Ein neu entwickeltes Molekül funktioniert wie eine „wiederaufladbare“ Solarwärmebatterie: Es speichert Sonnenlicht und gibt es bei Bedarf wieder ab.

Solarenergie hat eine entscheidende Schwäche: Bei Sonnenuntergang verschwindet sie. Eine zuverlässige Möglichkeit zu finden, diese Energie für die spätere Nutzung zu speichern, bleibt eines der größten Hindernisse für den Ausbau erneuerbarer Energien.

Ein Forschungsteam an der UC Santa Barbara hat möglicherweise eine unerwartete Lösung gefunden. Anstatt auf herkömmliche Batterien zu setzen, haben sie ein kleines organisches Molekül entwickelt, das Sonnenlicht einfängt, diese Energie in seiner Struktur bindet und später als Wärme wieder abgibt. Die in Science veröffentlichte Arbeit stellt eine neue Version des Molecular Solar Thermal (MOST)-Speichers vor, der eine Verbindung namens Pyrimidon nutzt.

„Das Konzept ist wiederverwendbar und recycelbar“, sagte der Hauptautor Han Nguyen, Doktorand in der Han-Gruppe.

Um die Idee zu verstehen, verweist Nguyen auf ein bekanntes Beispiel. „Denk an photochrome Sonnenbrillen. Wenn du drinnen bist, sind es einfach klare Gläser. Du gehst hinaus in die Sonne, und sie verdunkeln sich von selbst. Gehst du wieder rein, werden die Gläser wieder klar“, sagte Nguyen. „An dieser Art von umkehrbarer Veränderung sind wir interessiert. Nur dass wir statt einer Farbveränderung 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, ließen sich die Forscher von der DNA inspirieren. Die Pyrimidonstruktur ähnelt einem DNA-Bestandteil, der unter UV-Lichteinwirkung seine Form reversibel verändern kann.

Durch die Herstellung einer synthetischen Version entwarf das Team ein Molekül, das in der Lage ist, Energie wiederholt zu speichern und wieder abzugeben. In Zusammenarbeit mit Ken Houk, einem renommierten Forschungsprofessor an der UCLA, nutzten sie Computermodelle, um zu verstehen, wie das Molekül Energie speichern und dabei über Jahre hinweg stabil bleiben kann.

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

Eine „wiederaufladbare Batterie“ für Wärme

Im Gegensatz zu Solarmodulen, die Strom erzeugen, speichert dieses System Sonnenenergie in chemischer Form. Das Molekül verhält sich wie eine gewickelte Feder. Wenn es Sonnenlicht ausgesetzt wird, wechselt es in eine gespannte, energiereiche Konfiguration. Es bleibt in diesem Zustand, bis es durch Wärme oder einen Katalysator ausgelöst wird, wodurch es in seine ursprüngliche Form zurückkehren und die gespeicherte Energie als Wärme freisetzen kann.

„Wir beschreiben es normalerweise als wiederaufladbare Solarbatterie“, sagte Nguyen. „Es speichert Sonnenlicht und kann wieder aufgeladen werden.“

Das Material zeigt eine starke Leistung mit einer Energiedichte von über 1,6 Megajoule pro Kilogramm (MJ/kg) (etwa 0,69 britische Wärmeeinheiten pro Pfund). Das ist etwa doppelt so viel wie bei einer typischen Lithium-Ionen-Batterie, die bei etwa 0,9 MJ/kg liegt, und höher als bei früheren optischen Schaltmaterialien.

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 stark genug war, um Wasser zum Kochen zu bringen – eine Leistung, die in diesem Bereich bisher nur schwer zu erreichen war.

„Wasser zum Kochen zu bringen ist ein energieintensiver Prozess“, sagte Nguyen. „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 Privathaushalten reichen. Da das Material wasserlöslich ist, könnte es potenziell durch auf dem Dach montierte Sonnenkollektoren gepumpt werden, um sich tagsüber aufzuladen, und in Tanks gespeichert werden, um nachts Wärme bereitzustellen.

„Bei Solarmodulen braucht man ein zusätzliches Batteriesystem, um die Energie zu speichern“, sagte Mitautor Benjamin Baker, Doktorand im Han Lab. „Bei der molekularen solarthermischen Energiespeicherung kann das Material selbst die Energie aus dem Sonnenlicht speichern.“

Referenz:

“Molecular solar thermal energy storage in Dewar pyrimidone beyond 1.6 MJ/kg” by Han P. Q. Nguyen, Alexander J. Maertens, Benjamin A. Baker, Nathan M.-W. Wu, Zihao Ye, Qingyang Zhou, Qianfeng Qiu, Navneet Kaur, David B. Berkinsky, Katherine E. Shulenberger, K. N. Houk and Grace G. D. Han, 12 February 2026, Science.

Quelle: SciTechDaily

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