Ein Hinweis aus dem Sonnenbrand? Die Möglichkeit einer neuen Technologie, die Sonnenenergie in Molekülen speichert

Die Schwäche der Solarenergie ist allzu einfach: Wenn die Sonne nicht scheint, wird kein Strom erzeugt. Um den tagsüber erzeugten Strom nachts zu nutzen, sind Batterien, Stromnetze oder andere Speichersysteme erforderlich. Je mehr erneuerbare Energien in den Mittelpunkt der Gesellschaft rücken, desto größer wird das Problem der „Speicherung“.

Aber was wäre, wenn man die Energie der Sonne nicht in Elektrizität, sondern direkt in Molekülen speichern könnte? Und was, wenn diese Moleküle bei Bedarf Wärme freisetzen könnten, um Wasser zu erhitzen, Räume zu heizen oder Maschinen zu temperieren?

Eine solche Forschung, die wie Science-Fiction anmutet, wird unter der Leitung der University of California, Santa Barbara, durchgeführt. Der Auslöser war überraschenderweise der „Sonnenbrand“.

Die Chemikerin Grace Han war überrascht von der Intensität der Sonne, als sie von Boston nach Südkalifornien reiste. Schon wenige Stunden im Freien reichten aus, um die Haut zu reizen. Diese Erfahrung verband sich mit ihrem Interesse an photochemischen Reaktionen der DNA. Sonnenbrand ist ein Phänomen, bei dem die DNA in Hautzellen durch UV-Strahlung geschädigt wird. Die Moleküle, aus denen die DNA besteht, verändern ihre Form, wenn sie Licht ausgesetzt sind, und werden verzerrt.

Diese Eigenschaft, „durch Licht die Form zu verändern“, wurde zum Hinweis für die Energiespeicherung.

Im Bereich der molekularen solarthermischen Energiespeicherung, kurz MOST, werden Moleküle genutzt, die ihre Struktur verändern und in einem hochenergetischen Zustand stabil bleiben, wenn sie Licht ausgesetzt sind. Wenn die Moleküle in ihre ursprüngliche Struktur zurückkehren, wird die Differenzenergie als Wärme freigesetzt. Es ist vergleichbar mit dem Aufziehen einer winzigen Feder durch Sonnenlicht, die bei Bedarf zurückschnappt und Wärme freisetzt.

Traditionelle Solarenergie wandelt Licht in Elektrizität um. MOST hingegen speichert Licht als chemische Energie und gibt es als Wärme ab. Dies unterscheidet sich von der Rolle von Lithium-Ionen-Batterien, die Elektrizität speichern. Diese Technologie ist eher für Anwendungen geeignet, die „Wärme“ benötigen, wie Heizung, Warmwasserbereitung, industrielle Erwärmung, Kondensationsschutz und Temperaturmanagement, als für Batterien, die Smartphones oder Elektrofahrzeuge antreiben.

Im Fokus steht das von Han und ihrem Team entwickelte Pyrimidon-Molekül. Inspiriert von der Struktur der DNA, verändert dieses Molekül seine Form in einen hochenergetischen Zustand, wenn es UV-Strahlung ausgesetzt wird, und behält diesen Zustand bei. Bei spezifischen Reizen kehrt es in seine ursprüngliche Form zurück und gibt die gespeicherte Energie als Wärme ab.

Das Forschungsteam berichtet, dass dieses Molekül eine hohe Energiedichte von 1,65 Megajoule pro Kilogramm aufweist. Dies ist ein sehr hoher Wert im MOST-Bereich und wird als über dem Niveau der Energiedichte pro Masse von herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien liegend beschrieben. In Experimenten wurde auch eine schnelle Wärmefreisetzung beobachtet, die ausreichte, um Wasser in einem kleinen Behälter zum Kochen zu bringen.

Interessant an diesem Ergebnis ist nicht nur die „hohe Energiedichte“. Wichtig ist die Möglichkeit, Sonnenenergie langfristig zu speichern und direkt Wärme zu gewinnen.

Wenn man über Energieprobleme nachdenkt, denken viele Menschen an Elektrizität. Begriffe wie Kraftwerke, Stromnetze, Batterien, Elektrofahrzeuge und Smart Grids kommen einem in den Sinn. Doch im weltweiten Energiebedarf nimmt „Wärme“ einen sehr großen Anteil ein. Die Gesellschaft benötigt enorme Mengen an Wärme für Wohnheizung, Warmwasserbereitung, Lebensmittelverarbeitung, chemische Industrie, Trocknungsprozesse und Erwärmung in der Fertigung. Und viele dieser Anforderungen werden immer noch durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe gedeckt.

