Strahlend vielseitig – Das DLR verfügt in Köln mit dem Hochflussdichte-Sonnenofen und dem Hochleistungsstrahler über eine in Deutschland einmalige Anlage für Bestrahlungstests mit natürlichem und künstlichem Sonnenlicht. Die hohe Konzentration verwandelt einfaches Sonnenlicht in eine CO2-freie Energiequelle mit einer vergleichbar hohen Energiedichte wie Kohle, Öl und Gas.
Sonnenofen
Für die Experimente im Sonnenofen konzentriert ein ebener Spiegel (Heliostat) das auftreffende Sonnenlicht zu einem Konzentrator, der aus 159 sechseckigen Spiegeln besteht. Diese sind auf einer senkrechten, quadratischen Fläche wabenförmig angeordnet. Der Konzentrator verdichtet die Strahlung weiter und lenkt sie zum Experimentaufbau im Gebäude.
Trifft die bis zu 5.000-fach konzentrierte Strahlung dort auf feste oder flüssige Materialien, zum Beispiel auf keramische Partikel oder ein Redoxmaterial in einem Reaktor, entstehen Temperaturen von bis zu 1.800 Grad Celsius. Mittels einer Blende lässt sich die einfallende konzentrierte Strahlung regulieren, um zum Beispiel eine Überhitzung zu vermeiden. Die Anordnung von Heliostat, Konzentrator und Laborraum in der sogenannten „Off-Axis-Geometrie“ bietet den Vorteil, dass die Versuchsaufbauten die einfallende Strahlung nicht teilweise verschatten.
Das Gebäude des Hochflussdichte-Sonnenofens in Köln
Bei guten Wetterbedingungen reflektiert der Heliostat das auftreffende Sonnenlicht zu einem Konzentrator, welcher die Strahlung weiter verdichtet und zum Experimentaufbau im Gebäude leitet.
Beim Bau des Sonnenofengebäudes im Jahr 1994 wurde großen Wert auf seine Gebäude-Energieeffizienz gelegt. Infos zum Sonnenofen als Niedrigenergie-Laborgebäude gibt es auf der folgenden Seite:
Hochleistungsstrahler
Im Sonnenofengebäude befindet sich außerdem ein Hochleistungsstrahler für Experimente mit künstlichem konzentriertem Sonnenlicht. Er ist rund um die Uhr einsatzbereit und daher besonders geeignet für Langzeitexperimente sowie Experimente mit sequentiellen Bestrahlungen unter immer gleichen Bedingungen. Hier sind zum Beispiel auch Komponententests auf Zertifizierungsniveau möglich.
Der Xenon-Hochleistungsstrahler besteht aus zehn elliptischen Reflektoren mit Xenon-Kurzbogenlampen. Die Reflektoren sind so ausgerichtet, dass ihre kurzwellige Strahlung mit einer Gesamtleistung von etwa 25 Kilowatt auf einen Zielbereich im Abstand von drei Metern auftrifft. Die so konzentrierte Energie erreicht hier eine Leistungsdichte von bis zu vier Megawatt pro Quadratmeter.
Forschungsschwerpunkte von Sonnenofen und Hochleistungsstrahler
Solare Herstellung von Wasserstoff und Synthesegas
Grüner Wasserstoff und seine Derivate sind von zentraler Bedeutung für eine CO2-neutrale Energieversorgung. Synthesegas wird als Ausgangsprodukt von synthetischen Kraftstoffen dringend für den Umstieg auf eine nachhaltige Luftfahrt benötigt.
Im Kölner Sonnenofen gelang es im Jahr 2004 erstmalig unter Laborbedingungen Wasserstoff aus konzentriertem Sonnenlicht, Wasser und CO2 herzustellen.
Seitdem werden dieses und weitere Verfahren zur Speicherung von Sonnenenergie in chemischen Energieträgern weiterentwickelt. Die Tests finden im Sonnenofen und Hochleistungsstrahler in Köln sowie im DLR Sonnensimulator Synlight in Jülich statt.
Nutzung von konzentrierter Solarenergie für industrielle Prozesse
Um den CO2-Ausstauss zu reduzieren oder langfristig gegen Null zu bringen, sind Industrieunternehmen gefordert, ihre Prozesse von fossilen Energieträgern auf erneuerbare Energiequellen umzustellen. DLR-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben in verschiedenen Projekten in Sonnenofen und Hochleistungsstrahler erfolgreich gezeigt, dass konzentriertes Sonnenlicht geeignet ist, die fossilen Energiequellen in Industrieprozessen zu ersetzen.
Solare Bestrahlung von Komponenten für den Einsatz im Weltraum
Im Sonnenofen und Hochleistungsstrahler ist es möglich Weltraumkomponenten unter Vakuumbedingungen zu bestrahlen. Hierbei kommt es vor allem auf die gleichmäßige Verteilung der Strahlung auf den Testkörper sowie eine verlässliche und exakte Messtechnik an. Im Kölner Sonnenofen wurden Komponenten der Satelliten Bepi Colombo, Venus Express oder Solar Orbiter vor ihrem Einsatz im Weltraum solar getestet.
Im Rahmen des Projekts Regolight hat das Team des Sonnenofens ein 3D-Druck-Verfahren entwickelt, um aus Mondstaub feste Bausteine herstellen zu können, die sich zum Bau von Schutzkuppeln auf dem Mond eignen. Konzentrierte Solarstrahlung liefert die Energie für einen Sintering-Prozess, der vulkanischen Staub (der dem Staub auf dem Mond ähnlich ist) innerhalb von 30 Minuten zu festen Bausteinen sintert.
