Flexible Solarpanels ermöglichen längere Flüge für autonome Drohnen

Ein Forscherteam unter der Leitung von Ingenieuren der Johannes Kepler Universität Linz hat ein ultraleichtes, effektives Solarpanel-Design vorgestellt. Die neuen flexiblen Solarpanels öffnen die Tür für eine Vielzahl von Next‑Gen‑Anwendungen, darunter selbstaufladende Drohnen und mehr. Hier ist, was Sie wissen müssen.

Warum Drohnen autonome Energiesysteme benötigen

Die Menschheit sucht weiterhin nach autonomen Energiequellen, um Forschung und Erkundungen zu betreiben. Es gibt viele Szenarien, in denen diese Systeme die einzige Option sind. Zum Beispiel zeigte der Mars‑Hubschrauber Ingenuity die Leistung und zusätzlichen Fähigkeiten, die solche Systeme bieten. Die autarke, solarbetriebene Drohne absolvierte mehrere unbemannte Flüge auf dem Mars und lieferte den Ingenieuren und Forschern einen Schatz an Daten.

Wie Solarenergie den Mars‑Hubschrauber der NASA ermöglichte

Wenn man den Erfolg von Ingenuity betrachtet, wird schnell klar, dass die autonomen Energiesysteme der Drohne ein entscheidender Bestandteil der Mission waren. Ohne die Möglichkeit, sich nach längerer Nutzung wieder aufzuladen, wäre der Mars‑Hubschrauber nur ein Einzelflug gewesen, der die Kosten kaum rechtfertigte.
Die Fähigkeit des Fahrzeugs, sich selbst wieder aufzuladen, ermöglichte jedoch mehrere Missionen mit großem Erfolg. Konkret nutzte das Fahrzeug ein Solarpanel, um seine sechs Lithium‑Ion‑Batterien zu regenerieren. Diese Batterien lieferten bei voller Ladung 90 Sekunden Flugzeit.

Warum Solar die einzige praktikable Energiequelle für Weltraumdrohnen ist

Es gibt mehrere Gründe, warum nur Solarenergie für die Anforderungen der Raumfahrt geeignet ist. Einerseits sind die Kosten für den Transport von Gegenständen wie Treibstoff, Motoren oder anderen Komponenten zu hoch, um die Schaffung eines entsprechenden Systems rentabel zu machen.
Zusätzlich würden Ladestationen, Kabel und weitere Anforderungen den Hubschrauber zu schwer zum Fliegen machen. Auf dem Mars ist aufgrund der anderen atmosphärischen Bedingungen deutlich mehr Auftrieb nötig, um zu fliegen. Daher müssen die Ingenieure sicherstellen, dass das Fahrzeug so leicht wie möglich ist. Solarpanels waren die offensichtliche Lösung.

Was sind Perowskit‑Solarzellen und warum sie wichtig sind

Unter den vielen erneuerbaren Energieoptionen, die Forschern zur Verfügung stehen, sind Solarpanels am weitesten verbreitet und am sinnvollsten. Neuere Entwicklungen haben Solarpanels effizienter und leichter gemacht. Der Einsatz von Perowskit‑Solarzellen hat aus vielen Gründen für Durchbrüche gesorgt.
Perowskit‑Solarzellen ermöglichen es Ingenieuren, ultradünne und flexible Solarzellen zu fertigen. Diese Zellen können bei leichtem Design eine hohe Effizienz erzielen. Dieses Design macht Perowskit‑Solarzellen zu einer der am häufigsten genannten Optionen, wenn es um die Stromversorgung von Drohnen geht.

Herausforderungen, die die Verbreitung von Perowskit‑Solarzellen einschränken

Es gibt mehrere Probleme, die die weitere Entwicklung und Anwendung von Perowskit‑Solarzellen behindern. Einerseits haben sie eine geringe betriebliche Stabilität. Diese Geräte sind empfindlich, und jede plötzliche Bewegung, Kollision oder sogar Staub kann ihre Wirksamkeit verringern. Glücklicherweise haben Ingenieure einige einzigartige Varianten entwickelt, die speziellere Anwendungsfälle wie autonome Drohnen bewältigen können.

