Side 6

n KEMITEKNIK Malingsteknologi til undervandssolceller Solceller fungerer under vand, men uden beskyttelse gror panelerne til. Kan man designe en maling, som lader sollys passere, samtidig med at den holder sig fri for alger og rurer? Af Søren Kiil, Narayanan Rajagopalan og Claus E. Weinell, The Hempel Foundation Coatings Science and Technology Center (CoaST), DTU Kemiteknik Undervandsdroner, alt efter typen, opererer i kortere eller længere tid i verdenshavene. Anvendelserne spænder fra udforskning af havbunden (inklu- siv geopolitiske formål for eksempel i Arktis), over foranstaltninger mod miner til overvågning og inspektioner. Frem- driftssystemet, sensorer og kameraer er drevet af batterier, som lades op, når dronen lægger sig i overfladen med et el - ler flere solpaneler vendt mod lyset. Den optiske effektivitet er imidlertid svær at opretholde over en længere periode, fordi alger, bakterier, rurer og tang vokser ind på panelerne. På samme måde er planer om elektrisk udstyr og solcelleparker under vand, det såkaldte Internet of Underwater Things , afhængige af begro- ningshæmmende foranstaltninger [1]. En fordel ved undervandssolceller er, at de holdes nedkølede ved en stabil temperatur og opnår højere effektivi - tet end ved en landplacering. Desuden undgår man støv og ekskrementer på panelerne; at optage landbrugs- eller rekreative arealer, og at bygninger eller beplantning skygger for sollyset. Til gengæld er de sværere at komme til, skal kunne holde til stærk havstrøm, og altså være begroningsfri. Solceller til brug under havoverfladen er en lidt anderledes teknologi end dem på land, fordi man kun udnytter synligt lys, da ultraviolet og infrarød stråling henholdsvis spredes og absorberes af vand. Under meget klare forhold kan solceller fungere ned til 30 meter, men mere normalt vil det være at placere dem 20-50 centimeter under vandover- fladen [2]. Solpaneler kan også place - res på flydende platforme, der følger bølgernes bevægelser, men også her, i ”splash-zonen”, kan begroning være et problem [3]. I 2030 forventes den globale installerede kapacitet af flydende solceller på havet i øvrigt at stige fra de nuværende 4.000 til 30.000 MW [3], og panelerne placeres for eksempel på den (delvis) frie plads mellem havvindmøl- ler, så vind og sol kan få gavn af den samme offshore infrastruktur. I et projekt finansieret af The Office of Naval Research, under den amerikanske flåde, har vi designet, formuleret og testet en lysgennemtrængelig, selvpole- rende antifoulingmaling til undervands- solceller. Indeværende artikel gengiver de vigtigste resultater, mens detaljer kan findes i Rajagopalan og Kiil [4]. Selvpolerende bundmaling Omkring 90 procent af den kommer - cielle skibsfart anvender kemisk aktive bundmalinger (antifoulingmalinger), som er komplekse produkter, der består af pigmenter, bindere, fyldstoffer og ad - ditiver. Binderfasen er en reaktiv poly- mer, der i kombination med et eller flere vandopløselige pigmenter får malingen til at polere i havvand, og der etableres et pigmentudludet lag på måske 10 µm som vist i figur 1. Da opløseligt Cu 2 O-pigment (bio - cid) er kraftigt lysabsorberende og det udludede lag og ZnO-partikler spreder sollyset, er malingen heldækkende, så Figur 1. Tværsnit af selvpolerende bundmaling. Yderst, mod havvandet, dannes et po- røst, pigmentudludet lag. Modificeret og gengivet fra [4] med tilladelse fra Elsevier. Krav til maling Lav lysspredning og reflektion Lav grad af absorption af sollys Hurtigpolerende maling Høj begroningsmodstand Lang levetid af maling Lang transmissionsvej for fotoner Tilgang d p << 400 nm og lav partikelkoncentration d p >> 10 nm og lav partikelkoncentration d p << 100 nm og passende binder (blanding) Høj partikelkoncentration Høj filmtykkelse En vis grad af uklarhed i malingen Tabel 1. Kvalitative betragtninger for en selvpolerende antifoulingmaling til undervands- solceller baseret på opløselige pigmentpartikler. De 400 nm er den nedre grænse for synligt lys og d p henviser til diameteren af Cu 2 O og/eller ZnO-partikler (biocider). 6 Dansk Kemi, 106, nr. 1, 2025 -

