{"id":81270,"date":"2024-11-01T14:30:12","date_gmt":"2024-11-01T13:30:12","guid":{"rendered":"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/?p=81270"},"modified":"2024-11-04T14:12:42","modified_gmt":"2024-11-04T13:12:42","slug":"wie-speichern-wir-in-zukunft-sonnenenergie-an-der-goethe-universitaet-wird-eine-ganz-neue-technologie-erforscht","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/en\/unireport\/wie-speichern-wir-in-zukunft-sonnenenergie-an-der-goethe-universitaet-wird-eine-ganz-neue-technologie-erforscht\/","title":{"rendered":"Wie speichern wir in Zukunft Sonnenenergie? An der Goethe-Universit\u00e4t wird eine ganz neue Technologie erforscht"},"content":{"rendered":"

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MOST-Schema<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Unsere k\u00fcnftige Wirtschaft wird immer st\u00e4rker von erneuerbaren Energien gepr\u00e4gt sein, da braucht es unbedingt gute leistungsstarke Energiespeichertechnologien. Zum Beispiel eine ganz neue Technologie wie MOST. Das steht f\u00fcr Molecular Solar Thermal Energy Storage Systems. Es handelt sich um eine vielversprechende, noch in den Kinderschuhen steckende Sonnenenergie-Speichertechnik \u2013 eine Art W\u00e4rmebatterie, bestehend aus vielen synthetisch hergestellten Molek\u00fclen, die gemeinsam Sonnenenergie speichern. Im Rahmen des interdisziplin\u00e4ren Projekts FORMOST werden sie aktuell untersucht.

Bei Kontakt mit Sonnenlicht ver\u00e4ndern sich die Molek\u00fcle strukturell: Chemische Bindungen werden gebrochen, gekn\u00fcpft oder verdreht. Da diese Prozesse durch Licht ausgel\u00f6st werden, spricht man von photoinduzierten Reaktionen. Der Clou: Unter Einfluss von Licht nehmen die Molek\u00fcle Energie auf \u2013 sie wechseln in den Speicherzustand. Die Energie l\u00e4sst sich anschlie\u00dfend wieder gezielt freisetzen, und das Molek\u00fcl begibt sich in den urspr\u00fcnglichen Zustand zur\u00fcck. Es ist also ein An- und Ausschalten, und da Licht den Mechanismus ausl\u00f6st, werden die Molek\u00fcle auch als Photoschalter bezeichnet. Drei im Labor hergestellte Photoschalter werden bei FORMOST erforscht: Norbonadiene, Azaborine und Azobenzole. Alle drei schalten mit Licht vom Ursprungszustand in einen Speicherzustand und \u00e4ndern dabei ihre molekulare Struktur und zum Teil auch ihre Farbe.

Da w\u00e4ren zum einen Norbonadiene, ringf\u00f6rmige Kohlenwasserstoffe mit sieben Atomen. Bei Lichtanregung verkn\u00fcpfen sich Atome miteinander, sodass zwei neue Bindungen entstehen. Es gibt nun mehrere 3er- oder 4er-Ringe. Dadurch spannt sich das Molek\u00fcl wie eine Spannfeder \u2013 das ist der Speichervorgang. Die Energie in dieser \u201eFeder\u201c kann sp\u00e4ter als W\u00e4rme wieder abgegeben werden. Das passiert unkontrolliert langsam, l\u00e4sst sich aber auch steuern. Azaborine sind eine relativ neue Art Photoschalter, auch hier wird eine neue Bindung gekn\u00fcpft: Ein molekular entspannter 6-Ring spannt sich zu zwei 4-Ringen. Diese lassen sich relativ leicht zu einem Energiespeichermolek\u00fcl machen. Die Reaktion bei Azobenzolen l\u00e4uft etwas anders ab. Das Molek\u00fcl verdrillt sich wie eine Schraube und geht so in den Speicherzustand \u00fcber.<\/p>\n\n\n\n

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Ressourcenschonend<\/h2>\n\n\n\n

MOST-Molek\u00fcle bringen einige Vorteile mit. Zum einen bestehen sie vornehmlich aus Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff. Sie sind also ressourcenschonend, es braucht weder Seltene Erden noch Schwermetalle noch Plastik. Zudem besticht MOST durch die Einfachheit des Prozesses. \u201eAlle Schritte \u2013 Umwandlung, Speicherung und Freisetzung der Energie \u2013 sind in einem Molek\u00fcl vereint\u201c, sagt Josef Wachtveitl, Leiter der an FORMOST beteiligten Wachtveitl-Gruppe f\u00fcr ultraschnelle Spektroskopie am Institut f\u00fcr Physikalische Chemie der Goethe-Universit\u00e4t.

