Untersuchungen zeigen, dass mikrobielle Biofilme in trockenen Regionen bis zu 30 % der Leistung von Solarmodulen beeinträchtigen können

Forscher leiteten eine internationale Kooperation, um die Auswirkungen von Mikroben als unterschätzte potenzielle Bedrohung für die Solarenergieproduktion in der trockensten (nicht{0}}polaren) Wüste der Welt zu identifizieren und zu quantifizieren. Jüngste Ergebnisse zeigen einen Gesamtrückgang von bis zu 30,66 % des Kurzschlussstroms unter dem Einfluss der biofilmbildenden Mikroorganismen, die auf den Oberflächen von Photovoltaikmodulen in der Atacama-Wüste vorkommen. Dies hat zur Folge, dass Solaranlagen ihren erwarteten Energieertrag um fast ein -Drittel reduzieren könnten, weil sie ihren aktuellen Ertrag an Kurzschlusspunkten reduziert haben.

Die Bewertung mikrobieller Beiträge zur „Verschmutzung“ von Solarmodulen und deren anschließender Auswirkung auf die Energieausbeute durch verringerte Betriebseffizienz (wie in „Mikrobieller Beitrag zur Verschmutzung und ihre Auswirkungen auf die Verschmutzung von Photovoltaikmodulen in extremen Umgebungen in trockenen Regionen der Atacama-Wüste“ erläutert) ist die erste Studie dieser Art, die den Einfluss mikrobieller Gemeinschaften auf die Haftung und Beständigkeit von Staubbeschichtungen auf Solarmodulen in extremen Umgebungen bewertet.

 

Das herkömmliche Verständnis der Verschmutzung von Solarmodulen konzentriert sich seit langem auf die Ansammlung anorganischer Mineralstaubpartikel. Diese Studie verändert jedoch das Paradigma, indem sie zeigt, dass mikrobielles Leben -, insbesondere Bakterien aus den GattungenArthrobacter, Dietzia, UndKocuria- besiedeln aktiv Paneloberflächen und erzeugen robuste Biofilme, die die Eigenschaften von Staubablagerungen dramatisch verändern.

Diese Mikroorganismen produzieren extrazelluläre Polymersubstanzen oder EPS -, eine klebrige Matrix, die aus etwa 65 Prozent Polysacchariden, 25 Prozent Peptiden und 10 Prozent Lipiden besteht. Während einer Wachstumsperiode von 72-Stunden beobachteten die Forscher, dass die EPS-Dicke von 0,2 auf 0,8 Mikrometer zunahm. Unter Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie erscheinen diese Biofilme als dichte, dreidimensionale Netzwerke, die sowohl mikrobielle Zellen als auch Mineralpartikel einkapseln, wodurch Staubschichten effektiv auf Plattenoberflächen zementiert werden und diese wesentlich widerstandsfähiger gegen Entfernung werden.

In einer bemerkenswerten evolutionären Wendung identifizierte die Studie auch Carotinoidpigmente -, insbesondere Lutein--ähnliche Verbindungen und verwandte Xanthophylle -, die von produziert werdenDietziaStämme. Diese Pigmente helfen den Bakterien, die extreme ultraviolette Strahlung der Atacama-Wüste zu überleben, die tägliche Intensitäten von etwa 3,5 Kilowatt pro Quadratmeter erreicht.

Entscheidend ist, dass diese Lichtschutzverbindungen Licht in Spektralbereichen absorbieren, die sich mit dem Umwandlungsfenster von monokristallinen Silizium-Photovoltaikmodulen überschneiden. Diese Überlappung deutet auf einen zusätzlichen Mechanismus optischer Interferenz hin, bei dem genau die Pigmente, die Bakterien helfen, die Wüstensonne zu überstehen, auch mit Solarzellen um einfallende Photonen konkurrieren.

Um die Leistungsauswirkungen mikrobieller Biofilme zu quantifizieren, führten die Forscher unter kontrollierten Laborbedingungen beschleunigte Besiedlungstests an Photovoltaik-Glasproben durch. Die Ergebnisse waren verblüffend: Nach nur sieben Tagen Biofilmentwicklung zeigten Proben der Universität Antofagasta Kurzschlussstromverluste zwischen 15,20 Prozent und 30,66 Prozent. Proben von der Atacama Desert Solar Platform wiesen Verluste zwischen 11,01 Prozent und 20,12 Prozent auf.

