Nun könnte ein neuer chemischer Verbundstoff, der von Forschern am MIT entwickelt wurde, eine Alternative bieten. Es könnte verwendet werden, um Wärme von der Sonne oder einer anderen Quelle während des Tages in einer Art Wärmebatterie zu speichern, und es könnte die Wärme bei Bedarf abgeben, zum Beispiel zum Kochen oder Heizen nach Einbruch der Dunkelheit.Ein gängiger Ansatz für die thermische Speicherung ist die Verwendung eines sogenannten Phasenwechselmaterials (PCM), bei dem Eingangswärme das Material schmilzt und dessen Phasenänderung – von fest zu flüssig – Energie speichert. Wenn das PCM wieder unter seinen Schmelzpunkt abgekühlt wird, verwandelt es sich wieder in einen Feststoff, an dem die gespeicherte Energie als Wärme freigesetzt wird. Es gibt viele Beispiele für diese Materialien, einschließlich Wachse oder Fettsäuren, die für Tieftemperaturanwendungen verwendet werden, und geschmolzene Salze, die bei hohen Temperaturen verwendet werden. Aber alle gegenwärtigen PCMs erfordern eine große Isolierung, und sie durchlaufen diese Phasenwechseltemperatur unkontrolliert und verlieren ihre gespeicherte Wärme relativ schnell.
Stattdessen verwendet das neue System molekulare Schalter, die als Reaktion auf Licht ihre Form ändern; Wenn sie in das PCM integriert sind, kann die Phasenänderungstemperatur des Hybridmaterials mit Licht eingestellt werden, so dass die thermische Energie der Phasenänderung auch weit unter dem Schmelzpunkt des ursprünglichen Materials gehalten werden kann.Die neuen Ergebnisse, von MIT-Postdocs Grace Han und Huashan Li und Professor Jeffrey Grossman, werden diese Woche in der Zeitschrift Nature Communications berichtet.
„Das Problem mit der Wärmeenergie ist, dass es schwer ist, daran festzuhalten“, erklärt Grossman. So entwickelte sein Team, was im Wesentlichen Add-Ons für traditionelle Phasenwechselmaterialien sind, oder „kleine Moleküle, die eine strukturelle Veränderung erfahren, wenn Licht auf sie scheint.“ Der Trick bestand darin, einen Weg zu finden, diese Moleküle mit herkömmlichen PCM-Materialien zu integrieren, um die gespeicherte Energie bei Bedarf als Wärme freizusetzen. „Es gibt so viele Anwendungen, bei denen es sinnvoll wäre, Wärmeenergie so zu speichern, dass Sie bei Bedarf ausgelöst wird“, sagt er.
Dies gelang den Forschern, indem sie die Fettsäuren mit einer organischen Verbindung kombinierten, die auf einen Lichtimpuls reagiert. Bei dieser Anordnung verändert das lichtempfindliche Bauteil die thermischen Eigenschaften des anderen Bauteils, das seine Energie speichert und abgibt. Das Hybridmaterial schmilzt, wenn es erhitzt wird, und nachdem es ultraviolettem Licht ausgesetzt wurde, bleibt es geschmolzen, selbst wenn es wieder abgekühlt wird. Als nächstes, wenn es durch einen anderen Lichtimpuls ausgelöst wird, verfestigt sich das Material und gibt die thermische Phasenänderungsenergie zurück.“Durch die Integration eines lichtaktivierten Moleküls in das traditionelle Bild der latenten Wärme fügen wir eine neue Art von Steuerknopf für Eigenschaften wie Schmelzen, Erstarren und Unterkühlung hinzu“, sagt Grossman, der Morton und Claire Goulder and Family Professor für Umweltsysteme sowie Professor für Materialwissenschaften und -technik ist.
Das System könnte jede Wärmequelle nutzen, nicht nur Solar, sagt Han. „Die Verfügbarkeit von Abwärme ist weit verbreitet, von industriellen Prozessen über Solarwärme bis hin zu Fahrzeugwärme, und sie wird normalerweise nur verschwendet.“ Die Nutzung eines Teils dieses Abfalls könnte eine Möglichkeit bieten, diese Wärme für nützliche Anwendungen zu recyceln.
„Was wir technisch machen“, erklärt Han, „ist die Installation einer neuen Energiebarriere, damit die gespeicherte Wärme nicht sofort freigesetzt werden kann.“ In ihrer chemisch gespeicherten Form kann die Energie lange Zeit bleiben, bis der optische Auslöser aktiviert wird. In ihren ersten kleinen Laborversionen zeigten sie, dass die gespeicherte Wärme für mindestens 10 Stunden stabil bleiben kann, während ein Gerät ähnlicher Größe, das Wärme direkt speichert, sie innerhalb weniger Minuten abführen würde. Und „es gibt keinen grundlegenden Grund, warum es nicht so eingestellt werden kann, dass es höher geht“, sagt Han.Im ersten Proof-of-Concept-System „kann die Temperaturänderung oder Unterkühlung, die wir für dieses Wärmespeichermaterial erreichen, bis zu 10 Grad C (18 F) betragen, und wir hoffen, dass wir höher gehen können“, sagt Grossman.
Bereits in dieser Version „ist die Energiedichte ziemlich signifikant, obwohl wir ein herkömmliches Phasenwechselmaterial verwenden“, sagt Han. Das Material kann etwa 200 Joule pro Gramm speichern, was sie sagt, ist „sehr gut für jedes organische Phasenwechselmaterial.“ Und schon „haben die Leute Interesse gezeigt, dies im ländlichen Indien zum Kochen zu verwenden“, sagt sie. Solche Systeme könnten auch zur Trocknung landwirtschaftlicher Kulturen oder zur Raumheizung eingesetzt werden.“Unser Interesse an dieser Arbeit war es, einen Proof of Concept zu zeigen“, sagt Grossman, „aber wir glauben, dass es ein großes Potenzial gibt, lichtaktivierte Materialien zu verwenden, um die thermischen Speichereigenschaften von Phasenwechselmaterialien zu nutzen.“