Die Herausforderung der Dekarbonisierung besteht also nicht nur darin, „wie man Elektrizität erzeugt“. Auch „wie man Wärme erzeugt“ und „wie man Wärme speichert“ sind große Herausforderungen.

Wenn die MOST-Technologie kommerzialisiert wird, könnte man sich eine Nutzung vorstellen, bei der Moleküle tagsüber durch Sonnenlicht „aufgeladen“ werden und nachts oder bei bewölktem Wetter Wärme freisetzen. Flüssigkeiten könnten auf dem Dach dem Sonnenlicht ausgesetzt, in Tanks gespeichert und bei Bedarf zur Warmwasserbereitung oder Heizung verwendet werden. Oder sie könnten als transparente Beschichtung auf Fenstern in kalten Regionen verwendet werden, um Kondensation zu verhindern. Auch Anwendungen zur Temperaturregelung in Kleinsatelliten oder Flugzeugen sowie als Wärmequelle in Off-Grid-Umgebungen sind denkbar.

Es ist jedoch noch zu früh, diese Technologie als „Revolution, die sofort die Haushaltsheizung ersetzt“, zu betrachten. Auch im Originalartikel zeigen mehrere Forscher eine vorsichtige Sichtweise.

Eine der größten Herausforderungen ist die Wellenlänge des Lichts, die benötigt wird, um die Moleküle zu verändern. In dem aktuellen System ist hauptsächlich starkes UV-Licht um 300 Nanometer beteiligt. Obwohl Sonnenlicht, das die Erdoberfläche erreicht, auch UV-Strahlung enthält, ist die Menge begrenzt. Für die Kommerzialisierung ist es notwendig, die Reaktion auf natürlicheres Licht zu verbessern oder die Effizienz bei Wellenlängen nahe dem sichtbaren Licht zu erhöhen.

Eine weitere Herausforderung ist der Auslöser zur Freisetzung der gespeicherten Energie. In den Experimenten wurde Salzsäure verwendet. Salzsäure ist korrosiv und erfordert Handhabung und Neutralisierung. Für den breiten Einsatz in Haushalten, Gebäuden und Industrieanlagen sind sicherere und benutzerfreundlichere Katalysatoren oder thermische Reize oder Kombinationen mit festen Materialien erforderlich.

Darüber hinaus muss bei der Verwendung als Flüssigkeit die Flüssigkeit mit einer Pumpe bewegt werden. Wenn Kollektoren auf dem Dach, Rohrleitungen, Tanks, Wärmetauscher und Katalysatorreaktionsabschnitte erforderlich sind, steigen die Kosten und das Ausfallrisiko des gesamten Systems. Auch wenn die Leistung der einzelnen Moleküle hervorragend ist, werden bei der gesellschaftlichen Implementierung die Effizienz, der Preis, die Lebensdauer, die Sicherheit und die Wartungsfreundlichkeit des gesamten Geräts in Frage gestellt.

Außerdem, wenn Moleküle zu dick geschichtet werden, erreicht das Licht nicht die unteren Schichten. Wie dick die Flüssigkeitsschicht sein kann und wie viel Wärme auf welcher Fläche gespeichert werden kann, sind ebenfalls wichtige Fragen. Um die Heizung eines gesamten Hauses zu gewährleisten, könnten große Mengen an Material, eine große Empfangsfläche und ein stabiles Zirkulationssystem erforderlich sein.

Dennoch hat diese Forschung eine große Bedeutung. Denn MOST bietet eine alternative Route zur herkömmlichen Idee, „Sonnenlicht in Elektrizität umzuwandeln und dann in Batterien zu speichern“, indem es „Sonnenlicht als Wärme nutzt und direkt in der Form von Molekülen speichert“.

Auch auf sozialen Netzwerken gibt es gemischte Reaktionen auf diese Forschung, die sowohl Erwartungen als auch kritische Anmerkungen umfassen.

In der Wissenschafts- und Zukunftstechnologie-Community von Reddit gibt es Stimmen, die auf die Größe des Wärmebedarfs hinweisen. Die Dekarbonisierung von Heizung und Warmwasserbereitung wird oft übersehen, ist jedoch ein wichtiger Bereich zur Reduzierung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen. Andererseits gibt es auch realistische Anmerkungen wie „Es gibt bereits bestehende Wärmespeichertechnologien wie Sandbatterien“, „Bei Miniaturisierung entweicht Wärme leichter“ und „Es gibt auch Kühlbedarf, nicht nur Heizbedarf“. Die Reaktionen auf sozialen Netzwerken sind also nicht nur lobend, sondern auch auf die Frage fokussiert, „wo der optimale Einsatz ist“.