Einblick in die Technologie: 2D‑Perowskit‑Solarzellen

Perowskit‑Solarzellen integrieren eine geschichtete Kristallstruktur, um ein leichteres und effizienteres Design zu schaffen. Diese Einheiten sind die fortschrittlichste Art von Solarpanel, die heute verfügbar ist. Sie integrieren Metall‑Halid‑Schichten, die organischen Raum nutzen, um die Lichtumwandlung zu maximieren. Insbesondere haben 2D‑Perowskite die chemische Formel RAn‑1BnX3n+1.

Vorteile von 2D‑Perowskit‑Solarpanels für Drohnen

Es gibt mehrere Gründe, warum die 2D‑Perowskit‑Zellen bei Drohnen‑Ingenieuren nach wie vor die erste Wahl sind. Erstens bieten sie bessere thermische und Feuchtigkeitsstabilität. Die in diese Geräte eingebauten organischen Räume sind entscheidend, da sie als hydrophobe Barrieren wirken.
Außerdem bieten Perowskit‑Solarzellen im Vergleich zur herkömmlichen Version eine verbesserte photolumineszente Quantenausbeute (PLQY). Die Kristallstruktur ermöglicht es diesen Einheiten, über das gesamte Gerät hinweg stabilere und gleichmäßigere Leistung zu liefern. Interessanterweise gibt es inzwischen auch 3D‑Perowskit‑Solarzellen. Der Hauptunterschied liegt in der genauen Anordnung der Kristalle.

Studienübersicht: Durchbruch bei leichten flexiblen Solarpanels

Die Studie „Flexible quasi‑2D‑Perowskit‑Solarzellen mit hoher spezifischer Leistung und verbesserter Stabilität für energieautonome Drohnen“,¹ veröffentlicht in Nature, wirft ein Licht auf eine neue Art von Solarzelle.

Die transparent‑leitfähige‑Oxid‑freien quasi‑zweidimensionalen Perowskit‑Solarzellen liefern zuverlässige und stabile Stromerzeugung aus einem winzigen und leichten Design. Das neue Design könnte zukünftige Weltraumerkundungen und mehr mit Strom versorgen.

Quelle – Nature Energy

Die Forscher der JKU teilten ihr Design und den Fertigungsprozess für die ultraleichten quasi‑2D‑Perowskit‑Solarzellen. Sie begannen damit, sicherzustellen, dass das Gerät sehr dünn und flexibel ist.

Die Ingenieure fügten außerdem Alpha‑Methylbenzylammoniumiodid direkt in die photoaktive Perowskit‑Schicht ein. Dieser Schritt erleichterte das Aufbringen einer ultradünnen Polymerfolie von nur 2,5 µm. Beeindruckend: Das ist 20‑mal kleiner als ein menschliches Haar. Anschließend wurde sie mit einer Aluminiumbarrikadeschicht beschichtet, um die Solarerzeugungsfähigkeiten weiter zu optimieren.

 Praxisnahe Tests auf autonomen Drohnenplattformen

Im Rahmen des Testprozesses modifizierte das Team einen handelsüblichen Quadrocopter, um ihre Solarpanels zu nutzen. Konkret wurden 24 miteinander verbundene 1 cm²‑Solarzellen an das Gerät angebracht. Diese Zellen waren ultradünn und leicht, mit einem Gewicht von weniger als 1/400 des Gesamtgewichts des Fluggeräts.
Die Ingenieure führten mehrere Tests durch, um sicherzustellen, dass ihr Gerät ordnungsgemäß funktioniert und die während der Leistungs‑ und Stabilitätsdemonstration vorhergesagte Energie erzeugt. Das Gerät erreichte eine Spitzen‑Spezialleistung von 44 W/g und durchschnittlich leicht darunter bei 41 W. Es konnte eine Leerlaufspannung von 1,15 V bereitstellen. Insgesamt erzielte es eine Effizienz von 20,1 %, im Durchschnitt 18,1 %.

Leistungsergebnisse: Leistungsdichte und Effizienzkennzahlen

Die Ergebnisse zeigten, dass die ultraleichten Perowskit‑Solarzellen eine kostengünstige Lösung für autonome Energieerntungsgeräte darstellen. Die bemerkenswerte Leistung und die Leistungsabgabe von 44 W pro Gramm lassen das Gerät gegenüber heutigen Konkurrenztechnologien hervorstechen.
Zusätzlich bewies der Test, dass diese Energieeinheiten Drohnen zu längeren Flügen befähigen und aufeinanderfolgende Lade‑Flug‑Lade‑Zyklen ohne kabelgebundenes Aufladen ermöglichen. Diese Faktoren deuten darauf hin, dass dieser Ansatz autonome Geräte letztlich weltweit betreiben wird.

