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Drohnen sollen dank Laserlicht unbegrenzt fliegen
Laser könnten Drohnen künftig während langer Einsätze mit Energie versorgen, doch die Empfänger erhitzen sich dabei stark. Ein chinesisches Team hat nun eine Perowskit-Tandemzelle mit Antimonselenid-Nanostäbchen entwickelt, die Wärme besser kontrolliert und bei simuliertem Luftstrom 38,49 Prozent Wirkungsgrad erreicht. Geflogen ist das System allerdings noch nicht.
Tianjin (China). Akkus begrenzen die Einsatzdauer kleiner unbemannter Fluggeräte, weil zusätzliche Batteriekapazität zugleich mehr Gewicht bedeutet. Laserbasierte Energieübertragung könnte Strom vom Boden zum Fluggerät schicken, solange der Empfänger im Strahl bleibt und die Verbindung sicher aufrechterhalten werden kann.
Forscher der Civil Aviation University of China (CAUC) um Jianhua Han haben dafür einen Empfänger untersucht, der Licht- und Wärmeenergie gemeinsam nutzt. Die Konstruktion kombiniert eine auf grünes Laserlicht abgestimmte Perowskit-Zelle mit einem thermoelektrischen Bauteil, das einen Teil der entstehenden Abwärme zusätzlich in elektrische Energie umwandelt.
Der Aufbau löst damit zugleich ein zentrales Problem der Energieübertragung. Bei intensiver Bestrahlung erwärmt sich die kohlenstoffbasierte Perowskit-Zelle stark, wodurch ihre elektrische Leistung mit der Zeit sinkt. In den Messungen stabilisierte sich die Oberflächentemperatur bei 0,5 Watt pro Quadratzentimeter bei rund 67,2 Grad Celsius und bei 1,2 Watt pro Quadratzentimeter bei etwa 85,3 Grad Celsius.
„Frühere Studien konzentrierten sich weitgehend auf die Materialien oder das Bauelement selbst“, sagt Jianhua Han.
Die Forscher setzten deshalb Nanostäbchen aus Antimonselenid, chemisch Sb₂Se₃, in den oberen Bereich der CsPbBr₃-Perowskitschicht ein. Das Material leitet Wärme nur schlecht und bildet dadurch eine Barriere zwischen der heißen Kohlenstoffelektrode und der lichtaktiven Schicht. Gleichzeitig verbesserten die Nanostäbchen laut den Materialanalysen die Kristallqualität und den Transport elektrischer Ladungsträger.
Simulationen zeigen, dass die Nanostäbchen die Temperatur der aktiven Perowskitschicht unter den gewählten Bedingungen um 5,7 Kelvin senkten. Zugleich stieg der Temperaturunterschied zwischen heißer und kalter Seite des thermoelektrischen Moduls von 15,4 auf 20,8 Kelvin. Dieser größere Gradient ist wichtig, weil das thermoelektrische Element umso mehr Spannung erzeugt, je stärker sich seine beiden Seiten thermisch unterscheiden.
Bei 520 Nanometern Wellenlänge und einer Leistungsdichte von 1,2 Watt pro Quadratzentimeter erreichte die optimierte Tandemzelle 38,49 Prozent Wirkungsgrad. Ein vergleichbarer Aufbau ohne Antimonselenid-Nanostäbchen kam unter denselben Bedingungen auf 34,65 Prozent. Die Leerlaufspannung stieg von 2,41 auf 2,52 Volt, während die Effizienz bei zunehmender Laserleistung weniger stark abfiel.
„Unsere Arbeit zeigt die Möglichkeit, Flugzeuge mit Licht aufzutanken“, sagt Jianhua Han.
Für einen Einsatz in Fluggeräten reicht die Materialoptimierung allein nicht aus. Das Team integrierte den Empfänger deshalb in einen per 3D-Druck gefertigten Flügelabschnitt mit Luftkanal und Kühlstrukturen. Der Luftstrom kühlt die kalte Seite des thermoelektrischen Moduls und hilft so, den für die Stromerzeugung nötigen Temperaturunterschied aufrechtzuerhalten.