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Wissenschaftler haben errechnet, dass die gesamte auf die Erdoberfläche auftreffende Sonnenenergie über 5000-mal größer ist als der aktuelle Energiebedarf der Menschheit. Diesen gigantischen Überschuss an Energie nutzbar zu machen, das ist es, was Professor Thomas Hannappel antreibt. Der Leiter des Fachgebiets „Grundlagen von Energiematerialien“ der TU Ilmenau und Gewinner des Thüringer Forschungspreises 2022 forscht unter anderem daran, die Effizienz konventioneller Solarzellen mehr und mehr zu steigern – etwa mit innovativen Halbleitern, die die Sonnenstrahlung absorbieren und in elektrische Leistung umwandeln. So sind die von Hannappel und seinem Team optimierten Stapel-, Mehrfach- und Tandem-Solarzellen bereits ungleich energieeffizienter als bisherige Solarzellen.

Es werde Licht!

Insbesondere Tandemstrukturen bergen laut Hannappel ein hochwirksames Potenzial. Mit nur einem einzigen Bauteil, das heißt ohne den Umweg über einen üblicherweise benötigten Elektrolyseur, kann damit Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt werden. Und in (grünem) Wasserstoff sehen nicht wenige den Energieträger der Zukunft, der die fossilen Energieträger nach und nach ersetzen könnte – so er denn regenerativ erzeugt wird. In Fachkreisen wird solch ein alleinstehendes Bauteil, das ohne Verdrahtung nach außen auskommt, auch als „künstliches Blatt“ bezeichnet – angelehnt an die Natur, die ebenfalls mit einem einzigen „Bauteil“, den grünen Blättern der Pflanzen, winzige Kraftwerke betreibt. Ausschließlich betrieben mit Sonnenlicht und Wasser wandeln sie mit Hilfe der Photosynthese das Kohlendioxid aus der Atmosphäre in Energieträger wie Zucker um. Und genau dieses Prinzip der Natur liegt der Idee von Professor Hannappel und seinem Team zugrunde: eine Art künstliche Photosynthese für die direkte solare Brennstofferzeugung.

Ein großer Traum

Das mögliche Ziel am Ende dieser Bemühungen: Treibstoff im Überfluss, kostengünstig und sauber. „Wenn es mir als Wissenschaftler erlaubt ist zu träumen, werden wir mit künstlicher Photosynthese das Tor aufstoßen zu einer Welt, die mit grünen Energieträgern entscheidend zur Zuverlässigkeit unseres Energiesystems, einer großen Mobilität und einer stabilen Energiespeicherung beiträgt“, so Hannappel.

Niemand ist eine Insel

Unterstützung erfährt er dabei auch durch das Bundesforschungsministerium, das dafür das Projekt DEPECOR („Direkte Effiziente Photoelektrochemische CO2-Reduktion“) aufgelegt hat. Koordiniert von der TU Ilmenau, arbeiten darin hochkarätige internationale Partner aus Wissenschaft und Industrie an dem weiter oben postulierten Ziel. Dazu gehören auf deutscher Seite die TU München, das Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie Berlin, das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme und die Azur Space Solar Power GmbH – sowie als assoziierter Partner das renommierte California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena.

Und es funktioniert!

Tatsächlich kann diese Forschungsgemeinschaft bereits Erfolge nachweisen. So ist es dem Team nun gelungen, bei der Umwandlung von Kohlendioxid in nutzbare Brennstoffe in einem alleinstehenden, solar betriebenen Bauelement einen neuen Bestwert zu erzielen. Der Wirkungsgrad von über fünf Prozent bei einer Stabilität von mehr als 50 Stunden zeigt, dass mit dem innovativen, komplexen Verfahren aus CO2 tatsächlich hochwertige Brennstoffe erzeugt werden können: Ethanol, Kohlenmonoxid und Methansäure. Die Ergebnisse seiner Forschungsarbeiten veröffentlichte Hannappel jüngst im renommierten Wissenschaftsjournal „Advanced Energy Materials“.

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