Forschende „füllen“ die Sonne ab – mit einer flüssigen Wärmebatterie

Chemiker der UC Santa Barbara haben eine Lösung entwickelt, die ohne sperrige Batterien oder Stromnetze auskommt. In einem neuen Artikel beschreiben Associate Professor Grace Han und ihr Team ein neues Material, das Sonnenlicht einfängt, in chemischen Bindungen speichert und bei Bedarf als Wärme wieder abgibt. Das Material, ein modifiziertes organisches Molekül namens Pyrimidon, ist der neueste Fortschritt im Bereich der molekularen solarthermischen (MOST) Energiespeicherung.

„Das Konzept ist wiederverwendbar und recycelbar“, sagte Han Nguyen, Doktorand in der Han-Gruppe und Hauptautor der Studie. „Denken Sie an photochrome Sonnenbrillen. Wenn Sie drinnen sind, sind die Gläser einfach klar. Sobald Sie in die Sonne treten, verdunkeln sie sich von selbst. Kehrt man wieder ins Haus zurück, werden die Gläser wieder klar“, fuhr Nguyen fort. „An dieser Art von umkehrbarer Veränderung sind wir interessiert. Nur dass wir, anstatt die Farbe zu ändern, dasselbe Prinzip nutzen wollen, um Energie zu speichern, sie bei Bedarf freizusetzen und das Material dann immer wieder zu verwenden.“

Bioinspiriertes Design

Um dieses Molekül zu entwickeln, wandte sich das Team einer überraschenden Quelle zu: der DNA. Die Pyrimidonstruktur ähnelt einem Bestandteil der DNA, der unter UV-Lichteinwirkung reversible Strukturveränderungen durchlaufen kann.

Durch die Entwicklung einer synthetischen Version dieser Struktur schuf das Team ein Molekül, das Energie reversibel speichert und wieder abgibt. In Zusammenarbeit mit Ken Houk, einem renommierten Forschungsprofessor an der UCLA, nutzten sie Computermodelle, um zu verstehen, warum das Molekül in der Lage war, Energie zu speichern und über Jahre hinweg stabil zu bleiben, ohne die gespeicherte Energie zu verlieren.

„Wir haben Wert auf ein leichtes, kompaktes Moleküldesign gelegt“, sagte Nguyen. „Für dieses Projekt haben wir alles weggelassen, was wir nicht brauchten. Alles, was unnötig war, haben wir entfernt, um das Molekül so kompakt wie möglich zu gestalten.“

Eine „wiederaufladbare Batterie“ für Wärme

Herkömmliche Solarmodule wandeln Licht in Strom um, doch die meisten Systeme wandeln Licht in chemische Energie um. Das Molekül verhält sich wie eine mechanische Feder: Wenn es von Sonnenlicht getroffen wird, verdreht es sich in eine gespannte, energiereiche Form. Es bleibt in dieser Form verhaftet, bis ein Auslöser – wie eine geringe Wärmemenge oder ein Katalysator – es in seinen entspannten Zustand zurückschnellen lässt und dabei die gespeicherte Energie als Wärme freisetzt.

„Wir bezeichnen es üblicherweise als wiederaufladbare Solarbatterie“, sagte Nguyen. „Es speichert Sonnenlicht und kann wieder aufgeladen werden.“ Das neue Molekül des Teams ist ein echter Kraftprotz. Es weist eine Energiedichte von mehr als 1,6 MJ/kg auf. Das ist etwa doppelt so viel wie die Energiedichte einer Standard-Lithium-Ionen-Batterie – die bei etwa 0,9 MJ/kg liegt – und deutlich höher als bei früheren Generationen optischer Schalter.

Von der Theorie zum kochenden Wasser

Der entscheidende Durchbruch für Hans Gruppe bestand darin, die hohe Energiedichte in ein greifbares Ergebnis umzusetzen. In der Studie zeigten die Forscher, dass die vom Material abgegebene Wärme intensiv genug war, um Wasser zum Kochen zu bringen – eine Leistung, die in diesem Bereich bisher nur schwer zu erreichen war.

„Das Kochen von Wasser ist ein energieintensiver Prozess“, sagte Nguyen. „Die Tatsache, dass wir Wasser unter Umgebungsbedingungen zum Kochen bringen können, ist eine große Errungenschaft.“ Diese Fähigkeit eröffnet Möglichkeiten für praktische Anwendungen, die von netzunabhängiger Heizung beim Camping bis hin zur Warmwasserbereitung in Wohnhäusern reichen. Da das Material wasserlöslich ist, könnte es potenziell durch auf dem Dach montierte Solarkollektoren gepumpt werden, um tagsüber aufgeladen und in Tanks gespeichert zu werden, um nachts Wärme bereitzustellen.

„Bei Solarzellen benötigt man ein zusätzliches Batteriesystem, um die Energie zu speichern“, sagte Mitautor Benjamin Baker, Doktorand im Han-Labor. „Bei der molekularen solarthermischen Energiespeicherung ist das Material selbst in der Lage, diese Energie aus dem Sonnenlicht zu speichern.“

Die Forschung wurde durch das Moore Inventor Fellowship unterstützt, das Han im Jahr 2025 erhielt, um die Entwicklung dieser „wiederaufladbaren Sonnenbatterien“ voranzutreiben.