Da die W\u00e4rme direkt gespeichert wird, gibt es auch keine Umwandlungsprozesse, von Strom in W\u00e4rme zum Beispiel. Somit fallen die durch jede Umwandlung von Energie entstehenden Energieverluste komplett weg \u2013 ein weiterer Pluspunkt. Vergleicht man MOST direkt mit einer herk\u00f6mmlichen W\u00e4rmespeichertechnik, der Solarthermie, schneiden die Molek\u00fcle deutlich besser ab. Solarthermie bedeutet, tags\u00fcber W\u00e4rme mit schwarzen Kollektoren zu sammeln und dann in Form von warmem Wasser zu speichern. Was ein zeitlich sehr begrenzter und dazu noch unkontrollierter Prozess ist, da erhitztes Wasser die W\u00e4rme spontan wieder abgeben kann. Bei MOST-Molek\u00fclen muss die Abgabe der W\u00e4rme dagegen aktiviert werden, durch einen Katalysator, Licht anderer Wellenl\u00e4nge oder W\u00e4rme. Der Zeitpunkt der Abgabe ist frei w\u00e4hlbar \u2013 wie beim Bet\u00e4tigen eines Schalters. Die W\u00e4rme l\u00e4sst sich auch viel l\u00e4nger speichern als bei Solarthermie, \u00fcber Wochen, sogar Monate. Hinzu kommt die r\u00e4umliche Kontrolle: Durch den langen, frei bestimmbaren Speicherzeitraum sind die Speichersysteme gut transportierbar. Und auch die Intensit\u00e4t l\u00e4sst sich regulieren, \u00fcber die Menge an zugesetztem Aktivierer. \u201eMOST gibt uns viel mehr Flexibilit\u00e4t bei der Sonnenw\u00e4rmespeicherung\u201c, so Wachtveitl.

Die Molek\u00fcle m\u00fcssen allerdings vier Eigenschaften haben, um als W\u00e4rmespeicher einsetzbar zu sein. Erstens sollten sie einen Gro\u00dfteil des Sonnenlichts absorbieren k\u00f6nnen. Im Moment absorbieren die Molek\u00fcle aber eher nur im UV-Bereich des Lichts, also in den Randbereichen von 200 bis 400 Nanometer Wellenl\u00e4nge. Dieses Licht ist zwar sehr energiereich, hat aber im Sonnenspektrum eine recht niedrige Intensit\u00e4t. Die maximale Intensit\u00e4t der Sonne liegt im Bereich des gr\u00fcnen Lichts, zwischen 500 und 600 Nanometern Wellenl\u00e4nge. \u201eGenau da setzen wir an und versuchen, die Photoschalter so zu modifizieren, dass sie in diesem Bereich absorbieren \u2013 das ist unser wichtigstes Ziel\u201c, erkl\u00e4rt Jonas Lienert, der zur Wachtveitl-Gruppe geh\u00f6rt und auch am FORMOST-Projekt beteiligt ist. Zweitens sollen die Molek\u00fcle viel W\u00e4rme speichern, daf\u00fcr muss der energetische Unterschied zwischen Ursprungszustand und Speicherzustand m\u00f6glichst gro\u00df sein. Drittens d\u00fcrfen sich die Molek\u00fcle nicht spontan entladen, der Speicherzustand muss m\u00f6glichst lange halten, zudem stabil und kontrollierbar sein. Viertes Kriterium: Die W\u00e4rmespeicher sollten m\u00f6glichst klein und leicht, aber trotzdem effizient sein. Am besten l\u00f6st jedes Lichtteilchen (Photon) die Reaktion zum Speicherzustand aus. \u201eDann h\u00e4tten wir maximale Effizienz.\u201c Im Rahmen des Projekts werden die Molek\u00fcle so modifiziert, dass sie bei m\u00f6glichst vielen Kriterien m\u00f6glichst gut sind. Momentan ist keines perfekt. Norbonadiene etwa zeichnen sich durch einen gro\u00dfen energetischen Unterschied zwischen Ursprungs- und Speicherzustand aus, absorbieren aber nur einen kleinen Teil des Sonnenlichts.