Auf LinkedIn fallen besonders die Reaktionen von Nutzern auf, die in der Forschung oder der Energiebranche tätig sind. Es gibt Beiträge, die die Fähigkeit der Moleküle, Sonnenlicht in Form chemischer Bindungen zu speichern und bei Bedarf als Wärme freizusetzen, als „vielversprechende ergänzende Technologie für die langfristige Wärmespeicherung“ bewerten. Gleichzeitig wird darauf hingewiesen, dass die Technologie derzeit hauptsächlich von UV-Strahlung abhängt, die Wirtschaftlichkeit des Upscalings unklar ist und es noch ungewiss ist, ob sie für langfristige Speicherung auf Netzebene geeignet ist.

Diese Einschätzung ist ziemlich angemessen. Als Forschungsergebnis ist es bahnbrechend, aber es ist kein Produkt, das sofort den Markt verändern wird. Vielmehr sollte es als Ausgangspunkt für zukünftiges Materialdesign und Systemtechnik betrachtet werden.

Besonders bemerkenswert ist, dass die Forscher auch Interesse an Richtungen wie „Verfestigung“ oder „Anwendung auf Fenster“ zeigen. Das Zirkulieren von Flüssigkeiten durch Rohrleitungen erleichtert zwar den Wärmetransport, birgt jedoch Probleme wie Leckagen, Pumpenausfälle, Korrosion und Wartung. Wenn die Moleküle in feste Materialien oder transparente Beschichtungen integriert werden könnten, wären einfachere Anwendungen möglich.

Zum Beispiel könnte Fensterglas tagsüber Sonnenlicht aufnehmen und die Moleküle in einen hochenergetischen Zustand versetzen, um nachts oder bei niedrigen Temperaturen langsam Wärme freizusetzen. Oder es könnte als dünne Schicht zur Vermeidung von Kondensation in kalten Regionen eingesetzt werden. Auch wenn es nicht ausreicht, um ein ganzes Gebäude zu heizen, könnte es für die lokale Wärmeverwaltung nützlich sein.

Auch in Bereichen wie Satelliten oder Flugzeugen, in denen Temperaturmanagement wichtig ist und das Gewicht von Brennstoff oder Batterien eine Einschränkung darstellt, sind Anwendungen denkbar. Wenn nur bestimmte Teile auf einer konstanten Temperatur gehalten werden sollen, sind Materialien, die auf molekularer Ebene gespeicherte Wärme bei Bedarf freisetzen können, attraktiv. Die Kommerzialisierung könnte eher bei kleinen, hochpreisigen Anwendungen beginnen als bei großflächigen Anwendungen wie der Beheizung von Wohnhäusern.

Interessant an dieser Forschung ist auch, dass sie ein Phänomen, das in der Natur wie ein Misserfolg aussieht, in einen technologischen Hinweis verwandelt. Sonnenbrand ist ein Schaden, den Menschen vermeiden möchten. Die Schädigung der DNA durch UV-Strahlung stellt ein Gesundheitsrisiko dar. Doch wenn man das Phänomen der Formveränderung der Moleküle genauer betrachtet, gibt es einen Mechanismus, der die Energie des Lichts als strukturelle Veränderung aufnimmt. Hier liegt die Idee, photochemische Reaktionen, mit denen sich das Leben über lange Zeit auseinandergesetzt hat, in Energietechnologie zu übertragen.

Es ist jedoch wichtig, nicht zu missverstehen, dass diese Technologie „Sonnenbrand nutzt“. Es geht nicht darum, menschliche Haut oder DNA zur Energiespeicherung zu verwenden. Vielmehr wurde die Idee, dass DNA ihre Struktur durch Licht verändert, als Inspiration genutzt, um künstliche Moleküle zu entwerfen.

In Zukunft gibt es drei große Schwerpunkte.

Erstens, welche Wellenlängen des Sonnenlichts in welchem Umfang genutzt werden können. Wenn nicht nur UV-Strahlung, sondern auch das reichlich vorhandene sichtbare Licht genutzt werden kann, würde die Praktikabilität erheblich steigen.

Zweitens, die Entwicklung eines sicheren Auslösers zur Wärmefreisetzung. Wenn die Wärme stabil durch niedrige Temperaturen, Licht, feste Katalysatoren oder elektrochemische Reize freigesetzt werden kann, anstatt schwer handhabbarer Chemikalien wie Salzsäure, würde sich das Anwendungsspektrum erweitern.

