Feuer aus der Sonne

Japanische Forscher wollen Magnesium als saubere, erneuerbare Energiequelle nutzen. Das Metall habe vor allem deshalb ein großes Potenzial als Energieträger, weil seine Energiedichte rund zehn Mal höher sei als die von Wasserstoff, erläutert Takashi Yabe, Professor für Maschinenbau am Tokyo Institute of Technology (TIT): Mit nur 29,3 Kiloramm Magnesium könne man ein Auto beispielsweise 500 Kilometer weit fahren lassen. Das Material komme zudem sehr häufig vor – in jedem Liter Meerwasser steckten 1,3 Gramm, in allen Ozeanen der Erde seien es Billionen Tonnen.

Bei der Reaktion von Magnesium mit Wasserdampf entsteht nicht nur Wärme in beträchtlichem Ausmaß, sondern auch Wasserstoff, der beispielsweise in Brennstoffzellen genutzt werden kann. Das Magnesiumoxid, das bei der Reaktion entsteht, kann zurück in Magnesium umgewandelt werden. Das Problem ist allerdings: Genau diese Reaktion braucht enorm hohe Temperaturen – etwa 4000 Kelvin (3726 Grad Celsius). Bereits vor zwei Jahren haben sich die Japaner deshalb zur Initiative Entropia Laser zusammengeschlossen. Ihr Ziel ist unter anderem ein Laser, der von Sonnenenergie getrieben, genügend Energie bereitstellt, um das Magnesiumoxid wieder aufzubereiten.

Das klingt futuristisch, aber im Grunde genommen ist es eigentlich ziemlich egal, welche Pumpquelle man für Laser verwendet. Bestrahlt man Materie mit Licht der richtigen Wellenlänge – ganz gleich aus welcher Quelle –, "wechselwirken" beide miteinander: Die Materie schluckt Photonen und wird mit Hilfe dieser Energie in einen so genannten angeregten Zustand versetzt. Nach einiger Zeit zerfällt dieser angeregte Zustand jedoch wieder – die Materie sendet dabei wieder ein Photon aus. Albert Einstein hat in den Neunzehnhundertzwanziger Jahren jedoch noch einen weiteren Prozess entdeckt, die so genannte stimulierte Emission: Wenn ein Photon auf ein bereits angeregtes Atom trifft, kann es dieses angeregte Atom gewissermaßen aus seinem Zustand herausstoßen. Wenn man also dafür sorgen kann, dass viele Atome in einem angeregten Zustand sind – beim Laser nennt man diesen Vorgang pumpen – kann man eine Art Licht-Lawine auslösen.

Wenn man Materie anregt, befindet sich allerdings aus statistischen Gründen im Mittel nur ein kleiner Teil aller Atome im angeregten Zustand. 1958 schlugen Arthur Schawlow und Charles Towns einen Trick vor, um das zu ändern: Sie wollten Atome verwenden, die aus dem angeregten in einen besonders langlebigen Zwischenzustand übergehen. Solche 3- oder 4-Niveau-Systeme findet man beispielsweise in Rubinen, einem Gemisch aus Helium und Neon, Kohledioxid oder Argon-Ionen. Um die Verstärkungswirkung des gepumpten Mediums noch besser auszunutzen, schickt man das Licht zwischen zwei Spiegeln hin und her – und so immer wieder durch das "aktive Medium". Einer der beiden Spiegel dieses "Resonators" – der so genannte Auskoppelspiegel – lässt einen kleinen Teil des Laserlichts nach außen treten. 1960 wurde zum ersten mal experimentell bewiesen, dass diese Idee auch wirklich funktioniert.

Bereits 1966 wurde dann auch schon der erste solargepumpte Laser vorgestellt. Das bislang stärkste Modell erzielt rund 500 Watt Ausgangsleistung – benötigt dafür aber auch rund 660 Quadratmeter Kollektorfläche. Yabe und sein Team haben nun ein kompaktes System entwickelt, das die Effizienz bestehender Solar-Laser um das Dreifache übertreffen soll. Die Anlage holt also deutlich mehr Leistung aus dem bestehenden Sonnenlicht.