Beteiligt am Projekt sind Gruppen mehrerer deutscher Universit\u00e4ten, die jeweils Spezialaufgaben haben und ihre Erkenntnisse in den n\u00e4chsten Jahren zusammenf\u00fchren werden, um ein Gesamtbild zu bekommen. Wachtveitls Gruppe schaut sich die rasend schnell ablaufenden Ladeprozesse der Photoschalter genauer an. Um abbilden zu k\u00f6nnen, was w\u00e4hrenddessen im Molek\u00fcl passiert, braucht es eine zeitliche Aufl\u00f6sung im Femtosekundenbereich. Eine Femtosekunde entspricht 10\u201315 Sekunden. Eine schwer fassbare Zeiteinheit, aber ein Vergleich macht es anschaulich: Das Licht braucht von der Erde zum Mond etwa eine Sekunde. In einer Femtosekunde w\u00fcrde es nur die winzige Strecke von 0,3 Mikrometern (0,0003 Millimeter) zur\u00fccklegen.<\/p>\n\n\n\n

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pump-probe<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Wachtveitls Gruppe arbeitet mit der Anreg-Abtast-Spektroskopie (pump-probe). Die Methode dient der zeitlichen Aufl\u00f6sung von dynamischen, lichtaktivierten Prozessen. Damit l\u00e4sst sich vieles untersuchen, der Einfluss von Licht auf Blattfarbstoffe wie Chlorophyll oder auf die Rezeptoren im menschlichen Auge zum Beispiel. Oder eben der ultraschnelle Wechsel vom Ursprungszustand zum Speicherzustand im MOST-Molek\u00fcl. Bei pump-probe wird ein Laserstrahl \u00fcber einen teildurchl\u00e4ssigen Spiegel in zwei Laserstrahlen oder Laserpulse aufgeteilt. Der erste regt die Molek\u00fcle an (pump), der zweitet tastet das Molek\u00fcl ab (probe). Der Trick: Zwischen Anrege- und Abtast-Puls gibt es eine zeitliche Verz\u00f6gerung. In immer gr\u00f6\u00dferen zeitlichen Abst\u00e4nden werden Bilder vom Molek\u00fcl aufgenommen und am Ende zu einem \u201eFilm\u201c zusammengesetzt. Wie bei einem Daumenkino. \u201eIndem wir molekulare Filme mit einer zeitlichen Aufl\u00f6sung von wenigen Femtosekunden zwischen den einzelnen Bildern aufnehmen, k\u00f6nnen wir genau sehen, was mit dem Molek\u00fcl nach der Lichtanregung passiert\u201c, erkl\u00e4rt Lienert. Wichtig dabei ist noch, dass der Abtast-Puls aus wei\u00dfem Licht besteht, da wei\u00dfes Licht alle anderen Farben des Spektrums enth\u00e4lt \u2013 so zeigen die einzelnen Fotos alles, was im Molek\u00fcl vor sich geht. Der Entladeprozess, ausgel\u00f6st durch Katalysator, Licht oder W\u00e4rme, l\u00e4sst sich in gleicher Weise beobachten. Da er viel langsamer abl\u00e4uft, wird die Abbildung dieses Prozesses einfacher sein. Wachtveitl und Lienert wollen herausfinden, wie gut die Molek\u00fcle das Licht in Energie umsetzen: Was sind unerw\u00fcnschte Nebenreaktionen? Wie l\u00e4sst sich die Effizienz erh\u00f6hen? Was ist die maximale Speicherdauer? \u201eSo kommen wir dahin, Auswirkungen der molekularen Struktur auf die vier gew\u00fcnschten Eigenschaften besser zu verstehen\u201c, erkl\u00e4rt Wachtveitl. \u201eDann k\u00f6nnen wir zum Beispiel den synthetisch arbeitenden Kollegen bei FORMOST Hinweise geben, wie sich die molekulare Struktur anpassen l\u00e4sst, um die Eigenschaften der Molek\u00fcle zu verbessern.\u201c<\/p>\n\n\n\n

