In einer Zeit, in der Lösungen für erneuerbare Energien für die Erfüllung globaler Klimaverpflichtungen immer wichtiger werden, hat sich ein Team peruanischer Forscher einer ungewöhnlichen Inspirationsquelle zugewandt: der alten japanischen Kunst des Papierfaltens. Ihre innovativen -Origami--inspirierten Photovoltaikmodule-versprechen, eine der hartnäckigsten Herausforderungen anzugehen, vor denen die Einführung von Solarenergie in industriellen Umgebungen steht: der schiere Platzbedarf für eine effektive Stromerzeugung.
Die im Februar 2025 in der MDPI-Zeitschrift Engineering Proceedings veröffentlichte Studie stellt eine Zusammenarbeit zwischen Dinamo Tecnologías SAC in Lima, der Pontificia Universidad Católica del Perú und der Technischen Universität Ilmenau in Deutschland dar. Das vom peruanischen ProInnovate-Innovationsstipendium finanzierte Projekt zeigt, wie das 1985 vom japanischen Astrophysiker Koryo Miura erfundene Miura--Ori-Faltmuster-angepasst werden kann, um Solarpaneele zu schaffen, die sich mit einer einzigen Bewegung falten lassen und so ihren Platzbedarf um bis zu 90 Prozent reduzieren.
Das Platzproblem in der industriellen Solarenergie
Die Grenzen herkömmlicher Solarmodule liegen darin, dass sie nur sehr wenig Energie pro Flächeneinheit produzieren. Das bedeutet, dass viel Platz benötigt wird, um eine erhebliche Menge an Leistung bereitzustellen. Für den Marine- und Bergbausektor ist dies ein ernstes Problem, da sie große Mengen an Energie benötigen und nicht immer genügend Platz für Solaranlagen zur Verfügung steht.
Herkömmliche Solarmodule sind außerdem sehr schwer und sperrig. Derzeit erfordert diese Technologie 25 kg eines 430-Wp-Panels mit einem Gewicht von mehr als zwei Quadratmetern. Das bedeutet, dass die Paneele aus Glas bestehen, was den Transport erschwert und sie sehr zerbrechlich macht. An abgelegenen Orten, an denen der Transport begrenzt ist, zwingen die Sperrigkeit, das Gewicht und die Zerbrechlichkeit herkömmlicher Solarmodule die Kunden dazu, stattdessen auf Dieselgeneratoren zurückzugreifen.
Der Marinesektor ist ein Beispiel für diese Herausforderung. Solarmodule müssen häufig von kleinen Booten -mit extrem begrenztem Platz- zu größeren Schiffen wie Schleppern transportiert werden. Platten, die größer als zwei Quadratmeter sind, können kaum transportiert werden, es sei denn, das Schiff liegt im Hafen. Doch größere Schiffe verfügen typischerweise über große freie Oberflächen, die während der Standby-Stunden ungenutzt bleiben -genau dann, wenn die Solarenergie den kostspieligen Treibstoffverbrauch ersetzen könnte.
Die Miura-Ori-Lösung
Das Miura-Ori-Muster, das durch Ziehen oder Drücken einer einzelnen diagonalen Linie von einer großen flachen Fläche auf eine extrem kompakte Größe gefaltet werden kann, hat bereits Anwendungen in Bereichen gefunden, die von kugelsicheren Polizeischilden bis hin zu einsetzbaren Solarpaneelen für Weltraummissionen reichen. Das peruanische Team adaptierte dieses Muster für den terrestrischen industriellen Einsatz und entwickelte Prototypen in einem iterativen Prozess, der mit Modellen aus Papier und Pappe begann, bevor es zur Integration von Solarzellen überging.
Die Grenzen herkömmlicher Solarmodule liegen darin, dass sie nur sehr wenig Energie pro Flächeneinheit produzieren. Das bedeutet, dass viel Platz benötigt wird, um eine erhebliche Menge an Leistung bereitzustellen. Für den Marine- und Bergbausektor ist dies ein ernstes Problem, da sie große Mengen an Energie benötigen und nicht immer genügend Platz für Solaranlagen zur Verfügung steht.
Herkömmliche Solarmodule sind außerdem sehr schwer und sperrig. Derzeit erfordert diese Technologie 25 kg eines 430-Wp-Panels mit einem Gewicht von mehr als zwei Quadratmetern. Das bedeutet, dass die Paneele aus Glas bestehen, was den Transport erschwert und sie sehr zerbrechlich macht. An abgelegenen Orten, an denen der Transport begrenzt ist, zwingen die Sperrigkeit, das Gewicht und die Zerbrechlichkeit herkömmlicher Solarmodule die Kunden dazu, stattdessen auf Dieselgeneratoren zurückzugreifen.
