Neue Studie zeigt: Solarzellen mit Know-how der Johannes Kepler Universität Linz liefern auch im Orbit zuverlässig Energie - ein wichtiger Schritt für zukünftige Raumfahrt, Satelliten und energieautarke Technologien.

Ein internationales Forschungsteam mit maßgeblicher Beteiligung der JKU (Abteilung Physik der Weichen Materie sowie LIT Soft Material Lab; Leitung: Univ.-Prof. Martin Kaltenbrunner) zeigt erstmals umfassend, dass neuartige quasi-2D-Perowskit-Solarzellen den extremen Bedingungen im Weltraum standhalten. Die im Rahmen einer orbitalen Mission getesteten Solarzellen bewiesen ihre Leistungsfähigkeit unter starker Strahlung, extremen Temperaturschwankungen und wiederholten Tag-Nacht-Zyklen im Orbit.

Photovoltaik ist seit Jahrzehnten die wichtigste Energiequelle im All. Allerdings sind derzeit eingesetzte Hochleistungs-Solarzellen auf Basis seltener Materialien teuer und oft schwer. Perowskit-Solarzellen gelten deshalb als vielversprechende Alternative: Sie lassen sich kostengünstig herstellen, sind flexibel und besitzen ein außergewöhnlich hohes Leistungs-Gewichts-Verhältnis. Bislang fehlten jedoch umfassende Daten darüber, wie sich diese Solarzellen über längere Zeit unter realen Weltraumbedingungen verhalten.

Die Ergebnisse markieren einen entscheidenden Schritt hin zu einer neuen Generation von Solarzellen für die Raumfahrt.

Erfolgreicher Langzeittest im Erdorbit

Im Rahmen der Mission "Space Solar Power Demonstrator One (SSPD-1)" wurden quasi-2D-Perowskit-Solarzellen in eine niedrige Erdumlaufbahn (Orbit etwa 540 km Höhe) gebracht und dort über mehrere Monate untersucht. Die Messungen zeigten eine bemerkenswerte Stabilität. Eine der Solarzellen zeigte im Orbit über den gesamten Messzeitraum hinweg eine stabile Leistung: Trotz mehr als 1.600 Orbitalzyklen, kontinuierlicher Belastung durch hochenergetische Strahlung im All sowie Temperaturschwankungen zwischen etwa −25 °C und +35 °C wurde praktisch keine weitere Ermüdung des Materials beobachtet.

Begleitende Laboruntersuchungen bestätigten zudem die hohe Strahlungsresistenz der Technologie. Ultraleichte flexible Varianten der Solarzellen erreichten nach Protonenbestrahlung, die etwa 50 Jahren Einsatz im Orbit entspricht, weiterhin über 90 Prozent ihrer ursprünglichen Leistungsfähigkeit. Die Ergebnisse unterstreichen das große Potenzial dieser neuen Generation leichter Perowskit-Solarzellen für den Einsatz unter den extremen Bedingungen im Weltraum.

Leichte und flexible Solarzellen könnten die Raumfahrt nachhaltig verändern. Niedrigere Startmassen reduzieren Kosten, flexible Module ermöglichen neuartige ausrollbare Strukturen, und kostengünstige Herstellung eröffnet neue Möglichkeiten für großflächige Energiegewinnung im All. Gleichzeitig liefern die Erkenntnisse wichtige Impulse für terrestrische Anwendungen - von tragbarer Elektronik bis hin zu energieautarken Sensorsystemen.

Noch bestehende Herausforderungen

Die Studie zeigt jedoch auch, dass der Schutz der Solarzellen vor Umwelteinflüssen vor dem Start entscheidend ist. Während rigidere, besser verkapselte Zellen im Orbit stabil blieben, zeigten ultradünne flexible Varianten vor allem während der Vorbereitungs- und Anbringungsphase am Satelliten erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Luftfeuchtigkeit und Sauerstoff. Zukünftige Forschung wird sich daher auf verbesserte Verkapselung, robustere Materialarchitekturen und optimierte Handhabungsprozesse konzentrieren.

Internationale Spitzenforschung mit starker JKU Beteiligung

Diese Forschung, die in einem Artikel mit dem Titel "Beyond Earth: Resilience of quasi-2D Perovskite Solar Cells in Space" (Jenseits der Erde: Widerstandsfähigkeit von quasi-2D-Perowskit-Solarzellen im Weltraum) vorgestellt wird und nun im renommierten Fachjournal Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202520433) erschienen ist, entstand in enger Zusammenarbeit zwischen der Johannes Kepler Universität Linz, dem California Institute of Technology (Caltech), dem Helmholtz-Zentrum Berlin sowie weiteren internationalen Partnerinstitutionen. Die Ergebnisse schließen eine wichtige Lücke zwischen kurzzeitigen Testmissionen und realen Langzeiteinsätzen im Erdorbit und markieren einen bedeutenden Meilenstein für die Entwicklung zukünftiger Raumfahrt-Photovoltaik.

Kontakt:
Prof. Dr. Martin Kaltenbrunner
Leiter LIT Soft Materials Lab sowie
Abt. Physik der Weichen Materie
Tel.: +43 732 2468 9760
martin.kaltenbrunner@jku.at

Arbeitsgruppe:

DI Dr. Christoph Putz
christoph.putz@jku.at

DI Dr. Lukas Lehner
lukas.lehner@jku.at

Dr. Stepan Demchyshyn
stepan.demchyshyn@jku.at

Dr. Bekele Teklemariam
bekele.teklemariam@jku.at

DIin Magdalena Breitwieser
magdalena.breitwieser@jku.at

Fragen an die Autoren:

DI Dr. Christoph Putz (Hauptautor der Forschungsarbeit)
Warum sind leichte und flexible Solarzellen für die Raumfahrt so relevant?

Leichte und flexible Solarzellen können die Energiegewinnung im All grundlegend verändern. Jedes eingesparte Gramm reduziert die Startkosten, gleichzeitig eröffnen flexible Module völlig neue Möglichkeiten für ausrollbare oder faltbare Strukturen im All. Dadurch lassen sich größere Energieflächen realisieren, ohne die Nutzlast wesentlich zu erhöhen.

Welche Vorteile bringt die neue Technologie gegenüber bisherigen Lösungen?

Im Vergleich zu klassischen Raumfahrt-Solarzellen sind Perowskit-basierte Systeme deutlich leichter und potenziell kostengünstiger herstellbar. Das macht sie besonders attraktiv für zukünftige Satellitenmissionen und neue Konzepte der Energiegewinnung im Weltraum, bei denen große Flächen benötigt werden.

Bleiben die Auswirkungen auf die Raumfahrt beschränkt?

Nein - im Gegenteil. Technologien, die für extreme Bedingungen im All entwickelt werden, finden häufig auch Anwendungen auf der Erde. Die gewonnenen Erkenntnisse liefern wichtige Impulse für flexible Elektronik, tragbare Geräte und energieautarke Sensorsysteme, etwa im Bereich Wearables oder vernetzter Technologien.

DI Dr. Lukas Lehner (Zweitautor der Forschungsarbeit)

Welche Bedingungen im Weltraum sind für Solarzellen besonders kritisch?

Solarzellen werden meist im Hinblick auf terrestrische Anwendungen untersucht und optimiert. Aber in der Erdumlaufbahn sind sie ungeschützt der hochenergetischen Sonnenstrahlung, starken Temperaturschwankungen und atomarem Sauerstoff ausgesetzt. Diese Kombination kann schnell zu Defekten in den Materialien führen.

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