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Erste Anwendungsversuche<\/h2>\n\n\n\n

Wohin f\u00fchrt diese Grundlagenforschung? Bereits jetzt gibt es erste Anwendungsversuche f\u00fcr MOST. Zum Beispiel werden die Molek\u00fcle auf Glasoberfl\u00e4chen gesetzt. Daraus sollen sp\u00e4ter Fenster werden, die tags\u00fcber Energie speichern und nachts abgeben k\u00f6nnen. MOST-Molek\u00fcle, die in einem geschlossenen Kreislauf gepumpt werden k\u00f6nnen, sind auch schon in der Entwicklung. Diese k\u00f6nnten als Panel auf D\u00e4chern verteilt und durch die Sonne in den Speicherzustand gebracht werden. Mit einem gro\u00dfen Tank lie\u00dfen sich die W\u00e4rmespeicher dann lange lagern und bei Bedarf aktivieren. Generell k\u00f6nnten MOST-Speicher \u00fcberall da zum Einsatz kommen, wo geheizt werden muss, also bei Autos, H\u00e4usern, Fabriken, St\u00e4llen f\u00fcr Nutztiere.

\u201eJede Alternative zu \u00d6l und Gas ist sinnvoll und tr\u00e4gt zu einem klimafreundlicheren Heizen bei\u201c, sagt Wachtveitl abschlie\u00dfend. Und MOST-Systeme seien da sehr aussichtsreich. Einmal hergestellt, k\u00f6nnen sie lange genutzt werden und sind in ihrem Prozess der Speicherung, Umwandlung und Freisetzung v\u00f6llig CO2-neutral. Hinzu kommen sekund\u00e4re Effekte: MOST-W\u00e4rmespeicher sind dezentral und k\u00f6nnen \u00fcberall aufgebaut werden, da alle Prozesse in einem Molek\u00fcl ablaufen \u2013 gro\u00dfe Fabriken zur Produktion werden nicht ben\u00f6tigt.<\/p>\n\n\n\n

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Andreas Lorenz-Meyer<\/em><\/p>\n\n\n\n

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Am Projekt FORMOST sind neben der Universit\u00e4t Frankfurt noch die Universit\u00e4ten in T\u00fcbingen, Gie\u00dfen, Heidelberg und Erlangen-N\u00fcrnberg beteiligt. Wachtveitls Gruppe erforscht die molekularen Mechanismen der Energiespeicherung und -freisetzung bei MOST-Molek\u00fclen. Andere Gruppen k\u00fcmmern sich um die Synthese der Molek\u00fcle oder die Modellierung. Das Projekt l\u00e4uft von 2023 bis 2027 und wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit insgesamt rund 4,8 Millionen Euro gef\u00f6rdert.

Zur Freisetzung der gespeicherten Energie kommen bei den MOST-Molek\u00fclen Katalysatoren, Licht anderer Wellenl\u00e4nge oder W\u00e4rme zum Einsatz. Bei W\u00e4rme als Energiefreisetzungsinitiator gibt es die Idee, eine Kettenreaktion auszul\u00f6sen, sodass die freiwerdende W\u00e4rmeenergie von wenigen Molek\u00fclen immer mehr und immer schneller die Freisetzung der restlichen Molek\u00fcle bewirkt \u2013 eine sogenannte Autokatalyse.

FORMOST auf YouTube
<\/strong>Die Forschungsgruppe FORMOST hat nun einen YouTube-Kanal, auf dem spannende Einblicke in die Forschung, aber auch in Themen rund um Forschung und Universit\u00e4t geboten werden sollen.
www.youtube.com\/@YTFORMOST5499<\/a><\/p>\n\n\n\n

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