Solar-Dampf direkt vom Nanopartikel

Houston (USA) - Heißer Dampf hilft Strom erzeugen und Maschinen antreiben, Wasser entsalzen und auch Bakterien abtöten - seit Urzeiten wird er erzeugt, indem Feuer das Wasser bis über den Siedepunkt erhitzt. Jetzt präsentieren texanische Forscher eine neue Methode, die mit Sonnenenergie binnen weniger Sekunden sogar aus Eiswasser direkt heißen Dampf zaubert. Das gelingt dank winziger Nanopartikel im Wasser, welche ein breites Lichtspektrum absorbieren und sich dadurch schnell und stark erhitzen. Direkt an ihrer Oberfläche entsteht der Dampf, ohne dass die gesamte Wassermenge kochen muss, berichten die Wissenschaftler im Fachblatt "ACS Nano". Mit ihrer Methode lässt sich die Sonnenkraft über eine kleine Dampfturbine direkt in Strom wandeln. Doch zunächst soll der sogenannte „Solar-Dampf“ in kleinen Anlagen zur Desinfektion und Wasseraufbereitung in Entwicklungsländern dienen, besonders auch in Krankenstationen in stromlosen Regionen.

„Unsere Teilchen sind sehr klein – sogar kleiner als die Wellenlänge von Licht – so dass sie eine extrem kleine Oberfläche haben, um Hitze zu verbreiten“, sagt Naomi Halas, Leiterin des Laboratory for Nanophotonics (LANP) an der Rice University. Halas und Kollegen testen zwei Arten von Nanopartikeln: Siliziumdioxid-Kügelchen mit einer hauchdünnen Hülle aus Gold und zum Vergleich feine Rußteilchen, wie sie auch in Autoreifen-Gummi gemischt werden. Beide absorbieren Licht in einem sehr breiten Wellenlängenspektrum, zwischen 400 und 1.300 Nanometern. Im Experiment wurden die Teilchen jeweils mit Wasser gemischt in einem Reagenzglas in ein Eisbad getaucht, während leicht gebündeltes Sonnenlicht darauf strahlte. Die goldumhüllten Partikel erzeugten nach weniger als 5 Sekunden den ersten Dampf, während die Kohlenstoffteilchen erst nach rund 20 Sekunden zu liefern begannen. Danach produzierten beide in vergleichbaren Mengen – die Metallpartikel allerdings geräuschvoller, in kleinen hörbaren Explosionen. Mit der Zeit erhitzte sich auch das gesamte Wasser im Reagenzglas.

Jedes Nanopartikel absorbiert die Lichtenergie und kann bei ausreichender Beleuchtung schnell Temperaturen von über 100 Grad Celsius erreichen. An seiner Oberfläche erzeugt die Hitze feinste Dampfbläschen, die sich zu einer wachsenden Hülle vereinen, welche das Teilchen schließlich an die Wasseroberfläche tragen. Dort entweicht der Dampf in die Luft und das Nanopartikel fällt zurück in die Flüssigkeit, wo der Vorgang sich wiederholt. Auf dem Weg nach oben geben die Teilchen auch einen Teil der Wärme an die restliche Flüssigkeit ab, so dass sich diese mit der Zeit auch selbst bis zum Siedepunkt erwärmen kann. Rund 20 Prozent der Sonnenenergie gehen dabei in die umgebende Flüssigkeit, 80 Prozent strömt in die Dampfproduktion. Insgesamt, so die Forscher, wandelt ihr Verfahren die Sonnenergie mit einer Effizienz von 24 Prozent zu Dampf um – moderne Photovoltaik-Panele wandeln mit einer Gesamteffizienz von rund 15 Prozent Sonnenlicht zu Strom um.

„Solar-Dampf benötigt keine riesigen Flächen an Spiegeln oder Solarpanelen“, erklärt Ko-Autorin Oara Neumann. „Tatsächlich kann die Grundfläche sehr klein sein. Das Licht-Fenster in unserem Versuchsaufbau war nur ein paar Quadratzentimeter groß.“ Entsprechend eignet sich die Methode auch für den mobilen Einsatz: Ein Studententeam der Universität entwickelte bereit eine kompakte Solar-Dampf-Anlage mit einem Licht bündelnden Parabolspiegel, welche etwa medizinische Instrumente desinfizieren soll. Auch infektiöse klinische Abfälle könnten damit unschädlich gemacht werden, ebenso wie Bakterien in menschlichen und tierischen Fäkalien. Die Dampfmethode kann ebenso Meerwasser entsalzen und belastetes Süßwasser genießbar machen.