Ingenieure erschaffen winzige „künstliche Sonnenblumen“, die sich dem Licht entgegen neigen

Wenn es darum geht, das Maximum an Energie aus den Tageslichtstunden herauszuholen, haben Pflanzen dank der Evolution einen Vorsprung.

Jetzt haben Ingenieure durch den geschickten Einsatz von Nanotechnologie Sonnenkollektoren entwickelt, die das Talent der Sonnenblume, der Sonne nachzujagen, nachahmen.

Durch das Formen temperaturempfindlicher Materialien zu dünnen, stützenden Strukturen haben Wissenschaftler winzige „Stiele“ entwickelt, die sich in Richtung einer hellen Lichtquelle biegen und so eine bewegliche Plattform bilden, die die Effizienz einer Reihe von Solartechnologien drastisch verbessern könnte.

Forscher der University of California Los Angeles und der Arizona State University bezeichnen ihr System als sonnenblumenähnlichen biomimetischen omnidirektionalen Tracker. Oder „SunBOT“, wenn Ihnen Ihre Akronyme gefallen.

In biologischer Hinsicht wird jede allgemeine Bewegung als Reaktion auf bestimmte Veränderungen in der Umwelt als nastisches Verhalten bezeichnet. Ein gutes Beispiel dafür sind Blumen, die sich im Morgengrauen öffnen und in der Abenddämmerung schließen.

Chemiker hatten kaum Schwierigkeiten bei der Herstellung synthetische nastische Materialien und Strukturen, die sich als Reaktion auf Änderungen der Lichtintensität oder schwankende Temperaturen öffnen und schließen oder biegen und verdrehen.

Aber die Natur hat ein anderes, etwas komplizierteres Verhalten, das die Bewegungen von Organismen auf gute Dinge und weg von Bedrohungen lenkt.

Diese tropischen Verhaltensweisen sehen wir, wenn Sonnenblumen ihre Blüten der Sonne zuwenden. Erwärmung ihrer Fortpflanzungsorgane um Bestäuber anzulocken.

Sonnennachjagende Aktionen oder Heliotropismus wären für Dinge wie Photovoltaik sehr nützlich, die am effizientesten sind, wenn sie in ein dichtes Strahlungslicht getaucht werden, das direkt auf ihre Oberfläche trifft, und nicht aus einem flacheren Winkel.

In der Praxis trägt Licht, das in einem Winkel von etwa 75 Grad einfällt, im Vergleich zu Strahlen einer Deckenbeleuchtungsquelle bis zu 75 Prozent weniger Energie.

Um dieses Problem des Verlusts der Energiedichte bei schrägem Einfall zu lösen, suchte das Forschungsteam nach Gelen und Polymeren, die vorhersehbar auf Licht oder Wärme reagieren.

Eine Handvoll verschiedener Materialien wurden als Kandidaten ausgewählt, die eine genauere Untersuchung wert sind, darunter ein Hydrogel mit Goldnanopartikeln, ein Gewirr lichtempfindlicher Polymere und eine Art von flüssigkristallines Elastomer eingebettet mit einem lichtabsorbierenden Farbstoff.

Jede Anordnung wurde zu einem millimeterbreiten Faden von mehreren Zentimetern Länge geformt. Beim Anvisieren mit einem Laser reagierten die winzigen künstlichen Stiele schnell auf die Wärme des Lichts, schrumpften auf der einen Seite und dehnten sich auf der anderen aus, wodurch der Faden knickte und sich in Richtung des Lasers neigte.

Um ihre synthetischen Sonnenblumen auf die Probe zu stellen, stellten die Forscher eine Reihe von SunBOTs zusammen, tauchten sie in Wasser und ließen sie direkt an der Wasser-Luft-Grenze stehen.

Um die Erntefähigkeiten ihrer Erfindung zu ermitteln, bestimmte das Team anschließend, wie viel Licht in Wärme umgewandelt wurde, indem es den Wasserdampf maß, den ihr Aufbau erzeugte.

Veränderungen in der Dampfmenge deuteten darauf hin, dass die SunBOTs bei steilen Winkeln bis zu viermal besser Energie gewinnen konnten als auf einer langweiligen alten flachen, statischen Oberfläche.

Durch den Nachweis, dass eine Vielzahl von Materialien als synthetisches tropisches Material dienen könnten, argumentieren die Forscher, dass ihre Geräte möglicherweise eine Lösung für nahezu jedes System sein könnten, bei dem aufgrund einer sich bewegenden Energiequelle ein Effizienzverlust auftritt.

Beispielsweise könnten die Rasenflächen dieser Miniatur-Sonnenanbeter theoretisch dazu genutzt werden, nahezu jeden Sonnenprozess in Richtung des Lichts zu lenken, von winzigen Solarzellen bis hin zu Verdunstungsgeräten, die Wasser reinigen können.

Den Designern der SunBOTs zufolge scheint der Himmel (wenn nicht sogar darüber hinaus!) die Grenze für diese Art von Technologie zu sein.

„Diese Arbeit kann für verbesserte Solar-Harvester, adaptive Signalempfänger, intelligente Fenster, autonome Robotik, Sonnensegel für Raumschiffe, geführte Chirurgie, selbstregulierende optische Geräte und intelligente Energieerzeugung (z. B. Solarzellen und Biokraftstoffe) nützlich sein.“ sowie die Erkennung und Verfolgung energetischer Emissionen mit Teleskopen, Radargeräten und Hydrophonen. schreiben sie in ihrem Bericht .

Auch wenn nur eine Handvoll dieser Vorhersagen in die Praxis umgesetzt werden, sieht die Zukunft synthetischer tropischer Materialien sicherlich rosiger aus.

Diese Forschung wurde veröffentlicht in Natur-Nanotechnologie .