Die Solare Revolution

Die Geschichte der Menschheit lässt sich auch als eine der Energieträger beschreiben. Nun, da sich die bisherigen Energieträger verknappen, steht der Wechsel zum ultimativen Energieträger an: der Sonnenenergie.

Der einzige Fusionsreaktor, den wir anzuzapfen brauchen
Der einzige Fusionsreaktor, den wir anzuzapfen brauchen
Alle Lebewesen brauchen Energie. In letzter Konsequenz dient diese dazu, die körpereigene „Ordnung“, also etwa eine ganz bestimmte Andordnung von Molekülen im Erbgut (die DNA) und – etwas weniger streng – die allgemeinen Bedingungen im Körperinneren in einer Weise aufrecht zu erhalten, die das Fortbestehen des Lebewesens ermöglicht. Was ohne Energiezufuhr passieren würde, sieht man nach dem Tod: innert kurzer Zeit zersetzt sich der Körper des Lebewesens und löst sich in seine Bestandteile auf.

Praktisch alle verwertbare Energie auf der Erdoberfläche stammt ihrerseits letztlich von der Sonne, beziehungsweise aus der Energie, welche die Verschmelzung von Protonen zu Helium-Atomkernen im Zentrum der Sonne freisetzt. Die Sonne treibt die Kreisläufe der Erde an, liefert Energie für die Photosynthese, bei der die Energie der Sonne chemisch gespeichert und zum späteren Gebrauch aufbewahrt wird. Das Verbrennen von Holz, Kohle oder Öl ist letztlich nichts anderes als das Freisetzen gespeicherter Sonnenenergie (was letztlich nur zeigt, dass „Sonnenenergie“ kein allgemeingültiges Kriterium für Umweltverträglichkeit oder Bedenkenlosigkeit ist). Auch die Energie, die in den Wasserkreisläufen steckt, in verschiedenen Formen des Niederschlags, aber auch im Wind – letztlich ist dafür die Sonne verantwortlich. Ohne Sonne wäre die Erdoberfläche kalt und tot wie der Mond.

Es gibt zu dieser überwältigenden Dominanz der Sonnenenergie nur ganz wenige Ausnahmen: einige Bakterien ernähren sich von chemischen Stoffen, die aus dem Erdinneren ausgasen und die ihrerseits in der protosolaren Molekülwolke, aus dem die Sonne und das Sonnensystem mit seinen Planeten entstanden ist, gebildet wurden. Die im Innern der Erde gefangene Wärme stammt einerseits letztlich aus Kollisionsenergie in der Frühzeit des Sonnensystems und andererseits aus dem Zerfall radioaktiver Elemente, die in früheren Sterngenerationen erzeugt wurden. Zusammen machen diese Energieformen aber nur einen winzigen Bruchteil aller verbrauchten Energie auf der Erdoberfläche aus.

Als sich die Menschheit entwickelte, tat sie praktisch nie etwas anderes, als die Energie der Sonne zu nutzen. Wo immer Energie benötigt wurde, man gewann sie indirekt über die Sonne: Holz zum Feuermachen, Wasserkraft für Aquädukte (welche das natürliche Gefälle ausnützen, welches seinerseits letztlich durch Sonenenergie erzeugt wurde), Nahrung für Zug- und Arbeitstiere. Später Kohle und Erdöl, deren Verbrennung eigentlich nur deshalb ein Problem darstellt, weil das Verbrennungsprodukt ein Treibhausgas ist, welches in der Stabilisierung des Erdklimas eine wichtige Rolle spielt. Da es sehr viel dieses Erdöls gibt und dieses eine – im Vergleich zu anderen Energieträgern wie etwa Holz – hohe Energiedichte besitzt, hat die Nutzung des Erdöls dazu geführt, dass heute einem einzelnen Menschen im Prinzip Energiemengen zur Verfügung stehen, mit denen man früher ein kleines Fürstentum hätte betreiben können. Es gab (und gibt, vorerst, immer noch) so viel Erdöl, dass man bis vor ein paar Jahrzehnten den Eindruck hatte, dieser Vorrat würde für immer anhalten und nie zur Neige gehen, ganz egal, wieviel man davon brauchen würde. Die Menschheit hat auf dieses Angebot auf die Weise geantwortet, die in der Natur üblich ist: mit explosionsartigem Wachstum.

