Energie
Energie ist oft das erste, was beim Thema Nachhaltigkeit zu berücksichtigen ist. Der steigende weltweite Energiebedarf stellt eine große Herausforderung dar, nicht nur im Hinblick auf die Erzeugung, sondern auch auf die Einsparung, Verteilung und das Speichern der benötigten Energie.
Von der Stromerzeugung bis hin zu Elektrofahrzeugen und mobilen Geräten erfordert der Übergang des europäischen Energiesektors von der Nutzung fossiler Brennstoffe zu nachhaltiger Energie mehrere technologische Innovationen.
Dazu gehören Batterien, die in der Lage sind, immer größere Strommengen zu speichern, wobei gleichzeitig ihr Gewicht und ihre Kosten zu senken sind, sowie die Erzeugung und Übertragung großer Mengen an grünem Strom, für die allein schon effizientere Solarpaneele und Windkraftanlagen erforderlich sind. Hier untersuchen wir die wichtige Rolle von Nanomaterialien bei der Bewältigung dieser Herausforderungen.
Wie werden Nanomaterialien und Nanotechnologie eingesetzt?
Nanomaterialien werden verwendet, um bestehende Arten erneuerbarer Energien weiterzuentwickeln und neue Energiequellen zu finden. Derzeit werden Untersuchungen zur Leistungsfähigkeit von Batterien durchgeführt, bei denen Nanomaterialien ihre Lebensdauer verlängern könnten, selbst wenn sie länger gelagert werden.
Die Nanotechnologie kann auch den Energieverbrauch von Produkten wie Glühlampen senken, bei denen nanotechnische Polymere zur Effizienzsteigerung führen können.
Zu den wichtigsten Materialien, die derzeit im Energiebereich erforscht werden, gehören graphenbasierte Materialien, die zwar stärker als Stahl und Diamanten, aber äußerst leicht und flexibel sind; unschädliche Silizium-Nanopartikel, die Licht emittieren und Energie übertragen können; und Nanozellulose, eine organische Verbindung, die elektrisch leitfähig, leicht und steif ist.
Neue Energiequelle aus Nanomaterialien: Thermozellen
Thermozellen sind neue Energiequellen aus Kohlenstoff-Nanoröhrenelektroden, die Niedertemperatur-Wärmeenergie erzeugen. Aufgrund der Eigenschaften der Kohlenstoff-Nanoröhren können Thermozellen kontinuierlich Strom erzeugen.
In Zukunft könnten sie zur Erzeugung elektrischer Energie aus der Wärme genutzt werden, die von Chemiewerken, Autos und Solarzellenkraftwerken abgegeben wird, um Energie zu sparen und nachhaltiger zu nutzen.
Entwicklung von Wind- und Solarenergie
Die rasche Einführung von Wind- und Solarenergie gibt Hoffnung, dass die EU und die Welt schneller auf fossile Brennstoffe verzichten können. Die Kosten beider Technologien sind in den letzten Jahrzehnten zurückgegangen, während ihre Effizienz gestiegen ist. Nanomaterialien haben dabei eine wichtige Rolle gespielt und dürften in den kommenden Jahren die Kosten weiter senken und die Effizienz steigern.
Solarenergie
Den Markt dominieren derzeit dominieren Solarzellen, auch bekannt als Photovoltaikzellen, die auf kristallinem Silizium basieren. Sie können zwar sehr effizient sein, weisen aber auch einige Einschränkungen auf. Nanotechnologie öffnet die Tür für andere Technologien wie Dünnschichtsolarzellen, bei denen nanokristallines Silizium verwendet wird, leichte farbstoffsensibilisierte Solarzellen unter Verwendung von Titandioxid-Nanopartikeln oder auf Quantenpunkten basierende Solarzellen.
Nanopartikel können die Herstellungs- und Installationskosten von Solarpaneelen senken, wodurch es für die Wirtschaft und die Öffentlichkeit billiger wird, sie zu nutzen.
Im Hinblick auf die Speicherung von Energie, was einer der größten Herausforderungen bei der Solarenergie ist, werden halbleitende Nanodrähte getestet, weil deren einzigartige physikalische Lichtabsorption es ihnen ermöglicht, im Vergleich zu anderen Materialien mehr Energie zu speichern.
Windenergie
Nanomaterialien können auch zur Verbesserung der Effizienz von Windenergie verwendet werden. So werden beispielsweise Rotorblätter von Windenergieanlagen durch die Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhren leichter und stärker. Das geringe Gewicht der Rotorblätter wiederum ermöglicht es, größere Rotorblätter herzustellen und dadurch mehr Energie zu erzeugen.