Was ist eine Nanoantenne?
Eine Nanoantenne oder Nantenna ist eine Idee für eine Art Solarzelle, die statt sichtbares Licht zur Erzeugung von Elektrizität Infrarotstrahlung nutzt, die oft als Wärme betrachtet wird und außerhalb des sichtbaren Bereichs für den Menschen liegt. Infrarotlicht wird von der Erde selbst und einer Vielzahl von industriellen Prozessen als Abwärme abgegeben, beispielsweise von Kohlekraftwerken. Eine Version der Nanoantenne hat die Form eines mikroskopisch kleinen Goldquadrats oder einer Spirale aus Metalldraht, die etwa 1/25 des Durchmessers eines menschlichen Haares beträgt und in eine flexible Polyethylen-Kunststofffolie eingebettet ist. Metalle wie Mangan und Kupfer wurden ebenfalls für die Nanoantenne untersucht, und in der Forschung ab 2008 wurde nachgewiesen, dass die Geräte bei der Umwandlung der von ihnen eingefangenen Infrarotlichtfrequenzen in elektrische Energie einen Wirkungsgrad von bis zu 92% aufweisen.
Die Sonnenstrahlung erstreckt sich über ein breites Spektrum außerhalb des sichtbaren Lichtbereichs. Es wird geschätzt, dass 44% des von der Sonne emittierten Lichts sichtbar sind, wobei 7% im ultravioletten Bereich und 49% im infraroten Bereich liegen. Wenn sichtbares Licht auf die Erdoberfläche oder die Erdatmosphäre trifft, verliert es einen Großteil seiner Energie und wird später größtenteils als längerwellige Infrarotstrahlung in den Weltraum zurückgesendet. Das Einfangen dieser Energie mithilfe eines Nanoantennen-Arrays könnte zwei wichtige Aufgaben erfüllen. Die Energie könnte zur Stromversorgung zahlreicher elektronischer Geräte verwendet werden, und sie könnte auch von Geräten wie Computerservern und anderen Maschinen abgeführt werden, um die Kühlung und den effizienten Betrieb zu gewährleisten.
Eine der Einschränkungen bei aktuellen Nanoantennen-Designs, die die Produktion eines Nanoantennen-Array-Systems für einige Zeit einschränken können, ist die Art des Infrarotlichts, das bei hohen Frequenzen schwingt. Dies macht es erforderlich, Gleichrichter in das System einzubauen, die Wechselstrom-Infrarotsignale in Gleichstrom umwandeln. Ein vergleichbarer Gleichrichter für die Arbeit mit einer Nanoantenne müsste von den aktuellen Modellen, die ab 2011 auf dem Markt sind, um den Faktor 1.000 verkleinert werden, um effektiv zu funktionieren, und diese Technologie wurde noch nicht entwickelt. Ein alternativer Ansatz wäre, eine Gleichrichterantenne selbst zu schaffen, die eine Kombination aus einer Nanoantenne und einem Nano-Gleichrichter ist und die auf natürliche Weise Infrarotfrequenzen reguliert.
Die Vorteile der Herstellung nanoskopisch großer Solarzellenkomponenten gegenüber herkömmlichen Siliziumwafersolarzellen könnten sie zu einem revolutionären Sprung nach vorne machen. Ihre Effizienz bei der Umwandlung von Licht ist viel höher als bei Standard-Photovoltaik-Solarzellen, die ab 2011 nur noch etwa 15% bei Einzelhandelsversionen ausmachen. Eine Nanoantennensolarzelle könnte so konfiguriert sein, dass sie bestimmte Wellenlängen von Infrarotlicht erfasst und auf beiden Seiten von platziert werden kann ein Panel zur gleichzeitigen Erfassung von zwei verschiedenen Wellenlängen von jeder Seite.
Möglicherweise ist einer der wichtigsten Fortschritte gegenüber der herkömmlichen Solarzellentechnologie jedoch, dass die Funktionskomponenten einer Nantenne so klein sind, dass Arrays der Geräte in flexible Kunststofffolien eingebettet werden können. Diese Folie könnte dann über eine Vielzahl von unregelmäßigen Oberflächen oder elektronischen Geräten gespannt werden. In einer Forschungseinrichtung am Idaho National Laboratory (INL) in den USA wurden bereits Nanoantennenblätter mit Quadraten von etwa 7,6 x 7,6 cm (3 Zoll x 3 Zoll) Breite hergestellt, die jeweils etwa 260.000.000 Nantenna und Rollen von viel enthalten größere Blätter sind möglich.