Dies funktioniert deshalb, weil die Nd:YAG-Kristalle zusätzlich mit Chrom dotiert werden, das einen breiten Bereich des sichtbaren Spektrums absorbieren kann. So könne man einen größeren Teil des Spektrums verwenden, meint Yabe: "Dadurch wird die Umwandlung von Sonnen- zu Laser-Licht deutlich verbessert."

Die zweite Innovation des Systems ist die Verwendung so genannter Fresnel-Linsen statt großer Spiegel. Ihr Einsatz verringert die Größe und Menge des notwendigen Ausgangsmaterials, in dem sie die Fläche in konzentrische Kreise aus kleineren Linsen herunter brechen. Typischerweise werden mit Standard-Linsen nur zehn Prozent des einfallenden Lichts auf dem Kristall konzentriert, während die Fresnel-Linsen 80 Prozent erreichen. "In unserem Versuch benötigten wir nur 1,3 Quadratmeter, um 25 Watt zu erzielen", sagt Yabe. Obwohl dies nur eine Verdreifachung bisheriger Systeme ist, steigt der Laser-Output exponentiell zur verfügbaren Fläche. "Wir erwarten also 300 bis 400 Watt mit einer Fresnel-Linse von vier Metern Durchmesser", sagt er.

Sunity Satyapal, Leiterin der Abteilung Wasserstoff-Speichersysteme beim US-Energieministerium in Washington, findet den Ansatz zunächst einmal "ungewöhnlich". Es sei aber nicht das erste Mal, dass Metalle wie Magnesium mit Wasser zur Wasserstoff-Produktion verwendet würden. Nun müsse man aber erst ein Gesamtenergie-Budget für das System aufstellen: "Der Kernpunkt sind Kosten und Gesamteffizienz."

Ein Argument, dem sich auch Christian Wieckert vom Schweizer Paul Scherrer Institut anschließt: Bis Ende 2005 hatte er gemeinsam mit Kollegen ein Verfahren entwickelt, das auf einer ähnlichen Idee basiert, aber auf einem anderen Ausgangselement: Dem Zink. Nicht nur kann es in einer exothermen Reaktion – also unter Abgabe von Wärme – bei rund 350 Grad Celsius Wasser spalten und hochreinen Wasserstoff für Wasserstoff- Sauerstoff-Brennstoffzellen liefern. Bereits Thomas Alva Edison wusste, dass aus Zink und Sauerstoff auch direkt Elektrizität gewonnen werden kann.

Im Forschungsprojekt SOLZINC, das der EU immerhin ein Förderbudget von 1,3 Millionen Euro wert war, entwickelten die Wissenschaftler eine Methode, um mit Hilfe konzentrierter Sonnenenergie aus Zinkoxid Zink herzustellen: Nach erfolgreichen Tests mit kleineren Aufbauten hatten die Wissenschaftler am Weizmann Institute of Science (WIS) in Israel eine 300-kW-Pilotanlage betrieben, in der sie etwa 30 Prozent der einfallenden Sonnenenergie für die chemische Umsetzung genutzt und damit 45 Kilo Zink pro Stunde produziert haben.

Das Konzept von Yabe erscheine ihm "sehr futuristisch", sagt Wieckert. "Die Hauptentwicklung beziehe sich offensichtlich auf den Laser, der dadurch zur Alternative gewöhnlicher konzentrierender Solar-Anlagen werde. Allerdings seien auch solche Anlagen für sehr hohe Temperaturen sehr aufwendig. "Selbst wenn es technisch realisierbar sein sollte, teile ich die Meinung von Sunita Satyapal, dass man eine energetische Gesamtenergiebilanz braucht." (wst)