Technik für Langlebigkeit
Das Forschungsteam befasste sich mit drei kritischen Haltbarkeitsproblemen: kaputte Zellen durch wiederholtes Falten und Entfalten, reibungslose Faltflexibilität und kaputte elektrische Brücken entlang der Scharniere. Die elektrischen Verbindungen über Faltlinien hinweg sind besonders gefährdet, da sie großen Biegebelastungen durch zyklischen Gebrauch standhalten müssen.
Durch umfangreiche Tests von Sechs-Zellen-Prototypen mit unterschiedlichen Materialien und Schichtkonfigurationen stellten die Forscher fest, dass eine Gesamtdicke von 2,5 Millimetern ein optimales Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Flexibilität bietet. Sie stellten außerdem fest, dass für elektrische Brücken entlang von Scharnieren geflochtene Steckverbinder verwendet werden sollten, da diese nachweislich allen Biegebeanspruchungen standhalten, während bei Scharnierverbindungen auf Buslaschen verzichtet werden sollte.
Der Laminierungsprozess selbst erforderte Innovation. Das Team baute einen maßgeschneiderten Laminiertisch, der mit elektrischen Widerständen auf 150 Grad Celsius erhitzt wurde und Materialien im Vakuum versiegelte, um einen gleichmäßigen Druck zu gewährleisten und Lufteinschlüsse zu vermeiden. Im abschließenden Herstellungsprozess wird Ethylen-Tetrafluorethylen (ETFE) als äußere Schutzschicht verwendet-besonders wertvoll in aggressiven Meeres- und Bergbauumgebungen-mit mehreren Ethylen--Vinylacetat (EVA)-Schichten, die als Klebstoffe und Einkapselungsmittel für die Solarzellen dienen.
Echte-Weltvalidierung
Der wahre Test kam, als das Team Prototypen in Originalgröße-zur Installation auf ein Marineschiff transportierte. Der Vorteil des faltbaren Designs war sofort ersichtlich: Die Paneele konnten leicht von einer Person getragen, für den Transport im Auto zusammengeklappt und dann mit einem kleinen Boot zum größeren Schiff transportiert werden, ohne dass spezielle Ausrüstung erforderlich war.
An Bord wurden die Paneele auf einem einfachen, leichten Mechanismus montiert, der ein schnelles Zusammen- und Aufklappen ermöglicht und so den Platzbeschränkungen und Infrastrukturbeschränkungen des Schiffes entspricht. Die erste Validierungsphase mit zwei auf einem Versorgungsschiff installierten Panels zielt darauf ab, Einblicke in die Wirksamkeit des Einsatzmechanismus zu gewinnen und potenzielle Fertigungsverbesserungen zu identifizieren.
Anwendungen und Implikationen
Für Bergbaubetriebe-die typischerweise weit von Städten entfernt liegen und auf Dieselgeneratoren angewiesen sind-sind die Auswirkungen gleichermaßen erheblich. Mobile Einheiten in abgelegenen Bergbaustandorten könnten in Ruhezeiten faltbare Solarmodule einsetzen und so den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen reduzieren, ohne dass eine permanente Infrastruktur erforderlich wäre.
Das Forschungsteam stellt fest, dass eine weitere Validierung in verschiedenen Umgebungen erforderlich ist, insbesondere in Marineschiffen und mobilen Bergbaueinheiten. Die potenziellen Anwendungen gehen jedoch weit über diese anfänglichen Anwendungsfälle hinaus. Die leichte, kompakte und effiziente Beschaffenheit des Miura-Ori-Solarmoduls macht es zu einem idealen Kandidaten für abgelegene Standorte, Notsituationen und den Bedarf an tragbarer erneuerbarer Energie im Allgemeinen.
Ein breiterer Trend
Die in Peru hergestellte Kreation folgt dem globalen Trend zur Entwicklung flexibler Solartechnologien. Daten zeigen, dass der Weltmarkt für flexible Solarmodule voraussichtlich von 2,84 Millionen US-Dollar im Jahr 2025 auf 8,92 Millionen US-Dollar im Jahr 2033 wachsen wird, bei einer durchschnittlichen durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 15,3 %. Derzeit werden flexible Solarmodule häufig in Militärlagern, an Bord von Schiffen und bei Rettungseinsätzen eingesetzt, wo selbst die Installationskosten im Vergleich zu den Installationskosten von kristallinen Solarmodulen günstiger sind.
Wie das Forschungsteam feststellt, ist die Entwicklung des ersten Prototyps des Miura-Ori-Solarmoduls ein großer Fortschritt in der Branche der erneuerbaren Energien. Das innovative Design des Solarpanels kombiniert die Prinzipien des Origami mit Solartechnologie, was für tragbare Solarstromsysteme vielversprechend ist. Die Technologie, ein Solarpanel wie ein Stück Papier zu falten, kann die Situation sowohl in der peruanischen Marine und im Bergbausektor als auch im Falle einer Fernstromversorgung auf globaler Ebene wirklich verändern.
