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Günstiger Wasserstoff aus Sonnenlicht und Wasser
Indem sie ein Solar-Photovoltaik-Material widerstandsfähiger gemacht haben, haben Forscher möglicherweise einen Weg gefunden, die künstliche Photosynthese – d. h. die Verwendung von Sonnenlicht zur Herstellung von Brennstoff – billig genug zu machen, um mit fossilen Brennstoffen konkurrieren zu können.
Wenn Wasserstoff einen Motor oder eine Brennstoffzelle antreiben soll, ist es viel billiger, ihn aus Erdgas zu gewinnen, als ihn durch Spaltung von Wasser herzustellen. Solarstrom könnte jedoch mit Erdgas bei der Herstellung von Wasserstoff konkurrieren, wenn der Solarprozess zwischen 15 und 25 Prozent effizient wäre, sagt das US-Energieministerium. Das ist zwar mehr als doppelt so effizient wie aktuelle Ansätze, Forscher der Stanford University haben kürzlich Materialien entwickelt, die es ermöglichen könnten, dieses Ziel zu erreichen. Die Arbeit ist in der Zeitschrift beschrieben Wissenschaft .
Eine Möglichkeit, Wasserstoff mithilfe von Sonnenlicht herzustellen, besteht darin, ein Solarpanel zur Stromerzeugung zu verwenden und diesen Strom dann zu verwenden, um einen kommerziellen Elektrolyseur anzutreiben, der Wasser spaltet und Wasserstoff und Sauerstoff bildet. Aber die Kombination von Solarpanel und Elektrolyseur in einem Gerät könnte billiger und effizienter sein. Die Elektronen, die beim Auftreffen von Licht auf ein photovoltaisches Material erzeugt werden, könnten chemische Reaktionen erleichtern, und die Kapitalkosten für eine Maschine wären wahrscheinlich niedriger als die Kosten für zwei (siehe A Greener 'Artificial Leaf', Sun Catalytix Seeks Second Act with Flow Battery und Artificial Der Aufwand der Photosynthese nimmt Wurzeln ).
Forscher wissen schon seit einiger Zeit, dass man einen Wirkungsgrad von 15 bis 25 Prozent erreichen kann, wenn man zwei Solarzellenmaterialien in einem solchen System kombiniert. Eine Solarzelle würde die Hälfte der wasserspaltenden Reaktion antreiben – Wasserstoff bilden. Der andere könnte Sauerstoff bilden.
Der Wasserstoffanteil ist inzwischen so gut wie gelöst, aber die Forscher hatten Probleme mit der Sauerstoffhälfte. Die effizientesten Solarzellenmaterialien für diese Reaktion (z. B. Silizium) korrodieren schnell. Die Stanford-Forscher fanden heraus, dass sie Silizium für Tage statt nur für wenige Stunden halten können, indem sie es mit einer Schutzschicht aus Nickel von nur zwei Milliardstel Metern Dicke überziehen. Die Materialien spalteten drei Tage lang Wasser, bevor die Forscher das Experiment stoppten, um die Materialien auf Schäden zu untersuchen. Sie fanden keine.
Andere Materialien – wie Metalloxide – können so lange halten, aber sie spalten Wasser sehr langsam. Die neuen Materialien sind eine Größenordnung schneller, sagt John Turner , wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Nationales Labor für erneuerbare Energien in Golden, Colorado. Über 40 Jahre Arbeit an Oxiden haben zu einem solchen Ergebnis nicht geführt, sagt er.
Bis die Materialien in der kommerziellen Wasserstoffproduktion eingesetzt werden, könnte es noch eine Weile dauern. Um die erforderlichen Wirkungsgrade zu erreichen, müssten die Materialien noch in ein System mit zwei Solarzellen integriert werden. Und eine große verbleibende Frage ist, wie lange die Materialien halten können. Um wirtschaftlich zu sein, müsste eine Anlage mindestens fünf Jahre laufen, sagt Turner.