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Auf dem Weg zu einer nachhaltigen Zukunft: Energieumwandlungseffizienz

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 Wissenschaftler formulieren eine neue Innovation, mit der Wärmeenergie gemessen werden kann, um mehr über die Prozesse energiekonvertierender Systeme wie Blätter während der Photosynthese zu erfahren

 Die Umwandlung von Energie ist ein konstanter Prozess, aber die Messung der Effizienz dieser Umwandlung ist keine leichte Aufgabe. Die Quantifizierung der Wärmeabgabe des Objekts, das Energie absorbiert, hat sich als guter Indikator erwiesen. Wissenschaftler haben nun eine Technik entwickelt, mit der diese Messung einfach und genau durchgeführt werden kann. Diese neuartige Technologie kann Aufschluss über die Energieübertragungsprozesse in Systemen geben, die von Pflanzen bis zu Solarzellen reichen.

Energie befindet sich in einem ständigen universellen Kreislauf aus Nutzung, Reform und Wiederverwendung. Durch diesen Prozess gibt es oft mehrere Situationen, in denen Energie in einer Form empfangen und in eine andere Form oder sogar in eine nichtenergetische Form umgewandelt wird. Die Photosynthese ist dafür ein gutes Beispiel. Wie wir wissen, fällt dabei die Sonnenenergie in Form von Sonnenlicht auf Blätter, und Blätter wandeln diese Sonnenenergie durch eine Reihe von Reaktionen in andere Formen gespeicherter Energie um. Aber wie effizient ist diese Energieumwandlung? Einfach ausgedrückt ist die Energieumwandlungseffizienz das Verhältnis der Nutzleistung eines Energieumwandlungssystems wie einer Anlage und der Gesamtenergie, die es überhaupt erhält. Dieser Wert ist insbesondere bei der Planung energieeffizienter Strukturen wie Solarzellen wichtig. Obwohl die Theorie einfach ist, gibt es keine etablierte Methode, um Faktoren, die die Effizienz der Lichtenergieumwandlung bestimmen, wie die Gesamtenergie oder die erzeugte elektrische Gesamtleistung, genau zu messen.

Eine alternative Technik, die zur Lösung dieses Problems untersucht wurde, ist die Messung von Wärme über Licht. Alles, was Energie absorbiert, neigt dazu, diese Energie in Form von Wärme abzuleiten. Diese Wärmeabgabe ist unmittelbar nach der Energieabsorption größer und nimmt mit der Zeit ab. Dies steht im Gegensatz zur Lichtemission von Systemen wie „phosphoreszierenden“ oder im Dunkeln leuchtenden Materialien, die Energie absorbieren und erst viel später Licht abgeben. Daher kann die Messung der Wärmefreisetzung als Funktion der Wellenlänge des Anregungslichts - oder, um den Fachbegriff „photothermisches Anregungsspektrum“ oder PTES zu verwenden - eine praktikable Methode zur Messung der Energieumwandlungseffizienz sein. Die photothermische Ablenkungsspektroskopie ist eine Methode zur direkten Anwendung von PTES. Allerdings hat nur sehr wenig Forschung PTES unabhängig von der Lichtemission untersucht.

Wissenschaftler an der Tokyo University of Science, Japan beschloss, dieses Wissen anzusprechen Spalt. Dieses Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Prof. Eiji Tokunaga hatte zuvor eine SIPDS-Technik (Sagnac Interferometer Photothermal Deflection Spectroscopy) entwickelt, mit der die Effizienz der vorhandenen Techniken um eine Größenordnung verbessert wurde. Die photothermische Spektroskopie erfasst die Wärme, die erzeugt wird, wenn das bestrahlte Licht von der Probe absorbiert wird, und kann daher das Absorptionsspektrum für Proben jeder Form und mit beliebigen Eigenschaften messen, z. B. „Streuer“, deren durchgelassenes Licht nicht gemessen werden kann. Prof. Tokunaga sagt: „Seit etwa 2010 arbeiten wir daran, die Empfindlichkeit der photothermischen Ablenkungsspektroskopie mithilfe eines Interferometers zu erhöhen. Mit den gemeinsamen Anstrengungen aller, einschließlich der Studenten, konnten wir Proben in Luft analysieren, die zuvor selten analysiert wurden, und so die Möglichkeit haben, die zu messen Absorptionsspektrum über den gesamten sichtbaren Lichtbereich. ” Warum war das so wichtig? „Diese verbesserte Technologie", Erklärt Prof. Tokunaga,"ermöglichte es uns, die Quanteneffizienz der Lumineszenz oder der chemischen Energieumwandlung zu bewerten"

