Innovative Klebebandlösungen wie von einem anderen Planeten: ETFE & FEP
Dieses Jahr feiert Saint Gobain® seinen 360. Geburtstag. Dieses Jubiläum spiegelt 360 Jahre Leidenschaft, Zusammenarbeit, Erfolg in der Fertigung, Innovation und zukunftsorientierte Lösungen wider.
Wenn wir darüber nachdenken, haben wir alle einen weiten Weg zurückgelegt.
Vor 360 Jahren existierte Technologie, wie wir sie heute kennen, nicht. Sie war vielleicht eine Vorstellung in jemandes Fantasie oder eine weit hergeholte Geschichte, aber die Realität schien undurchführbar. Doch die Zeit macht alles möglich.
Springen wir von 1665 direkt ins Jahr 1885. In diesem Jahr erfand der deutsche Ingenieur Karl Benz das erste dreirädrige Motorfahrzeug. Nun springen wir weiter zu 1903. Dies war das Jahr, in dem die Gebrüder Wright, Orville und Wilbur, das erste Flugzeug entwickelten. Weiter zu 1969.
In diesem Jahr landete Apollo 11, eine Mission der US‑Weltraumbehörde NASA, erstmals Menschen auf dem Mond. Und schließlich erreichen wir das Jahr 2025.
Heute sind mehr als 80 Länder im Weltraum aktiv, wobei die USA, China und Russland eine führende Rolle einnehmen.
Die Erforschung des Weltraums ist kein Traum mehr. Sie ist eine kraftvolle Realität. Sie wird zunehmend wichtiger für internationale Beziehungen und steht im Mittelpunkt von Kommunikation, Wirtschaft und militärischen Strategien. Viele der Technologien, auf die wir angewiesen sind, wie GPS, Wettervorhersagen, Überwachung und mehr, basieren auf Daten, die von Satelliten im Weltraum gesammelt werden. Während Wissenschaftler nach neuen Ressourcen und Möglichkeiten im Weltraum suchen, werden täglich Entdeckungen gemacht, darunter das Auffinden seltener Metalle und Wasser. In allen globalen Medien hören wir Geschichten über eine mögliche bemannte Mission zum Mars.
Was ist die Moral dieser Geschichte? Die weisen Worte von Henry Ford fassen es zusammen: „Wenn alle vorwärts gehen, erledigt sich der Erfolg von selbst.“
Wir haben uns mit Richard Austin, Global Market Manager, zusammengetan, um zu erforschen, wie Materialien wie ETFE (Ethylen-Tetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen) und Silikon hinter den Kulissen dazu beitragen, Erfolg in einigen weltraumkritischen Anwendungen zu erzielen.
Da die globale Raumfahrtwirtschaft immer schneller wächst, werden Fortschritte in der Solartechnologie wichtiger denn je. Solarenergie kann eine entscheidende Rolle bei der Deckung des Energiebedarfs von Satelliten, Raumfahrt, militärischen Technologien und mehr spielen.
Durch eine einzigartige Kombination aus Effizienz, Flexibilität und Widerstandsfähigkeit sind Materialien wie ETFE und FEP dafür prädestiniert, die Effizienz, Haltbarkeit und Anpassungsfähigkeit von Solarzellen erheblich zu verbessern. Darüber hinaus können Silikone in Kombination mit ETFE und FEP verwendet werden, um diese Materialien an flexible Solarzellen zu binden, und zeigen dabei hervorragende Leistungen in Raumfahrtanwendungen.
Das Konzept der Nutzung von Solarzellen im Weltraum ist keineswegs neu. Zwischen 1957 und 1958 begannen sowohl die Sowjetunion als auch die USA mit dem, was wir heute als „Weltraumrennen“ bezeichnen, durch den Start des russischen Sputnik-Satelliten im Jahr 1957, gefolgt vom US-Satelliten Explorer 1 ein Jahr später. Da diese Satelliten ausschließlich mit Batteriestrom betrieben wurden, versagten sie bereits nach wenigen Wochen. Dies veranlasste die USA, kurz darauf die Vanguard 1 zu starten, das erste solarbetriebene Raumfahrzeug. Durch die Nutzung der Energie der Sonne war die Vanguard in der Lage, Daten bis zu sechs Jahre lang zu übertragen.
