Weg mit dem Staub

Ein für die NASA entwickeltes Konzept zur Reinigung von Solarzellen könnte die Photovoltaik auf einfache Weise von einem lästigen Problem befreien.

Eigentlich ist die Wüste der beste Ort, um eine Solaranlage aufzustellen. Dort gibt es reichlich Sonne – aber leider auch viel Staub und Sand, so dass Solarmodule regelmäßig geputzt werden müssten, sollen sie nicht blind werden. Eine neue Technologie könnte das einfacher machen: mit einer selbstreinigenden Oberfläche. Ursprünglich wurde sie für die NASA entwickelt, damit die Solarzellen künftiger Marsroboter konstant Strom erzeugen können.

Dabei handelt es sich nicht um die üblichen selbstreinigenden Beschichtungen, wie sie inzwischen als Produkt der chemischen Nanotechnologie angeboten werden. Die Oberfläche arbeitet vielmehr mit elektrostatischen Ladungen, die Staubteilchen abstoßen und zum Rand des Moduls transportieren. Innerhalb von zwei Minuten könnten so 90 Prozent einer Staubschicht entfernt werden, sagt Malay Mazumder, der an der University of Boston die Entwicklung geleitet und nun auf dem Jahrestreffen der American Chemical Society vorgestellt hat.

Staubbedeckungen von Solarzellen haben sich für die Mars-Roboter der NASA als ernstes Problem erwiesen: Die Rover Spirit und Opportunity hielten nur deshalb so lange durch, weil gelegentliche Böen die Zellen wieder freilegten. „Darauf können wir uns aber nicht immer verlassen“, sagt Rao Surampudi vom Jet Propulsion Laboratory der NASA. Beim Mars Pathfinder 1997 beispielsweise waren die Bedingungen nicht so günstig.

Auch auf der Erde ist Staub ein Problem für die Photovoltaik. In den Vereinigten Arabischen Emiraten haben Sandstürme die Stromerzeugung einer 10-Megawatt-Anlage um bis zu 40 Prozent verringert. Natürlich kann man die Module abwaschen – doch das kostet Zeit und wertvolles Wasser. Eine automatische Säuberung wiederum ist teuer. „Mit unserer Technologie werden Solarmodule ohne Wasser und menschliche Arbeitskraft wieder sauber“, sagt Mazumder.

Der neue Ansatz nutzt die Tatsache aus, dass viele Staubpartikel, vor allem in trockenen Umgebungen, elektrostatisch aufgeladen sind. Bringt man auf dem Modul eine zusätzliche transparente Elektrodenschicht aus Indiumzinnoxid auf, durch die Wechselstrom fließt, entsteht ein elektrisches Feld, das positiv und negativ geladene Partikel gleichermaßen abstößt.

Das Feld induziert auch Ladungen in zuvor ungeladen Teilchen, so dass auch diese abgestoßen werden. Es wird aber nicht gleichmäßig über der gesamten Oberfläche aufgebaut, sondern wandert langsam von einer Seite zur anderen. Dabei treibt es die Staubteilchen vor sich her, bis sie am Ende herunterfallen.

Das System verbrauche selbst wenig Energie und müsse nur zwei bis fünf Minuten am Tag eingeschaltet werden, versichert Mazumder. Es könnte noch um einen Sensor erweitert werden, der ermittelt, wann eine Reinigung nötig ist. Einzige Einschränkung: Bei nassem oder schlammigem Staub funktioniert das Verfahren nicht. Deshalb sollte man es vor einem Regenguss aktivieren, so Mazumder.

Sein Konzept ist eines von zweien, dessen Entwicklung die NASA finanziert hat. Das andere funktioniert mechanisch: Die Staubpartikel werden durch Vibrationen vom Modul abgeschüttelt. Welches von beiden Systemen es in den Weltraum schaffe, sei noch nicht ausgemacht, sagt Rao Surampudi, der die Forschungsprojekte seitens der NASA beaufsichtigt hat.

Vibrationen seien die einfachere Lösung, für sie müsste man die Solarmodule nur geringfügig anpassen, so Surampudi. Feinkörnige Teilchen könne man damit aber nicht so gut wie mit dem elektrischen Verfahren beseitigen. Für Anwendungen im irdischen Alltag würden beide Methoden noch mit Druckluftreinigung und nichthaftenden Oberflächen konkurrieren. Je nach Staubmenge und Wasserverfügbarkeit dürfte das schlichte Abwaschen mit Wasser jedoch genügen.

Mazumder geht aber davon aus, dass die elektrische Variante leicht zu produzieren ist, weil Solarzellhersteller bereits die Anlagen haben, um transparente Elektrodenschichten auf Zellen aufzutragen. Nun müsse man sehen, ob die Zusatzkosten unter einem Prozent der gesamten Herstellungskosten liegen könnten.
(nbo)