Nun, wo diese fossilen Rohstoffe eben doch langsam zur Neige gehen, stellt sich die Frage, wie die auf bald sieben Milliarden Individuen angewachsene Menschheit künftig ihre Energiebedürfnisse befriedigen soll. 6000 Watt braucht ein Mensch der westlichen Welt im Durchschnitt (alles inklusive), rund 2000 Watt brauchen alle Menschen der Erde durchschnittlich. Woher soll man diese konstante Leistung von über einem Terawatt holen, wenn das Erdöl mal wegfällt?

Grundsätzlich gibt es zwei Optionen. Erstens die Kernenerige, sowohl Fusion als auch Fission (Spaltung). Für die Spaltung bietet sich neben Uran auch Thorium an, dessen Nutzung viele Vorteile hätte. Radioaktiver Abfall besteht zum grössten Teil aus spaltbarem Material, das man weiter nützen könnte, wenn die Kernkraftwerke entsprechend gebaut wären. Mit solchen Methoden liessen sich die Vorräte von spaltbarem Material auf einige tausend Jahre – bei gegenwärtigem Gebrauch! – strecken. Nimmt man ein kontinuierliches Wachstum der Weltwirtschaft von etwa 4% pro Jahr (wie bis anhin) an, dann liegen damit immerhin noch gut hundert Jahre drin. Bei der Kernfusion kommt es darauf an, mit welchen Brennstoffen diese betrieben wird. Mit Deuterium und Tritium, welche aus Wasser und dem leichten Element Lithium gewonnen werden, wie mit ITER geplant, kommt man zwar recht weit, aber die Energieproduktion ist damit insgesamt aufwändig und ineffizient. Alternative Fusionskonzepte, deren kommerzielle Anwendung noch demonstiert werden muss, arbeiten zum Teil nur mit Deuterium, oder einem Deuterium-Helium-3-Gemisch, oder gar einem Bor-Wasserstoff-Gemisch. Bis auf Helium-3 sind alle Stoffe auf der Erde recht häufig, so dass es schwierig ist, die „strategische Reichweite“ dafür zu berechnen. Helium-3 findet sich seinerseits im Mondstaub und in den Atmosphären von Gasriesen.

Die Kernenergie, die erste der beiden Optionen für die Sicherstellung der Energieversorgung der Menschheit, basiert im Gegensatz zu allen bisherigen Energieträgern der Menschheit nicht auf der Sonne (aber natürlich auf denselben Prinzipien, auf denen schon die Sonne ihre Energie erzeugt). Die andere Option ist die solare Revolution, von der im Titel die Rede ist.

Ausserhalb der Erdatmosphäre strahlt die Sonne auf jeden ihr zugewandten Quadratmeter rund 1367 Watt Leistung ein. Das heisst, ein Mensch aus der westlichen Welt könnte seinen ganzen Energiebedarf decken, wenn er dort oben rund 4.5 Quadratmeter abdecken und alle darauf eingestrahlte Energie in nutzbare Energie umwandeln könnte. Bei Solarzellen gelten theoretische Obergrenzen von gegen 70%, womit man sich mit rund 6.5 Quadratmetern zufrieden geben könnte. Der Einfachheit halber sagen wir, 10 Quadratmeter pro Mensch, und das auf dem Energieverbrauchs-Standard der westlichen Welt. Wollten wir alle Menschen weltweit (sagen wir, 10 Milliarden Menschen) auf diesem Standard halten, wäre eine Fläche von 100’000 Quadratkilometern (über der Atmosphäre, wohlgemerkt) ausreichend. Alternativ könnten Solarzellen auf der Erdoberfläche gebaut werden, allerdings mit etwas grösserem Platzbedarf, da ein Teil des Sonnenlichts hier bereits reflektiert und absorbiert wurde. Das klingt jetzt zunächst nach viel, doch wenn man sich im Vergleich dazu die Investitionen in die Energiewirtschaft ansieht, ist das nicht so extrem abwegig. Eine mittlere Stadt mit 100000 Einwohnern würde im All gerade mal eine Fläche von einem Quadratkilometer benötigen. Befindet sich die Solarzellenanlage in einer Erdumlaufbahn, fällt der Schatten der Anlage in regelmässigen Abständen auch auf die Erdoberfläche und vermindert so die Erderwärmung zumindst um einen sehr kleinen Betrag.