Heute beschleunigt sich die Weltraumwirtschaft weiterhin, und Prognosen schätzen einen globalen Marktwert von 1,8 Billionen US-Dollar bis 2035.
Ebenso entwickelt sich die Solartechnologie rasant weiter. Getrieben durch die Nachfrage nach flexiblen, langlebigen und anpassungsfähigen Energielösungen sind moderne Solarzellen wie Global Gallium Arsenid (GaAS), Cadmium Tellurid (CdTe), Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) und amorphes Silizium (a-Si) in der Luft- und Raumfahrt sowie in militärischen Anwendungen stark gefragt. Darüber hinaus stehen aufstrebende Solarzellentechnologien wie Kupfer-Zink-Zinn-Sulfid (CZTS), Perowskit-Solarzellen (PSCs), organische Solarzellen (OSCs) und Farbstoff-sensibilisierte Solarzellen (DSSCs) ebenfalls bereit, um Effizienz und Leistung in Satelliten, Verteidigung, Unterhaltungselektronik und anderen weltraumbezogenen Anwendungen zu steigern.
Aufgrund dieser Fortschritte wird erwartet, dass der globale Markt für flexible Solarzellen während des prognostizierten Zeitraums von 2025–2034 mit einer jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 25,65 % wachsen wird.
Heute werden GaAs-Zellen möglicherweise am häufigsten in Raumfahrzeugen und Satelliten-Stromversorgungssystemen eingesetzt, da sie strahlungsresistent und hocheffizient sind.
Was genau sind GaAs-Solarzellen?
GaAs-Solarzellen bestehen aus Gallium (Ga) und Arsenid (As) und gehören zu den effizientesten Solarzellen — sie erzeugen mehr Energie pro Flächeneinheit als andere Arten von Solarzellen. Mit einer höheren Umwandlungseffizienz können GaAs-Solarzellen mehr Strom pro Flächeneinheit des absorbierten Sonnenlichts erzeugen.
GaAs-Solarzellen stellen einen bedeutenden Fortschritt in der Photovoltaik-Technologie dar — sie sind leicht, langlebig und anpassungsfähig an verschiedene Oberflächen, einschließlich gekrümmter und unregelmäßiger Formen. Aufgrund dieser Eigenschaften, ihrer breiten spektralen Abdeckung, ihrer Fähigkeit, bei extremen Temperaturbereichen zu arbeiten, und ihrer Strahlungsresistenz werden diese Zellen am häufigsten in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt. Zum Beispiel:
- Zuverlässigkeit und hohe Leistungsabgabe unter anspruchsvollen Bedingungen machen sie ideal für den Einsatz in Erdbeobachtungs- oder Kommunikationssatelliten;
- Temperaturtoleranz ermöglicht den Einsatz in Raumsonden bei Missionen zu Planeten mit extremen Umweltbedingungen, wie Venus;
- Leichtgewicht und Effizienzvorteile erlauben den Einsatz in UAVs (unbemannten Luftfahrzeugen).
Wie bereits hervorgehoben, gibt es neben GaAS-Solarzellen viele andere weit verbreitete Technologien für flexible Solarzellen (a-Si, CIGS, CdTe und aufstrebende Technologien wie CZTS, PSCs, OSCs, DSSCs).
Im Gegensatz zu herkömmlichen Solarmodulen, die aufgrund ihrer Herstellung aus Glas und Metall starr sind, sind flexible Solarmodule speziell dafür konzipiert, leicht, biegsam und an verschiedene Oberflächen anpassbar zu sein. Flexible Solarzellen sind etwa 20% leichter als andere Module. Sie werden aus dünnen, leichten und dennoch langlebigen Materialien hergestellt. Wenn Haltbarkeit, Leichtbauweise und Materialbeständigkeit für Satelliten-Energiesysteme entscheidend sind, können ETFE (Ethylen-Tetrafluorethylen) und FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen) wichtige Überlegungen sein, da sie Strahlung standhalten, atomarem Sauerstoff widerstehen, Temperaturschwankungen und extreme Witterungsbedingungen aushalten können.
Schauen wir uns das etwas genauer an.