Um diese Technologie einen weiteren Schritt vorwärts zu bringen, haben diese Wissenschaftler zusammen mit Dr. Kohsei Takahashi und Dr. Naoto Hirosaki von der Sialon Group, Nationales Institut für Materialwissenschaften (NIMS), jetzt die „ausgewogene Detektion“ integriert, bei der es sich im Wesentlichen um eine Technik zur Messung kleiner Varianzen handelt in Werten, in ihre SIPDS-Technologie. Diese neue Innovation nutzt eine Weißlichtlampe als Energiequelle und kann das photothermische Anregungsspektrum von Materialien in der Luft messen. Die Wissenschaftler stellten fest, dass keine Wärme erzeugt wird, was bedeutet, dass Lichtenergie in effektive Energie umgewandelt wird, sodass die Differenz zum Absorptionsspektrum gemessen werden kann, um die Effizienz der Umwandlung von Lichtenergie zu bestimmen.

Mit dieser Technologie konnten sie das Wärmespektrum (PTES) eines hocheffizienten lumineszierenden roten Leuchtstoffs weißer LED von NIMS erfolgreich messen und mit ihrem Photolumineszenz-Anregungsspektrum (PLES) vergleichen, das die Lichtmenge zeigte vom Leuchtstoff als Funktion der Wellenlänge des Anregungslichts emittiert (Abbildung). Dieser Vergleich lieferte auch genaue Photolumineszenzeffizienzwerte des Leuchtstoffs, was ein Maß dafür ist, wie gut eine Substanz Licht emittieren kann. „Mit unserer Technologie können wir die thermischen Relaxationsspektren von Materialien über den gesamten sichtbaren Bereich in der schwachen Anregungsgrenze von 50 µW / cm messen2Dies ist ein nie zuvor erreichter Durchbruch", Bemerkt Prof. Tokunaga. Somit könnte die Messung der Energieumwandlungseffizienz, für die zuvor teure und unterschiedliche Geräte wie Leuchtstoffe, Solarzellen und Photosynthese erforderlich waren (zur Messung der umgewandelten effektiven Energie [Emissionsenergie, elektrische Energie, chemische Energie]), unter Verwendung einer solchen durchgeführt werden einfache, einheitliche Methode.

Die Zukunftsaussichten dieser Technologie sind aufregend: Einmal weiterentwickelt, kann die Energieumwandlungseffizienz selbst der Photosynthese in „lebenden“ Blättern gemessen werden. Hoffentlich können diese Ergebnisse die Forschung zur Verbesserung der Umwandlungseffizienz von Substanzen anregen und beschleunigen und eine Gesellschaft mit hoher Energieumwandlungseffizienz verwirklichen. 

Über uns Die Tokyo University of Science

Die Tokyo University of Science (TUS) ist eine bekannte und angesehene Universität und die größte wissenschaftlich spezialisierte private Forschungsuniversität in Japan mit vier Standorten im Zentrum von Tokio und seinen Vororten sowie in Hokkaido. Die Universität wurde 1881 gegründet und hat kontinuierlich zur Entwicklung Japans in der Wissenschaft beigetragen, indem sie Forschern, Technikern und Pädagogen die Liebe zur Wissenschaft vermittelt hat.

Mit der Mission „Wissenschaft und Technologie für die harmonische Entwicklung von Natur, Mensch und Gesellschaft schaffen“ hat TUS ein breites Forschungsspektrum von der Grundlagenforschung bis zur angewandten Wissenschaft betrieben. TUS hat einen multidisziplinären Forschungsansatz verfolgt und intensive Studien in einigen der wichtigsten Bereiche von heute durchgeführt. TUS ist eine Meritokratie, in der das Beste der Wissenschaft anerkannt und gefördert wird. Es ist die einzige private Universität in Japan, die einen Nobelpreisträger hervorgebracht hat, und die einzige private Universität in Asien, die Nobelpreisträger im Bereich der Naturwissenschaften hervorgebracht hat.
Website: https://www.tus.ac.jp/en/mediarelations/ 

Über Professor Eiji Tokunaga von der Tokyo University of Science

Dr. Eiji Tokunaga ist Professor an der Fakultät I der Abteilung I für Physik der Universität Tokio. Er absolvierte seine Bachelor-, Postgraduierten- und Doktorandenausbildung an der Universität von Tokio. Als angesehener und hochrangiger Forscher hat er mehr als 82 Veröffentlichungen zu seinem Namen. Er arbeitet mit seinem Team an der Erforschung der optischen Spektroskopie und der Physik der kondensierten Materie. Nach fast drei Jahrzehnten auf diesen Gebieten hat Prof. Tokunaga mehrere neue Konzepte eingeführt, die sich auf die optischen Eigenschaften von Materialien beziehen. Seine Forschung kann bei gefunden werden https://www.tus.ac.jp/en/fac/p/index.php?3b4e.