Forscher der Rice University haben einen bahnbrechenden thermischen Strahler vorgestellt, der die Effizienz von thermophotovoltaischen (TPV) Systemen erheblich steigert, die Wärme mit Licht in Elektrizität umwandeln. Diese Entwicklung könnte den Weg für kostengünstigere Alternativen zu Batterien im großen Maßstab ebnen und den Übergang zu einer emissionsfreien Welt erleichtern.
Traditionelle Designs für thermische Strahler waren oft eingeschränkt, was entweder zu Geräten mit geringer Leistung oder zu Hochleistungsstrahlern führte, die schwer in praktische Anwendungen zu integrieren sind. Durch die Nutzung von Prinzipien der Quantenphysik schufen Ingenieur Gururaj Naik und sein Team einen thermischen Strahler, der hohe Effizienz innerhalb realistischer Entwurfsparameter erreicht.
„Im Grunde genommen haben wir gezeigt, wie man die bestmögliche Leistung eines Strahlers unter Berücksichtigung realistischer, praktischer Entwurfsbeschränkungen erzielen kann“, sagte Cyril Samuel Prasad, der Hauptautor der Studie und ehemaliger Doktorand von Naik.
Der neue thermische Strahler besteht aus einem Blatt Wolfram, einer dünnen Schicht Trennmaterial und einem Netzwerk von Silizium-Nanozylindern. Bei Erwärmung sammeln die Basisschichten thermische Strahlung, die man sich wie ein Bad aus Photonen vorstellen kann. Winzige Resonatoren, die sich oben befinden, interagieren so, dass sie „Photon für Photon“ aus diesem Bad „einfangen“ und die Helligkeit und Bandbreite des Lichts steuern, das an die photovoltaische Zelle gesendet wird.
„Anstatt uns auf die Leistung von Ein-Resonator-Systemen zu konzentrieren, haben wir berücksichtigt, wie diese Resonatoren interagieren, was neue Möglichkeiten eröffnete. Dies gab uns Kontrolle darüber, wie Photonen gespeichert und freigesetzt werden“, erklärte Naik.
Diese selektive Emission maximiert die Energieumwandlung und erreicht eine höhere Effizienz als zuvor möglich, während sie an den Grenzen der Materialeigenschaften arbeitet. Die neue Technologie könnte TPV zu einer wettbewerbsfähigen Alternative zu anderen Technologien zur Speicherung und Umwandlung von Energie machen, insbesondere in Szenarien, die langfristige Energiespeicherung erfordern.
„Ich bin zuversichtlich, dass das, was wir demonstriert haben, zusammen mit einer hocheffizienten photovoltaischen Zelle mit kleiner Bandlücke großes Potenzial hat. Basierend auf meiner Erfahrung mit der NASA und der Gründung eines Startups im Bereich erneuerbare Energien glaube ich, dass Technologien zur Energieumwandlung heute sehr gefragt sind“, sagte Naik.
Darüber hinaus könnte diese Technologie in der Raumfahrt Anwendung finden, zum Beispiel zur Stromversorgung von Mars-Rovern. „Wenn unser Ansatz die Effizienz solcher Systeme von 2% auf 5% steigern kann, wäre das ein erheblicher Anreiz für Missionen, die auf effektive Stromerzeugung unter extremen Bedingungen angewiesen sind“, fügte Naik hinzu.
Diese Entwicklung hat auch das Potenzial, Abwärme aus industriellen Prozessen zurückzugewinnen, was diese nachhaltiger macht. Schätzungen zufolge gehen 20%-50% der Wärme, die zur Umwandlung von Rohstoffen in Konsumgüter verwendet wird, verloren, was der US-Wirtschaft jährlich mehr als 200 Milliarden Dollar kostet.