Es wurde nachgewiesen, dass FEP unter den rauen Bedingungen der erdnahen Umlaufbahn mit minimaler Degradation zwischen 3,6 und 5,8 Jahre im Weltraum hält. Aus diesem Grund ist es eine bevorzugte Option für Anwendungen wie das Hubble-Weltraumteleskop. Sowohl FEP als auch ETFE können die Effizienz von Solarzellen durch ihre einzigartigen Eigenschaften wie Transparenz steigern, die eine maximale Lichtdurchlässigkeit zu den Photovoltaikzellenschichten ermöglicht. Durch maximale Lichtdurchlässigkeit können diese Materialien dazu beitragen, dass mehr Licht die Zelle erreicht, um die Energiegewinnung aus einem breiteren Spektrum von Wellenlängen zu erhöhen – eine entscheidende Leistungskapazität für die Energieversorgung der wachsenden Konstellation von Satelliten und anderen Weltraumsystemen in der Umlaufbahn.
In ihrer matten Form können diese Materialien auch Infrarotstrahlung reflektieren. Dies ermöglicht es den Zellen, die Wärmeisolierung aufrechtzuerhalten und hitzebedingte Degradation zu verhindern, um eine optimale Funktion sicherzustellen. Ein weiterer bedeutender Vorteil liegt in den selbstreinigenden Eigenschaften von ETFE und FEP. Die Materialien sind resistent gegen die Ansammlung von Schmutz und Staub, die ansonsten die Leistung von Solarzellen verringern könnten. Für Weltraummissionen, die Jahre oder Jahrzehnte dauern können (wie Satelliten in der Umlaufbahn oder Tiefenraumerkundungen), ist dies entscheidend, um kostspielige und schwierige Wartungsarbeiten zu reduzieren und während ihrer gesamten Betriebsdauer effizient zu bleiben. Anwendungen von ETFE und FEP in Solarzellen konnten auch die Barriereeigenschaften von Front- und Rückseiten-Solarzellen verbessern und helfen, UV-Wellenlängen zu filtern, die flexible Solarzellen bekanntermaßen degradieren. Forschung und Entwicklung zeigen, dass die Implementierung dieser Materialtechnologien in das Design moderner Solarzellen die Lebensdauer von 10 Jahren auf etwa 20 Jahre verlängern kann.
Nun, wie sieht es mit Silikonen aus?
Manchmal können Silikone als Bindungsschicht für ETFE- und FEP-Anwendungen dienen. Sie sind eine äußerst effektive Kombination mit ETFE, da weder FEP- noch Silikonmaterialien im Laufe der Zeit vergilben. Darüber hinaus können Silikone speziell hergestellt werden, um geringe Ausgasungseigenschaften zu besitzen und hervorragende Beständigkeit gegen Witterungseinflüsse und Strahlung zu bieten.
Während sich flexible Solarzellentechnologien weiterentwickeln, werden Materialien wie ETFE, FEP und Silikone entscheidend sein, um Effizienz, Haltbarkeit und Leistung in platzkritischen Anwendungen zu verbessern. Diese Polymermaterialien sind alle leicht, strahlungsresistent und in der Lage, extremen Temperaturumgebungen standzuhalten. Diese Eigenschaften sind für Solarzellen, die in Satelliten und anderen äußerst anspruchsvollen Umgebungen eingesetzt werden, von entscheidender Bedeutung.
Da die Energiebranche weiterhin nach nachhaltigeren und effizienteren Energiequellen strebt, können Partnerschaften zwischen Materiallieferanten und Kunden dazu beitragen, das volle Potenzial flexibler Solarzellentechnologien auszuschöpfen.
Maßgeschneiderte Lösungen, Zusammenarbeit und gemeinsame Entwicklung werden eine grundlegende Rolle bei der Erprobung neuer innovativer Lösungen spielen, wie beispielsweise praktikabler Alternativen zu PFAS-Materialien, die in ihrer Haltbarkeit für Raumfahrtanwendungen weiterhin unübertroffen sind.
Das Tape Solutions-Team, unterstützt durch globale Ressourcen, kann Ihnen helfen, voranzukommen und zukunftsorientierte Lösungen zu finden, gemeinsam zu entwickeln oder anzupassen, um Ihnen zu helfen, nach den Sternen zu greifen und die nächste Erfolgsebene zu erreichen. Verbinden Sie sich mit unserem Team, um Energielösungen bis ins Unendliche und darüber hinaus voranzutreiben.