Vollkeramische plasmonische offenzellige Schäume für eine effiziente solare photothermische Energieumwandlung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Tobias Fieback; Privatdozent Dr. Michael Maas
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 572099201

Um die Leistung solarthermischer Systeme zu verbessern, werden selektiv absorbierende Oberflächenbeschichtungen eingesetzt, die eine hohe Absorption von Sonnenstrahlung ermöglichen, aber eine geringe Emission im lang-welligeren IR-Bereich aufweisen. Die etablierten 2D-Beschichtungsmethoden können jedoch nicht auf poröse 3D-Materialien übertragen werden, welche aufgrund ihrer hohen spezifischen Oberfläche Vorteile für solarthermische Systeme bieten würden. Die Forschung an plasmonischen Nanopartikeln hat neue Perspektiven für die photothermische Energieumwandlung eröffnet, was die vielversprechende, wenn auch herausfordernde Kombination von offenzelligen keramischen Schäumen mit plasmonischen, solarselektiven Absorbermaterialien ermöglicht. Neben dem ausgezeichneten Wärmeübertragungs- und Strömungsverhalten bieten diese Materialien eine hohe mechanische und thermische Stabilität, eine hohe Langlebigkeit und gute Wiederverwendbarkeit. Dies ermöglicht eine hocheffiziente und nachhaltige Nutzung in verschiedenen solarthermischen Anwendungen, darunter einfache Warmwasserbereitung, aber auch industrielle Anwendungen, solarthermische Kraftwerke oder spezielle Anwendungen wie Thermophotovoltaik und photothermische Katalyse. In dem beantragten Projekt wollen wir daher solche vollanorganische plasmonische offenzellige Schäume für die photothermische Umwandlung von Solarenergie auf der Basis plasmonischen Heizens entwickeln und untersuchen. Die neuartigen Werkstoffe bestehen aus einer inerten Strukturmatrix (Al2O3, AlN) und anorganischen plasmonischen Nanopartikeln der Übergangsmetallnitride TiN, ZrN oder HfN. Während die Schäume mit herkömmlichen kolloidalen Verfahren hergestellt werden, werden die Übergangsmetallnitride durch magnesiothermische Reduktion in Salzschmelzen aus oxidischen Vorläufern synthetisiert, die in die gesinterten Keramiken eingearbeitet sind. Das Materialdesign, die Verarbeitung sowie die chemische und strukturelle Charakterisierung einschließlich Röntgentomographie werden an der Universität Bremen durchgeführt. Die Untersuchungen zur Funktionsweise der neuen Materialien finden an der TU Bergakademie Freiberg statt. Dies beinhaltet zunächst eine umfassende Analyse des Strahlungsverhaltens und der Wärmeerzeugung in den Schäumen. Zum Beispiel dienen spektroskopische Transmissions- und Reflexionsmessungen im UV-Vis-IR zur Aufstellung einer Korrelationsgleichung für die Vorhersage des Absorptionsgrads. Die Wärmeabfuhr von den Nanopartikeln durch Leitung und Konvektion wird numerisch und mit Hilfe eines selbst-entworfenen Strömungsversuchsstandes untersucht, was eine vollständige Parametrisierung der photothermischen Erwärmung in den plasmonischen Schäumen ermöglicht. Auf dieser Grundlage wird ein empirisches Modell entwickelt, mit dem die Effizienz der neuen Materialien im Hinblick auf eine hohe Absorption, eine geeignete Wärmeverteilung, einen hohen konvektiven Wärmeübergang und geringe Strahlungswärmeverluste maximiert werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen