Eine Frage der Haltung

Wissenschaftler prüfen, wie Schmetterlinge ihre Flügel in die Sonne halten, um am effizientesten Energie für den Flug zu gewinnen. Mithilfe dieser Erkenntnisse könnte auch der Wirkungsgrad von Solarzellen verbessert werden.

Wenn sich die Raupen des Kleinen und Großen Kohlweißlings durch ihre Leibspeise Kohl fressen, ist das für Gärtner oftmals ärgerlich. Doch als ausgewachsene Variante liefern die beigen bis hellgelben Schmetterlinge der Wissenschaft wichtige Hinweise für die Weiterentwicklung von Solartechnologie. Fokussiert haben sich Forscher der University of Exeter in Großbritannien auf die spezielle Flügelhaltung der Tiere vor dem Flug und die Effizienz einer einfachen Schicht an Flügelzellen. Die Forscher sind überzeugt, dass sich die Reflexionseigenschaften der Schmetterlingsflügel auch auf die Energiegewinnung durch Konzentrator-Photovoltaik übertragen lassen.

Wie die Autoren Tapas Mallick, Richard Ffrench-Constant und weitere Kollegen schreiben, sind gerade die Kohlweißlinge sowie der Grünaderweißling gute Beispiele für ihre Untersuchung. Sie gelten unter den Schmetterlingen als echte Frühstarter, weil sie vor allen anderen Faltern an bewölkten Tagen losfliegen können. Das verdeutlicht, dass sie besonders schnell und effizient auch mit dem diffusen Licht der Sonne ihren Rumpf erwärmen und somit ihre Flugmuskulatur mit Energie zu versorgen können. Diese Fähigkeit wird mit der v-förmigen Haltung ihrer Flügel in Verbindung gebracht. Wie bei einem Trichter werden die Lichtstrahlen zwischen den Flügeln gewissermaßen über Bande reflektiert – bis hin zum Rumpf, wo sie das Tier erwärmen.

Beflügelte Solarzelle

Ein Test mit Flügeln an einer 1 mal 1 Zentimeter großen Solarzelle bestätigte zunächst deren Reflexionseigenschaft. Diese Konstellation habe den Wissenschaftlern zufolge den Energieertrag der Solarzelle um 42 Prozent gesteigert. Aufgrund der leichten Schmetterlingsflügel hatte sich außerdem das Verhältnis von Energieertrag zum Gewicht einer Konstruktion mit Solarkonzentrator um das 17-fache verbessern lassen.

Um in einem weiteren Schritt den exakten Winkel der Flügelstellung zu bestimmen, an dem die Sonnenkraft-Gewinnung am effizientesten ist, verglichen die Forscher die Körpertemperaturen der Falter bei verschiedenen Flügelstellungen. Die Bilder einer Infrarot-Kamera zeigten nach einer Belichtungsdauer von 10 beziehungsweise 35 Sekunden eine erhöhte Körpertemperatur um 7,3 Grad Celsius, als die Flügel – ausgehend von der Körpermitte – einen Winkel von 17 Grad bildeten.

"Das zeigt, dass der Kohlweißling nicht einfach ein Schädling für das Kohlgemüse ist, sondern vielmehr ein echter Experte bei der Gewinnung von Solarenergie," sagt Richard Ffrench-Constant, der sich an der University of Exeter mit der Biomimetik von Schmetterlingen beschäftigt. Die Erkenntnisse über die Flügelhaltung der Tiere halten Ffrench-Constant und seine Kollegen für nützlich, wenn es um das Design von sogenannten V-Trog-Konzentrator-Systemen geht. Diese Systeme reflektieren das Sonnenlicht zwischen zwei verspiegelten Bänken auf die Solarzellen.

Einfache Zellschicht für Konzentratoren

Um Inspirationen für die Solartechnik zu sammeln, hatten bereits andere Forscher in das Reich der Schmetterlinge geschaut. So hatte 2009 beispielsweise ein Forscherteam aus China und den USA, die Mikrostruktur der Flügel nachgebaut und somit die Effizienz von Solarzellen verbessert. Allerdings ist die Nachbildung der komplexen schuppenartigen Flügeloberfläche schwierig. Weshalb die Forscher aus Exeter außerdem prüften, ob auch eine einfache Variante der Flügel einen ausreichenden Reflexionsgrad hat. Ihre Ergebnisse geben auch hier eine günstige Prognose: "Eine Einzel-Schicht der Schuppenzellen, entnommen mithilfe eines Klebestreifens, behielt einen ähnlich hohen Reflexionsgrad von knapp 80 Prozent der originalen Reflexion bei", heißt es in dem Paper. Das würde auch den Herstellungsaufwand verbessern, wenn es darum geht, eine Reflexionsbeschichtung für Konzentrator-Systeme zu machen, die das Licht effizient auf eine Solarzelle konzentrieren. Eine effektivere Beschichtung und der beste Aufstellungswinkel lösen jedoch noch nicht das Problem der aufwändigen Nachführung der Konzentrator-Module.

(jle)