Side 7

KEMITEKNIK n Figur 2. Modelsimuleringer af effekten af partikelstørrelsen af Cu 2 O på poleringshastighed og tykkelsen af det pigmentudludede lag ved 25 ° C. Oversat til dansk fra Kiil et al. [5] med tilladelse fra Elsevier. hvordan gør man den gennemtrængelig for sollys? Tabel 1 viser udfordringen. Meget små partikler af Cu 2 O (og ZnO) reducerer lysspred - ning og refleksion, men øger lysabsorptionen. På samme måde vil en lav partikelkoncentration og filmtykkelse være godt for lysgennemtrængeligheden, men umiddelbart være uhensigts- mæssigt for malingens effekt mod begroning og dens levetid. Derudover vil en vis grad af uklarhed i malingen, der skaber en længere transmissionsvej for fotoner, faktisk øge effektivite - ten af solcellerne. Spørgsmålet melder sig: Kan egenskaberne balanceres, så man opnår en effektiv solcellemaling? Nanoteknologi i malingsbøtten Vores malingsidé udspringer af en mere end 20 år gammel simuleringsartikel, der forudsagde, at det udludede lag af en selvpolerende antifoulingmaling ville forsvinde og polerings- hastigheden blive kraftigt forøget, hvis diameteren af Cu 2 O- pigmentet i malingen blev reduceret til nanostørrelse (figur 2). Resultatet skyldes, at nanopigmenter, når de opløses, efterla- der et meget stort overfladeareal per volumen i det porøse udlu - dede lag, som øger binderens mulighed for at reagere hurtigt med havvandet [5]. Nanopartikler af Cu 2 O og ZnO (16-18 nm) kan købes på nettet og med et ultralydsapparat dispergeres i malingen. Partiklerne koster (i små mængder) 20 gange så meget som ”almindelig” Cu 2 O med partikelstørrelser i mikrometerområ - det, til gengæld (viste det sig) skal der bruges meget lidt stof (<0,1 vol.%) i malingen. For at booste antibegroningseffekten tilsættes også et transparent organisk biocid. Alle ingredienser er således kommercielt tilgængelige, og vores teknologi består i at kombinere dem på den rette måde. Virker solcellemalingen mod begroning? For at vurdere solcellemalingen eksponerede vi den på vores teststation i Hundested Havn (se figur 3). For detaljer om indret - ningen og mulighederne, se tidligere Dansk Kemi-artikel [6]. I figur 4 på side 8 ses resultatet af eksponeringstests med malinger, hvor vi har anvendt den ”almindelige” Cu 2 O og ZnO (partikelstørrelser i mikrometerområdet). Allerede efter to uger er panelerne i den øverste række begroet, mens det samme er sket efter seks uger i den nederste række. Til sammenligning, vist i figur 5, side 8, giver maling med nanopartiklerne bedre resultater. Nederste række viser en maling baseret på et bindermiks af Si-akrylat og harpiks, som sikrer tre måneders begroningsfri maling. Oceangående skibe er normalt malet med malinger, der giver 3-5 års tørdok-inter- val, så tre måneder kan lyde som kort levetid, men der findes ingen solcellemalinger på markedet, som kan fungere uden regelmæssig mekanisk afrensning af begroning. Hvordan virker malingen? På trods af det meget lave indhold (<0,1 vol.%) har nano- partiklerne en vigtig funktion i malingen. Diameteren er så lille, at antallet af partikler bliver tilsvarende højt, og det betyder, at afstanden mellem partiklerne er omkring fire gange mindre end i konventionelle antifoulingmalinger med 10 vol.% Cu 2 O. Vi forestiller os, at alger og bakterier ”mær - ker”, at overfladen er tæt besat med kobber, selvom de enkelte partikler næsten er punktformige. Med andre ord opleves overfladen omtrent som en ren Cu 2 O-overflade, der er yderst virksom mod begroning, fordi pigmentet langsomt opløses og frigiver Cu 2+ . Kan de bemalede solceller producere energi? Virkningsgraden af vores solcellemaling, efter statisk ekspo- nering i vandet ud for Floridas kyst, blev testet af The Office of Naval Research og deres samarbejdspartnere ved Florida Insti- tute of Technology. Figur 6, side 8, viser data over en periode på mere end tre måneder, hvor malingen holdt begroning væk Figur 3. Malingsteststation i Hundested Havn med plads til 4.500 neddyp- pede, statiske pane- ler og otte roterende cylindere (venstre foto). Til højre ses en ramme, inden neddypning, med transparente polykarbo- natsubstrater bemalet med transparente solcel- lemalinger. Foto til højre er gengivet fra [4] med tilladelse fra Elsevier og fotografen er Narayanan Rajagopalan. Venstre foto er taget af tidligere ansat i CoaST, Torben Rasmussen. - Dansk Kemi, 106, nr. 1, 2025 7

    ...