Der korrespondierende Autor der Studie, Aitor Marzo von der Universität Granada, achtete jedoch darauf, diese Zahlen in einen Kontext zu setzen. „Diese Tests waren als beschleunigte Experimente konzipiert, um die Anfangsstadien der Biofilmadhäsion und -konsolidierung innerhalb eines begrenzten Laborzeitraums zu reproduzieren“, erklärte er. „Die beobachteten maximalen Verluste stellen eine Obergrenze der biologischen Auswirkungen dar und sollten nicht direkt als typische Feldwerte interpretiert werden.“ Unter realen Bedingungen, so Marzo, erfolgt die Besiedlung langsamer und wird von Umweltfaktoren wie Bestrahlungsstärke, Luftfeuchtigkeit, Staubablagerung und Nährstoffverfügbarkeit beeinflusst.

Vielleicht noch besorgniserregender als die unmittelbaren Leistungsverluste ist die Entdeckung, dass herkömmliche Reinigungsmethoden möglicherweise gegen ausgereifte Biofilme unwirksam sind. Die Studie ergab, dass eine erhöhte EPS-Ablagerung den Zusammenhalt innerhalb der Biofilmstruktur verbessert und die Wirksamkeit von Standardreinigungstechniken wie Trockenbürsten und Spülen mit Wasser verringert.

„Mikroorganismen sind kein passiver Bestandteil der Verschmutzung, sondern aktive Wirkstoffe, die zur Festigung der Ablagerungen beitragen, die optische Durchlässigkeit verringern und die Wirksamkeit herkömmlicher Reinigungsmethoden verringern“, schreiben die Autoren.

Die Ergebnisse kommen zu einem kritischen Zeitpunkt für die globale Solarindustrie. Nach Angaben der Internationalen Energieagentur wird erwartet, dass die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien bis 2030 jährlich um etwa 1.050 Terawatt-stunden ansteigt, wobei Solarphotovoltaik jedes Jahr mehr als 600 Terawatt-stunden dieses Wachstums ausmacht. Allein im Jahr 2025 erreichte das Wachstum der weltweiten Stromerzeugung aus Solarphotovoltaik einen Rekordwert von 620 Terawatt-stunden, der größte jemals verzeichnete Anstieg im Vergleich zum Vorjahr.

Ein Großteil dieser Ausbreitung findet in Regionen mit hoher{0}}Einstrahlung statt, darunter auch in den Wüsten der Welt. Die Atacama-Wüste, in der diese Studie durchgeführt wurde, erhält jährlich etwa 6.800 Stunden äquivalente Sonneneinstrahlung, was sie zu einem der vielversprechendsten Standorte für die Entwicklung von Solarenergie auf der ganzen Erde macht -, aber auch zu einem der anspruchsvollsten in Bezug auf die Wartung der Solarmodule.

Das Forschungsteam betonte, dass seine Ergebnisse die dringende Notwendigkeit unterstreichen, biologische Faktoren in Modelle zur Verschmutzungsvorhersage und Strategien zur Eindämmung von Photovoltaiksystemen für Trockengebiete einzubeziehen. „Unsere Arbeit zeigt, dass mikrobielle Gemeinschaften, die aus Photovoltaikmodulen in der Atacama-Wüste isoliert wurden, eine hohe Toleranz gegenüber Austrocknung und extremer Bestrahlung aufweisen“, sagte MarzoPV-Magazin.

Gleichzeitig wird die Pigmentierung verstärktDietziaDie in der Studie identifizierten Stämme könnten unerwartete Möglichkeiten für technologische Innovationen eröffnen. „Diese Pigmente stellen potenzielle biotechnologische Anwendungen in Beschichtungen und Selbstreinigungstechnologien dar“, stellten die Autoren fest und deuteten an, dass die Organismen, die das Problem verursachen, auch bei der Entwicklung seiner Lösung eine Rolle spielen könnten.

Die Industrie bemüht sich bereits um die Bekämpfung mikrobieller Verschmutzung durch fortschrittliche Materialien. Das australische Nanotechnologieunternehmen Nanoveu hat beispielsweise eine hydrophile selbst{1}}reinigende Nano--Beschichtung entwickelt, die die Bildung von Biofilmen und das Algenwachstum auf Solarmodulen hemmen soll, während andere Forschungsgruppen superhydrophobe Beschichtungen erforschen, die sowohl selbstreinigende Eigenschaften als auch optische Transparenz bieten könnten.

Die Studie wurde von Forschern der Universität Granada in Spanien und der Universität Atacama in Chile durchgeführt. Die Ergebnisse sind in der Juli-Ausgabe 2025 von verfügbarFortschrittliche nachhaltige Systeme.