Warum flexible Perowskit‑Solarpanels ein Wendepunkt sind

Mehrere Vorteile gehen mit dem neuen Solarpanel‑Design einher. Erstens bieten sie ultraleichte und energieeffiziente Elektronik, die sich selbst mit Strom versorgen kann. In Zukunft benötigen Ihre Geräte möglicherweise keinen Stecker mehr und verursachen keine Betriebskosten. Stattdessen könnten sie Energie direkt mit diesen Solarzellen ernten.

Leichtgewicht

Das leichte Design dieser Solarzellen macht sie ideal für den Einsatz in autonomen Flügen oder anderen kleinen Anwendungen. Die Zellen sind klein genug, damit Geräte weiterhin fliegen können, ohne ihre Funktionsweise zu beeinträchtigen. Daher werden sie künftig vermehrt integriert werden.

Anpassungsfähig

Diese Solarzellen sind hochgradig anpassungsfähig, um einer Vielzahl von Anwendungsszenarien gerecht zu werden. Sie können zu bestimmten Mustern geformt oder auf kleinen Oberflächen angebracht werden und genügend Energie für die Aufgabenerfüllung liefern. In Zukunft werden die Ingenieure versuchen, noch flexiblere Designs zu schaffen.

Hoch effizient

Die Effizienz von Solarpanels ist seit den Anfängen der Technologie ein großes Problem. Heutige Solarzellen sind nicht sehr effizient, da der Großteil der Energie in Wärme und andere Faktoren verloren geht. Dieses neueste Design verbessert die Effizienz und bietet Ingenieuren mehr Gestaltungsflexibilität, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.

Praxisnahe Anwendungsfälle für leichte Solarpanels

Es gibt ein breites Anwendungsspektrum für diese neuen Panels. Erstens machen ihr ultradünnes Design und ihre Leistungsabgabe sie ideal für verschiedene kleine Stromerzeugungsbedürfnisse. Hier sind nur einige potenzielle Anwendungen für diese Geräte.

Luft- und Raumfahrtindustrie

Die Luft‑ und Raumfahrtindustrie könnte diese Technologie auf vielfältige Weise nutzen. Von der Stromversorgung von Drohnen und Fahrzeugen mit unbegrenzter Reichweite bis hin zur Ermöglichung von Weltraumerkundungen neuer Planeten. Bereits hat die Branche frühere Versionen dieser Technologie integriert, um bemerkenswerte Meilensteine zu erreichen. Jetzt ist die Technologie bereit, eine neue Generation von Entdeckern und Wissenschaftlern zu versorgen.

Tragbare Elektronik

Wearables sind ein schnell wachsender Technologiebereich, der mehrere Branchen umfasst. Diese Geräte beinhalten weit mehr als Ihr Smartphone. Es gibt medizinische Geräte, die kritische Daten für Patienten erfassen und dank dieser Technologie eine erweiterte Nutzung und längere Lebensdauer erfahren könnten. Auch persönliche Sicherheitsgeräte könnten länger laufen und effektiver werden.

Internet der Dinge

Das IoT ist ein riesiger Technologiebereich, der Milliarden von intelligenten Geräten umfasst. Diese Geräte sind derzeit auf Batterien und Stromquellen angewiesen. In Zukunft könnten sie auf all diese Komponenten verzichten, da Solarenergie ihnen dieselben Ergebnisse mit weniger Aufwand ermöglichen könnte. Insbesondere fallen Milliarden von Smart‑Devices in die IoT‑Kategorie. Daher wäre die Integration von Selbstversorgungs‑Fähigkeiten ein Wendepunkt.

Suche und Rettung

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist der Einsatz dieser Systeme zur Stromversorgung von Such‑ und Rettungsdrohnen. Bereits wird der Einsatz von weichen Robotern, die ihren Körper an enge Räume wie Rohre oder Risse anpassen können, als beste Option für zukünftige Katastrophen‑ und Rettungseinsätze angesehen. Die Integration eines autarken Systems in diese Geräte würde ihre Fähigkeiten erweitern und längere Einsätze ermöglichen.

