Von nanoskaligen Eigenschaften zu großskaligen Funktionen

Den globalen Energiebedarf auf nachhaltige Weise zu erfüllen, ist eine der größten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. CSP könnte bis zu 7% des globalen Energiebedarfs bis zum Jahr 2030 und bis zu einem Viertel bis zum Jahr 2050 decken. Allerdings arbeiten aktuelle Parabolrinnen-Solarkollektoren für CSP-Systeme bei etwa 400 Grad Celsius, während neue Konstruktionen für mehr Effizienz knapp 600 Grad Celsius über 20 bis 25 Betriebsjahre hinweg erfordern.

Das EU-finanzierte Projekt NECSO (Nanoscale enhanced characterisation of solar selective coatings) entwickelt die notwendigen Tools, um sicherzustellen, dass die selektiven Absorberschichten den Anforderungen entsprechen. Solarselektive Beschichtungen bestehen aus vier Schichten von Materialien (Antireflektion, Absorber, Infrarotstrahler und Anti-Diffusion), die mit großen Maschinen auf mehrere Quadratmeter Substrat aufgebracht werden. Allerdings ist die Leistung dieser großflächigen Filme in kritischer Weise von nanoskaligen Eigenschaften wie Rauhigkeit, Härte, Kristallstruktur, Zusammensetzung und Schwingungsspektren abhängig.

Die Forscher entwickeln Werkzeuge, um nanoskalige Eigenschaften zu bewerten und sie mit optischer Leistung und Lebenserwartung zu korrelieren. Unterstützt wird die Arbeit durch die Entwicklung von Charakterisierungs- und Degradationsprotokollen. Diese sind nicht nur für die Vorhersage der Lebenserwartung gedacht, sondern auch für die Unterstützung von Tests, um die Temperatur- und allgemeinen Umweltbetriebsbedingungen für einen höheren Wirkungsgrad ohne Abbau zu erweitern.

Innerhalb des ersten Berichtszeitraums wurden die geschichteten Solarabsorberschichten entwickelt und mit einem Sputtersystem für physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) auf kleinen flachen und zylindrischen Proben abgeschieden. Das PVD-System kann die für die endgültige Demonstration der Technologie angepeilten 4 Meter lange Rohre beschichten. Parallel dazu entwickelten und produzierten die Wissenschaftler ein Wärmealterungssystem für Alterungstests an zylindrischen Proben mit sehr gut kontrollierten Temperaturen und Gaszusammensetzungen. Letztere werden die Effekte von Wasser- und Sauerstoffexposition bewerten.

Die Beschichtungen werden zurzeit strengen Tests unterzogen. Die Solarselektivitätswerte wurden berechnet und thermische Alterung bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt, um die thermische Zersetzung und die optische Leistung zu korrelieren. Das Team verwendete außerdem einige spektroskopische Techniken, um die mit dem Abbau zusammenhängenden Spektralbänder, die als Indikatoren der Verschlechterung verwendet werden könnten, zu identifizieren. Schließlich wurden die Proben auch tribologischen und mechanischen Tests unterzogen, um Eigenschaften wie Haftung, Abnutzung und Kratzbeständigkeit zu bewerten.

Die Technologie von NECSO soll die Entwicklung von verbesserten Solarabsorberschichten unterstützen, um die Effizienz und die Haltbarkeit der Konstruktionen der nächsten Generation zu erhöhen. Die weit verbreitete Aufnahme hätte erhebliche Auswirkungen auf die globalen Emissionen und den Klimawandel und könnten Arbeitsplätze schaffen und die EU-Wirtschaft stärken.