„Sun-in-a-Box“ des MIT nutzt Licht als effiziente Energieform

Die thermophotovoltaische Zelle, auch „Wärmekraftmaschine“ genannt, ist 1 Quadratzentimeter groß, aber das Forschungsteam dahinter möchte sie vergrößern.

Die thermophotovoltaische Zelle, auch „Wärmekraftmaschine“ genannt, ist 1 Quadratzentimeter groß, aber das Forschungsteam dahinter möchte sie vergrößern.
Foto: Felice Frankel

Forscher am MIT haben eine hocheffiziente thermophotovoltaische Zelle gebaut das, wenn es mit erneuerbaren Ressourcen gepaart wird, einfallende Photonen – Lichtteilchen – effizient in Strom umwandelt. Es ist ein Leistung die zu neuen Wegen der Energieversorgung der Welt inspirieren könnten.

„Das Problem ist, du verstehst es nicht [renewable] Energie, wann immer Sie wollen“, Asegun Henry, Maschinenbauingenieur am MIT und Autor des neuen Nature lernen, erklärt in einem Videoanruf. „Man bekommt sie nur bei günstigem Wetter: wenn die Sonne scheint oder der Wind weht.“ Die Antwort auf dieses Dilemma liegt in dem, was Henry „thermische Batterien“ nennt, in denen Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie Solarenergie als Wärme gespeichert wird.

Thermische Batterien könnten Energie an das Stromnetz „abgeben“, wann immer sie benötigt wird, sagte Henry. Lithium-Ionen-Akkus reichen hierfür nicht aus. „Lithium-Ionen-Batterien sind leider zu teuer, und es gab eine Reihe von Studien, die untersucht haben, wie billig die Speicherung sein muss, damit wir ein vollständig erneuerbares Netz haben“, erklärte Henry. „Hier haben wir also diese Technologie entwickelt – Wärmebatterien – weil es 10- bis 100-mal billiger ist, Energie als Wärme zu speichern, anstatt sie elektrochemisch zu speichern.“

Wie es funktioniert

Die thermophotovoltaische Zelle beruht auf einer grundlegenden Halbleiterphysik. Die Atome in den Legierungen eines Halbleiters haben Bandlücken, dh den Abstand zwischen der Valenzschale der Elektronen und dem Leitungsband. Wenn die Elektronen im Valenzband erregt werden, werden sie angeregt (wie Sie selbst, wenn Sie diesen Artikel lesen) und springen vom Valenzband in das Leitungsband. Dieser Sprung führt zu einer Energiefreisetzung, wobei die genaue Menge an freigesetzter Energie durch den Abstand der Bandlücke bestimmt wird. Mit anderen Worten, die freigesetzte Energiemenge wird dadurch bestimmt, wie viel Energie das Elektron benötigt, um über die Bandlücke zu springen.

The electrons in this thermophotovoltaic cell are located within its alloys, which are stacked atop each other like the layers of a cake. The cell is made from two layers of semiconducting alloys and one reflective layer of gold. The alloys in this experiment were chosen according to the wavelength of the photons required to fuel the cell at its highest efficiency. Should “you want to absorb light at a particular frequency, you can figure out which alloys will give you the right band gaps that you want,” said Henry.

The position of the alloys within the heat engine was also an important factor. The first layer was designed to have the largest band gap in order to capture the highest-energy photons. Photons not captured by the first layer then fall through to the second layer and push electrons across a smaller band gap. If a photon doesn’t have enough energy to push an electron across the gap in the first or second layer, that’s where the reflective layer of gold can reflect photons back into the light source to reduce energy waste. The twist, however, is where these photons come from.

Working in a controlled lab environment, Henry and the research team obtained the photons from superheated metal located directly above the heat engine.

“We were sending electricity to a resistive heater that was a few feet away,” Henry explained. This resistive heater was like a complex lightbulb filament—a conductor that glows and becomes superheated when energy passes through it. The hot, glowing metal released photons that were captured by the alloy layers, which generated electricity in the heat engine; the researchers found that an element heated to between 3,452 and 4,352 degrees Fahrenheit (1,900 and 2,400 degrees Celsius) provided them with the best efficiency.

In a lab, it’s easy to plug a resistive heater into a wall socket, but the researchers have real-world scenarios in mind. Ideally, they would like to store energy derived from renewable resources into these big batteries, which they could then access with the heat engines.

What the heat engine could do

To store energy as heat, a renewable energy source would power the resistive heaters that heat up liquid metal. The liquid metal would then get pumped over blocks of graphite, something Henry describes as a “sun-in-a-box.” The hypothetical sun-in-a-box would operate at half the temperature of the actual Sun and would then power the resistive heaters that send photons to the heat engines, which would be stored on top of each other in a large array.

The thermal energy grid storage system features blocks of graphite to store heat (left) and a tower made of the heat engines (center), which work by absorbing high-energy photons (right).

The thermal energy grid storage system features blocks of graphite to store heat (left) and a tower made of the heat engines (center), which work by absorbing high-energy photons (right).
Illustration: Alina LaPotin

Henry was quick to acknowledge that this sounds like something out of a sci-fi novel, but research done by the same team vor fünf Jahren inspirierte sie, die Methodik weiter voranzutreiben. Sie waren die ersten, die demonstrierten, dass es möglich war, flüssiges Metall auf über 1.832 Grad Fahrenheit (1.000 Grad Celsius) zu pumpen, eine Leistung, die ihnen einbrachte Guinness Welt Rekord für die höchste Temperatur des gepumpten Flüssigmetalls.

Er sagte, eine potenzielle Gefahr einer vollwertigen thermischen Batterie und einer Wärmekraftmaschinen-Stromversorgung bestehe darin, dass sie in einer sauerstofffreien Umgebung betrieben würden. „Dieses Ding wird in einem Lagerhaus aufbewahrt, das mit Inertgas wie Argongas gefüllt ist“, erklärte Henry. „Diese Umgebung hat keine Luft, also kann man da nicht einfach reingehen.“ Idealerweise wäre das Speichersystem so konzipiert, dass alle Wartungsarbeiten aus der Ferne durchgeführt werden könnten, aber er sagte, dass regelmäßige Inspektionen und Reparaturen immer noch sicher durchgeführt werden könnten.

„Wir würden gerne während der jährlichen Wartung einen Blick darauf werfen, und Sie kühlen das System einfach ab oder kühlen einen Teil davon ab und schicken jemanden hinein“, sagte Henry zu mir. „Wenn Sie einen Notfall hatten, könnten Sie das System abkühlen und jemanden mit Tauchausrüstung und einer Sauerstoffflasche reinschicken.“

Ihre thermophotovoltaische Zelle arbeitet mit einem Wirkungsgrad von 40 %, was besser ist als bei früheren Konstruktionen und vergleichbar mit Dampfturbinen. Es ist ein vielversprechendes Ergebnis, und Henry und seine Kollegen streben nun nach einem noch größeren Ziel: diese Technologie auf ein Kraftwerk in Lagerhausgröße zu skalieren, das in das bestehende Stromnetz eingesteckt werden könnte.

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