Kartierung

Solarbetriebene Drohnen wären die ideale Lösung für großflächige Kartierungsprojekte. Man könnte denken, dass Kartierung eine alte Wissenschaft sei, doch die Realität sieht anders aus. Jeden Tag verändert sich die Erde, und spezifische Grenzen, Ressourcen und andere wichtige Merkmale ändern sich. Daher ist die Kartierung dieser Veränderungen ein wesentlicher Aspekt zur Überwachung der Umwelt und anderer entscheidender Entwicklungen.
Kabellose, solarbetriebene Kartierungsdrohnen könnten massive Entfernungen zurücklegen und aktualisierte Kartendaten ohne menschliches Eingreifen bereitstellen. Die Solarversorgung dieser Geräte würde ihnen helfen, ihre Ziele zu erreichen, ohne die zusätzlichen Verzögerungen, die mit dem Rückweg zu Ladestationen verbunden sind.

Lernen Sie die Forscher hinter dem Durchbruch-Design kennen

Forscher der Johannes Kepler Universität Linz leiteten die Studie zu flexiblen Solarpanels. Das Papier nennt Bekele Haile Gnaw, Stepan Demchyshyn, Christoph Putz, Lukas E. Lehner, David Schiller, Roland Pruckner und Martin Kaltenbrunner als Hauptautoren. Jetzt versucht das Team, ihr Design weiter zu verbessern, indem es kleiner und effektiver wird.

Unternehmens-Spotlight: First Solar und die Zukunft der Solartechnologie

Es gibt mehrere Unternehmen, die das Rennen um Solarpanels anführen. Diese Firmen treiben die Innovation weiter voran, um kleinere und effizientere Panels für die breite Masse verfügbar zu machen. Diese neueste Entwicklung wird diesen Unternehmen sicher helfen, ihre Ziele zu erreichen. Hier ist ein Unternehmen, das gut positioniert ist, um diese Entwicklungen voll auszunutzen.

First Solar

First Solar (FSLR ) trat 1999 als First Solar Holdings in den Markt ein. Ziel war es, hochwertige und effiziente Solarpanels für industrielle und Unternehmens‑Kunden bereitzustellen. Daher liegt der Hauptmarkt in der Versorgung großer Solarkraftwerke. Das Unternehmen hat seinen Sitz in Tempe, Arizona.

Seit seiner Gründung hat das Unternehmen seine Aktivitäten und Produktpalette erweitert, um eine Reihe von solarbezogenen Optionen anzubieten. Besonders hervorzuheben ist, dass das Unternehmen die ultra‑dünne Halbleitertechnologie pioneered und maßgeblich dazu beigetragen hat, das Recycling im Solarpanel‑Sektor zu erhöhen. Heute gilt es als eine der umweltfreundlichsten Optionen für die Herstellung von Solarpanels.

First Solar hat im vergangenen Jahr einen Rückgang seines Aktienkurses erlebt, teilweise bedingt durch die Konflikte in der Ukraine und andere Faktoren. Trotz des Kursrückgangs prognostizieren viele Analysten, dass diese Aktie in Zukunft eine steigende Nachfrage erfahren wird.

Das Unternehmen entwickelt derzeit neue Produkte und betreibt Fertigungsstätten in den USA, Malaysia und Vietnam. Wer nach einer zuverlässigen und anerkannten Solaraktie sucht, sollte weitere Recherchen zu FSLR anstellen.

Neueste Entwicklungen bei First Solar

Die Zukunft der Solarenergie: Kabel‑freie, autarke Geräte

Bei der Untersuchung der Technologie und des Potenzials dieser Studie wird deutlich, dass die Zukunft voraussichtlich von erneuerbaren Energiequellen wie Solarenergie angetrieben wird. Da diese Panels erschwinglicher, kleiner und effizienter werden, werden sie deutlich stärker integriert werden.

Zukünftig müssen Sie Ihre Elektronik vielleicht nicht mehr austauschen; Sie könnten sie einfach für 10 Minuten ans Fenster stellen. All dies und mehr ist dank der innovativen Konzepte der flexiblen Solarpanel‑Studie möglich.

Erfahren Sie hier mehr über andere Entwicklungen im Bereich erneuerbarer Energien hier.

Studien zitiert:

^{1. Hailegnaw, B., Demchyshyn, S., Putz, C. et al. Flexible quasi-2D‑Perowskit‑Solarzellen mit hoher spezifischer Leistung und verbesserter Stabilität für energieautonome Drohnen. Nat Energy 9, 677–690 (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-024-01500-2}