Funktionieren Solarmodule bei Proxima Centauri?

Die Solarpanel-Technologie hat sich in den letzten Jahren erheblich weiterentwickelt, so dass Solarenergie die am schnellsten wachsende erneuerbare Energiequelle ist. Die Sonnenkollektoren, die wir heute haben, sind ein Nebenprodukt derjenigen, die im Weltraum verwendet werden.

Wenn Sie einen Satelliten oder ein bemanntes Raumschiff mit Strom versorgen möchten, gibt es nur zwei Möglichkeiten: Solarenergie oder Atomkraft. Von beiden ist nur die Solarenergie nicht durch die Menge an Treibstoff begrenzt, die Sie an Bord mitbringen. Wenn wir darüber nachdenken, zu anderen Sternensystemen zu reisen, stellt sich die Frage: Funktionieren Sonnenkollektoren in der Nähe anderer Sterne?

Solarmodule erzeugen durch den sogenannten photoelektrischen Effekt eine elektrische Spannung. Der Effekt wurde erstmals im 19. Jahrhundert entdeckt, als Wissenschaftler feststellten, dass geladene metallische Planeten Elektronen abgeben konnten, wenn sie ultraviolettem Licht ausgesetzt wurden. Dies führte zu der Entdeckung, dass Licht aus Quantenteilchen, sogenannten Photonen, besteht. Bald darauf gab es einige Beispiele für die Nutzung des Effekts zur Stromerzeugung, die ersten echten Solarzellen kamen jedoch erst Mitte des 20. Jahrhunderts auf den Markt.

Seitdem konzentriert sich die Forschung darauf, Solarzellen leichter, billiger und effizienter zu machen. Moderne Solarmodule können nicht nur ultraviolettes Licht, sondern auch sichtbares und in einigen Fällen Infrarotlicht nutzen. Alle diese Designs sind jedoch darauf ausgelegt, die Sonne zu nutzen, die den größten Teil ihres Lichts im grünen Bereich abgibt und reichlich ultraviolettes Licht ausstrahlt. Aber die meisten Exoplaneten umkreisen Rote Zwergsterne, deren Spitzenhelligkeit im roten oder infraroten Bereich liegt und wenig Ultraviolett emittiert.

Wenn wir nahe gelegene Planetensysteme wie das Proxima-Centauri-System besuchen wollen, benötigen wir Sonnenkollektoren, die das Licht der Roten Zwergsterne nutzen können.

Das ist das Thema eine aktuelle Studie in Wissenschaftliche Berichte. Die Autoren untersuchen die Effizienz von Sonnenkollektoren in verschiedenen Sternspektren und vergleichen insbesondere die Sonne und Proxima Centauri. Der Schwerpunkt ihrer Studie liegt auf der organischen Photovoltaik (OPV), die sowohl leicht als auch flexibel ist. Dies würde die Anbringung von Sonnenkollektoren an großen Sonnensegeln ermöglichen, was ein übliches Designelement für frühe interstellare Sonden ist.

OPVs sind eine junge Technologie, aber sie haben gegenüber etablierteren Zellen auf Siliziumbasis den Vorteil, dass sie auf verschiedene Wellenlängen abgestimmt werden können. Der Wirkungsgrad einer Solarzelle und die Wellenlängen, aus denen sie die meiste Energie gewinnt, basieren auf der sogenannten Bandlücke.

Im Wesentlichen müssen an das Zellmaterial gebundene Elektronen genügend Energie von Photonen einfangen, um über die Bandlücke in das Leitungsband zu springen, wo sie dann als elektrischer Strom fließen können. Durch den Einsatz verschiedener organischer Materialien können wir die Bandlücke optimal an das verfügbare Licht anpassen.

Das Team stellte fest, dass eine größere Bandlücke für Sonnenlicht gut funktioniert, für das Licht von Proxima Centauri jedoch eine schmale Bandlücke erforderlich wäre. Beispielsweise hat eine simulierte Solarzelle mit großer Bandlücke einen theoretischen Wirkungsgrad von 18,9 % für Sonnenlicht, aber nur 0,9 % für Proxima Centauri. Im Gegensatz dazu hat ein Modell mit schmaler Bandlücke für Proxima Centauri eine theoretische Effizienz von 12,6 %.

So könnten Sonnenkollektoren Strom aus Roten Zwergsternen erzeugen. Ein großer Nachteil bleibt jedoch bestehen. Da Rote Zwerge viel weniger Licht produzieren als die Sonne, würden einzelne Solarzellen selbst bei einem guten Wirkungsgrad nicht annähernd so viel Energie produzieren, wie wir von der Sonne gewinnen können.

Interstellare Solarmodule müssten deutlich größer sein, was ihr Gewicht und ihre Kosten erheblich erhöhen würde. Aber es ist möglich, und weitere Materialforschung könnte noch effizientere Methoden zur Stromerzeugung aus Licht finden.