Nachhaltige Luftfahrt Dünner als ein Haar: Feinste Solarzellen auf Drohnen getestet

Egal ob auf der Erde oder im Weltraum: Energieautonomie ist ein entscheidender Faktor, um Systeme über lange Zeiträume unabhängig in einer abgelegenen und unvorhersehbaren Umgebung zu betreiben. Herkömmliche Energielösungen, darunter fossile Brennstoffe, Batterien und andere alternative Methoden zur Energiegewinnung, kämpfen allerdings mit Herausforderungen. So sind sie oft zu groß, benötigen Kabel oder eine ortsgebundene Aufladung, verursachen Umweltbelastungen oder weisen eine zu geringe Leistungsdichte auf. Ultradünne und flexible Solarzellen, basierend auf dem Material Perowskit, bieten eine effiziente und leichte Lösung, um einen energieautarken Betrieb über längere Zeiträume zu ermöglichen.

„Ultradünne und leichte Solarzellen haben nicht nur das enorme Potenzial, die Energiegewinnung in der Luft- und Raumfahrt zu revolutionieren, sondern auch eine Vielzahl von Anwendungen wie tragbare Elektronik und das Internet der Dinge können von dieser neuen Technologie profitieren“, sagt Christoph Putz, einer der Hauptautoren der Studie. „Leichte, anpassungsfähige und hocheffiziente Photovoltaik ist dabei der Schlüssel, um die nächste Generation energieautarker Systeme zu realisieren.“

Neues Solarmaterial entwickelt

An der Johannes-Kepler-Universität Linz (JKU) haben Wissenschaftler nun neue ultraleichte Quasi-2D-Perowskit-Solarzellen hergestellt. Sie verfügen über vergleichsweise hohe Stabilität und ermöglichen eine Stromversorgung für den energieautarken Betrieb verschiedener elektronischer Geräte. Die weniger als 2,5 µm dicken Solarzellen erreichen bei einer Leistungsdichte von bis zu 44 W/g einen Wirkungsgrad von 20,1 Prozent.

Um betriebsstabile flexible Solarzellen mit einem hohen Leistungs-Gewichts-Verhältnis und gleichzeitig hoher Stabilität zu erreichen, muss ein Gleichgewicht zwischen geringer Gas- und Feuchtigkeitsdurchlässigkeit, hoher Flexibilität und Transparenz des Kunststoffsubstrats in Kombination mit einem robusten Photovoltaikmaterial gefunden werden. Mithilfe einer auf die dünnen Folien aufgebrachten transparenten Aluminiumoxidschicht, in Verbindung mit der Optimierung des Solarzellenmaterials selbst, konnte die Betriebsstabilität der Zellen deutlich verbessert werden.

Alltagstauglichkeit demonstriert

Um die Leistungsfähigkeit ihrer neuen Technologie zu demonstrieren, rüsteten die JKU-Forscher eine handtellergroße kommerzielle Quadcopter-Drohne mit den ultraleichten Solarzellen aus. 24 dieser Zellen wurden nahtlos in den Rahmen der Drohne integriert und machten gerade einmal ein Vierhundertstel ihres Gesamtgewichts aus. Diese Konfiguration ermöglichte es der Drohne, energieautark zu arbeiten und aufeinanderfolgende Lade-Flug-Lade-Zyklen ohne kabelgebundenes Aufladen durchzuführen.

Anwendung finden könnte die neue Technologie so etwa in den Bereichen Suche und Rettung, groß angelegte Kartierung, Erzeugung von Solarenergie im Weltraum oder Erkundung des Sonnensystems. In der jüngsten Geschichte demonstrierte bereits der Mars-Helikopter „Ingenuity“ die Bedeutung eines energieautarken solarbetriebenen Flugs, indem er als erstes Luftfahrzeug auf einem anderen Planeten erfolgreich abhob und flog.