herzstück jedes MOST-Systems ist ein molekularer Photoschalter – eine Verbindung, die ihre Form ändert, wenn sie von Sonnenlicht getroffen wird. Der Prozess läuft in drei Schritten ab:

1. Einfangen. Photonen treffen auf das Ausgangsmolekül, regen es an und lösen eine strukturelle Umlagerung aus, die als Photoisomerisierung bezeichnet wird. Das Molekül verdreht sich in eine angespannte, energiereiche Form, die als metastabiles Isomer bekannt ist.
2. Speicherung. Da das angespannte Isomer metastabil ist, bleibt es für längere Zeit – von Stunden bis zu Jahren, je nach molekularem Design – in seinem energiereichen Zustand eingeschlossen, ohne Energie zu verlieren.
3. Freisetzung. Ein kleiner Auslöser – Wärme, ein Katalysator oder eine bestimmte Wellenlänge des Lichts – lässt das Molekül in seine entspannte Form zurückschnappen. Die gespeicherte Energie strömt als Wärme auf Abruf heraus.

Entscheidend ist, dass keine Reagenzien verbraucht werden und keine Nebenprodukte entstehen. Das Molekül kann mit Licht wieder aufgeladen und wiederverwendet werden und fungiert als geschlossener, emissionsfreier Brennstoffkreislauf.

Die Moleküle hinter der Magie

Forscher haben mehrere Photoschalter-Familien untersucht. Am häufigsten untersucht wird das Norbornadien-Quadricyclan (NBD-QC)-Paar. Wenn Norbornadien UV- oder sichtbares Licht absorbiert, wandelt es sich in Quadricyclan um und speichert bis zu 0,48 MJ pro Kilogramm. Das System ist robust und gut verstanden, aber es gibt Kompromisse: Die Anpassung des Moleküls, um mehr vom Sonnenspektrum zu absorbieren, verkürzt oft die Speicherzeit oder senkt die Energiedichte.

Ein großer Sprung kam von der UC Santa Barbara, wo das Team von Associate Professor Grace Han einen Pyrimidon-basierten Photoschalter entwickelte – eine Struktur, die von einem Bestandteil der DNA inspiriert ist. Die in der Fachzeitschrift Science veröffentlichte Arbeit erreichte eine Rekord-Energiedichte von 1,65 MJ pro Kilogramm, etwa das Doppelte einer Standard-Lithium-Ionen-Batterie. Das Pyrimidon ist wasserlöslich, speichert Energie für bis zu drei Jahre und setzt, wenn es durch einen Säurekatalysator ausgelöst wird, genügend Wärme frei, um Wasser in einer halben Sekunde zum Kochen zu bringen.

Warum es für die Energiewende wichtig ist

Konventionelle Batterien zeichnen sich durch die Speicherung von Elektrizität aus, bauen aber mit der Zeit ab, sind auf abgebaute Metalle angewiesen und stellen Recycling-Herausforderungen dar. MOST-Systeme umgehen viele dieser Probleme:

• Langzeitspeicherung. Energie, die in chemischen Bindungen eingeschlossen ist, entlädt sich nicht von selbst, wie es Batterien tun, was MOST für die saisonale oder langfristige Speicherung attraktiv macht.
• Reichlich vorhandene Materialien. Die Moleküle sind organische Verbindungen, die aus Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff aufgebaut sind – Elemente, die billig und reichlich vorhanden sind.
• Keine Emissionen. Der Lade-Entlade-Zyklus produziert keine Treibhausgase oder gefährlichen Abfälle.

Mögliche Anwendungen reichen von der Beheizung von Gebäuden und der Enteisung von Straßen bis hin zur Bereitstellung von tragbarer Wärmeenergie in netzunabhängigen Umgebungen.

Herausforderungen für die Zukunft

Trotz des Versprechens befindet sich die MOST-Technologie noch im experimentellen Stadium. Zu den wichtigsten Hürden gehören die Ausweitung der Produktion, die Verbesserung der Effizienz, mit der Moleküle das breite Sonnenspektrum absorbieren, und die Sicherstellung, dass die Materialien Tausende von Lade-Entlade-Zyklen ohne Abbau überstehen. Die Gewinnung und Übertragung der gespeicherten Wärme bei nützlichen Temperaturen bleibt ebenfalls eine technische Herausforderung.

Forscher in ganz Europa, den Vereinigten Staaten und Asien arbeiten an diesen Problemen, unterstützt durch Programme wie das EU Horizon 2020 MOST-Projekt. Wenn sie erfolgreich sind, könnten molekulare Solarbatterien eine saubere, recycelbare Ergänzung zu Lithium-Ionen-Zellen bieten – ein Weg, die Sonne einzufangen und sie zu öffnen, wann immer die Welt Wärme braucht.