Drittens, die Gesamtkosten einschließlich Materialien und Geräte. Die Kosten für die Synthese der Moleküle, die Verschlechterung bei wiederholter Verwendung, der Wärmeverlust, die Lebensdauer der Geräte, die Wartungsfreundlichkeit und die Umweltbelastung werden mit bestehenden Wärmepumpen, Solarwarmwasserbereitern, Wärmespeichermaterialien, Sandbatterien und Batterien verglichen.

Wenn man die Geschichte der Energietechnologie betrachtet, bedeutet es nicht unbedingt, dass Technologien, die im Labor hervorragende Zahlen liefern, die Gesellschaft verändern. Vielmehr treten während der gesellschaftlichen Implementierung nach und nach unscheinbare Probleme auf. Rohrleitungen verstopfen, Materialien sind teuer, Katalysatoren verschlechtern sich, Sicherheitsstandards werden nicht erfüllt, die Wartung ist zu komplex – solche Hürden müssen überwunden werden, damit selbst die schönste chemische Reaktion zur Industrie wird.

Dennoch hat die aktuelle Forschung eine neue Option zur Frage „Wie speichert man Sonnenenergie?“ hinzugefügt. Solarmodule und Lithium-Ionen-Batterien sind nicht die einzige Zukunft. In manchen Fällen ist es effizienter, Wärme als Wärme zu speichern. In Gebäuden, Fabriken, mobilen Einheiten und Weltraumgeräten, wo Wärme statt Elektrizität benötigt wird, könnte die molekulare solarthermische Speicherung einen eigenen Wert haben.

Wenn Moleküle Sonnenlicht absorbieren, verändern sie ihre Form und speichern die Energie in dieser Form. Bei Bedarf werden die Moleküle in ihre ursprüngliche Form zurückversetzt und die Wärme wird freigesetzt. Es klingt einfach, aber die Umsetzung erfordert fortgeschrittene organische Chemie, Rechenchemie, Materialwissenschaft und Thermodynamik.

Vielleicht entsteht aus dem alltäglichen und etwas lästigen Phänomen des Sonnenbrands eine zukünftige Energiespeicherung. Die Forschung befindet sich noch in einem frühen Stadium, aber die Perspektive, die Sonne nicht nur als „etwas, das Energie erzeugt“, sondern als „etwas, das in Molekülen gespeichert wird“, zu betrachten, erweitert die Möglichkeiten erneuerbarer Energien.

Ob diese Technologie die Heizung in Haushalten übernimmt, zur Wärmequelle in Fabriken wird, als dünne Schicht auf Fenstern verwendet wird oder mit Nischenanwendungen wie der Temperaturregelung von Satelliten beginnt, ist noch unklar. Aber zumindest ist die Idee, das Sonnenlicht nicht nur als flüchtigen Segen zu betrachten, sondern es bis zum Bedarf in Molekülen einzuschließen, eine ausreichend anregende Überlegung für die Zukunft der Energiespeicherung.

Quellen-URL

BBC / AOL veröffentlicht „How sunburn inspired a new way to store energy“
Originalartikel. Bezugnahme auf Grace Hans Inspiration, Sonnenbrand und DNA-Photochemie, Überblick über die MOST-Technologie, Potenzial und Herausforderungen der Forschung, Kommentare externer Forscher.
https://www.aol.com/articles/sunburn-inspired-way-store-energy-230314720.html

UC Santa Barbara „UCSB scientists bottle the sun with liquid battery“
Veröffentlichung der Forschungseinrichtung. Pyrimidon-Molekül, MOST, Energiedichte über 1,6 MJ/kg, Demonstration des Wasserkochens, Bestätigung des Potenzials für Warmwasserbereitung und Off-Grid-Anwendungen.
https://news.ucsb.edu/2026/022384/ucsb-scientists-bottle-sun-liquid-battery

Science „Molecular solar thermal energy storage in Dewar pyrimidone beyond 1.6 MJ/kg“
Peer-Review-Artikel. Primärinformationen zur Forschung, einschließlich der Energiedichte von 1,65 MJ/kg des MOST-Systems mit Dewar-Pyrimidon.
https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec6413

PubMed „Molecular solar thermal energy storage in Dewar pyrimidone beyond 1.6 megajoules per kilogram“
Überprüfung von Artikelinformationen, Autoreninformationen und Veröffentlichungsinformationen.
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41678586/