Zurzeit wird die eigentliche Revolution noch vorbereitet. Noch sind Solarzellen teurer als subventionierter Atomstrom. Noch sind sie noch nicht so effizient wie oben beschrieben. Doch überall gibt es Fortschritte und werden Durchbrüche gemeldet. Die erste Solarzelle auf Polymerbasis. Die ersten kommerziellen Solarzellen mit einem Wirkungsgrad um die 30%. Nanodrähte, welche Abwärme direkt in Elektrizität umwandeln können und den Wirkungsgrad weiter steigern, möglicherweise bis auf 90%. Extrem günstige Solarzellen, die sich aufsprayen oder „drucken“ lassen (dafür etwas weniger effizient sind). Wenn all diese Entwicklungen weiterlaufen, wird am Ende eine günstige, effiziente und emissionsarme Solarzelle auf dem Markt zu kaufen sein, die Strom zu einem konkurrenzlos billigen Preis liefert. Man wird Mittel und Wege finden, Solarstrom von der Erdoberfläche tagsüber zu speichern und in der Nacht abzugeben (etwa über Dampf). Solarsatelliten werden bei jedem Umlauf ihre gespeicherte Energie mit Mikrowellen zu Empfangsstationen hinunterstrahlen (ein Testlauf dieses Verfahrens ist demnächst in Japan geplant).

Die direkte Nutzung des Sonnenlichts (durch Umwandlung in die „Energie-Währung“ Elektrizität) ist nur der konsequente Fortschritt auf dem Pfad, den die Menschheit schon seit Jahrtausenden begeht: die Nutzung der Sonnenenergie. Bisher wurden die Sonnenenergie einfach über Zwischenprodukte wie Holz, Kohle oder Erdöl gebraucht, nun aber werden diese Zwischenschritte (welche der Effizienz der gesamten Enerigeausbeute letztlich abträglich sind) umgangen und die Sonnenenergie „direkt“ angezapft. Die Menschheit tut nichts anderes als das, was sie bisher immer getan hat, wenn ihre zentrale Energiequelle zur Neige gegangen ist oder den Ansprüchen nicht mehr genügte: sie steigt auf die nächstbessere um. Falls der Durchbruch in der Kernfusion ausbleibt (oder sich diese Energie nur vergleichsweise ineffizient und teuer produzieren lässt, so dass ihr Einsatzgebiet auf Spezialbereiche wie etwa die Raumfahrt beschränkt bleibt), wird die Menschheit keine andere Wahl haben, als die Sonnenenergie direkter zu nutzen (und damit letztlich den einzigen natürlichen Kernreaktor im Sonnensystem anzuzapfen) oder aber ihren pro-Kopf-Energieverbrauch drastisch zurückzuschrauben.

Angesichts der schnellen Entwicklung auf dem Bereich der Photovoltaik (Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität) bin ich deshalb zuversichtlich, dass wir in den nächsten Jahren, maximal Jahrzehnten eine günstige, erneuerbare und allgegenwärtige Energiequelle zur Hand haben werden.

Nachtrag: Aktuelle Meldung über einen Durchbruch in der Solarenergietechnik

7 Kommentare

  1. Vielleicht wird auch zur Nahrngsversorgung die Sonne benuzt,
    in dem zunächst aus Co2 und Wasser eine Rohchemikalie(Formaldehyd oder Glycerin o.ä.)hergesellt wird,
    die mit anderen Elementen in eine Lölsung gegeben wird, in der dann Bakterien alle lebenswichtigen Stoffe erzeugen.

    Wäre pro Fläche effektiver als Landwirtschaft, und die Erfahrungen könnten wir in der Raumfahrt anwenden.
    Allerdings ist es schon jetzt eine Gefahr, dass der Energiefluss durch immer weniger diverse Organismen läuft.
    Vielleicht erleben wir das Ende der Ökologie und werden völlig abhängig von der Technik, wie in Stephen Baxters Buch
    \“Exultant\“dt.\“sternenkinder\“.

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