Seite 2: Die Sonne als wichtigste Energiequelle

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Ohne Sonnenenergie läuft bei uns gar nichts. Dieser simple Satz ist ebenso banal wie richtig. Keine Sonne, keine Energie, kein Leben. Wir sind uns im Alltag nur meist gar nicht bewusst, was wir alles der Sonne zu verdanken haben.

Die Sonne als Energielieferant

Glücklicherweise ist die Sonne ein sehr sicherer Energiespender, denn dieser riesige Kernfusionsreaktor wird noch circa fünf Milliarden Jahre brennen. Zur Zeit besteht die Sonne aus 73 Prozent Wasserstoff und rund 25 Prozent Helium mit zunehmender Tendenz, da in gigantischem Ausmaß vier Wasserstoffkerne (Protonen) zu einem Heliumkern fusionieren – stark vereinfacht betrachtet. Die Reaktionsbedingungen sind krass: Temperatur 15 Millionen Kelvin, Druck 1016 Pascal, Dichte 160 g/cm3, Geschwindigkeit der Protonen 1000 km/s bis zum Crash.

In einer Sekunde verschmelzen 567 Millionen Tonnen Wasserstoff zu 562,8 Millionen Tonnen Helium. Und wo bleibt der Rest? Der beträgt immerhin 4,2 Millionen Tonnen Materie pro Sekunde, auch als Massendefekt bezeichnet. Wie eingangs schon erwähnt, hat Albert Einstein richtig erkannt, dass Materie in Energie umgewandelt werden kann und umgekehrt – und das in seiner berühmten Formel beschrieben:

E = m · c²

mit m = Masse und c = Lichtgeschwindigkeit = 300.000.000 m/s

Wenden wir Einsteins Formel doch einfach mal an! Die Sonne wird durch den Massendefekt in jeder Sekunde um 4,2 Millionen Tonnen leichter, die als Strahlungsenergie an das Weltall abgegeben werden – macht pro Sekunde 3,78 · 10²⁶ Joule! Die Erdoberfläche bekommt auch einen Teil davon ab in Form von Wärme und Licht, pro Jahr sind es gigantische 3,9 Yottajoule, also 3,9 · 10²⁴ Joule, die in so großer Entfernung noch bei uns ankommen.

Kurzfristig schwankt die Strahlungsaktivität in einem 11-Jahres-Zyklus, auch abzulesen an der Intensität der Sonnenflecken. Jedoch ist dieser Zyklus nicht konstant – warum, wissen wir nicht. Die großen Kalt- und Warmzeiten der Erde jedenfalls haben damit wohl weniger zu tun, sie sind eher irdischen Ursprungs. Sie haben nach gängiger Meinung ihre Ursachen in der Kontinentalverschiebung, dem Schließen und Öffnen von Meeresstraßen mit drastischer Veränderung des Wärmetransports, den Folgen extremer Vulkanexplosionen sowie den Einschlägen großer Meteoriten.

Der jüngste Erwärmungstrend seit etwa 1700 wird heute leider durch menschliche Aktivitäten kräftig verstärkt, etwa durch massive weltweite Abholzungen und Freisetzung von klimawirksamen Gasen. Fast sieht es so aus, als könnten wir nur noch die schlimmsten Folgen abmildern – vielleicht, denn die Menschheit wächst weiterhin ungebremst.

Sonnenstrahlung auf der Erde

Ohne Sonne gibt es kein Wetter, keine Klimazonen. Im Prinzip ist alles ganz einfach: Das Land kann die Wärmestrahlung viel besser aufnehmen als die See und erwärmt die darüberliegende Luft. Diese hat eine geringere Dichte (Tiefdruckgebiet), steigt auf und kann Wasserdampf viel besser aufnehmen als kalte Luft.

In der Höhe kühlt sich das Ganze ab, der Wasserdampf kondensiert, bildet Wolken und es regnet. Die abgekühlte trockene Luft ist dichter und sinkt ab. Das geht aber nicht an gleicher Stelle, da neue warme Luft von unten nachdrängt. Also fließt sie irgendwo seitlich in die Tiefe, erwärmt sich dabei und wird noch trockener (Hochdruckgebiet mit viel Sonnenschein).

Der gesamte Vorgang kann in den Tropen sehr heftig ausfallen, sodass nicht nur tägliche starke Gewitter durch Ladungstrennung der aneinander vorbeirasenden Luftmoleküle entstehen können. Bei sehr großflächigen Ereignissen über warmen Pazifik- und Atlantik-Gewässern können unter dem Einfluss des Coriolis-Effekts Drehbewegungen einsetzen, die sich zu riesigen Wirbelstürmen ausweiten – sie drehen sich auf der Nordhalbkugel deshalb meist gegen und auf der Südhalbkugel im Uhrzeigersinn. Je nach Region heißen sie Taifun, Hurrikan, Zyklon oder Tornado (Bild 2).

Wie stabil und energiereich solche Luftwirbel sein können, können Sie selbst ausprobieren. Nehmen Sie einen 10-Liter-Plastikeimer und schmelzen Sie mit einem Lötkolben ein rundes Loch von circa 10 cm Durchmesser in den Boden. Dann spannen Sie eine kräftige Plastikfolie oder -tüte über die Eimeröffnung und kleben mit Panzertape die Folie wie ein Trommelfell fest. In 3 bis 4 Meter Entfernung stellen Sie eine brennende Kerze auf, richten das Eimerloch in Richtung Kerze aus und schlagen mit der flachen Hand kurz auf das Trommelfell. Siehe da – die Kerzenflamme wird ausgeschossen! Ein stabiler Ringwirbel ist entstanden, der genügend Energie hat, die Flamme auszublasen. Wie man solche Wirbel mit einer elektrischen Zahnbürste und einem Laser sichtbar macht, habe ich übrigens in Make 3/14 beschrieben (Bild 3).

Windkraft

Die Sonnenwärme ist die treibende Kraft hinter den weltweiten Winden, die sich grob gesehen in sechs großen Hoch/Tiefdruckbereichen (Zellen) bewegen, die von der polaren Zirkulation bis zur äquatorialen Tiefdruckrinne reichen (Bild 4). Jahreszeitliche Verschiebungen, das Auftreten von Verwirbelungen inklusive des Einflusses des Coriolis-Effekts gestalten die Windsysteme sehr dynamisch.

Die Coriolis-Kraft ist eigentlich eine Scheinkraft. Der Effekt entsteht dadurch, dass sich die Erde unter den Luftmassen am Äquator viel schneller weiterdreht als in polaren Zonen. Wegen des rotierenden Bezugssystems scheinen die Luftmassen oberhalb und unterhalb des Äquators nicht gerade zum Äquator zurückzufließen, sondern schräg: So entsteht der Nordost- und Südostpassat. Diese Winde hat der Mensch zu nutzen verstanden, um auf primitivsten Segelbooten aus Schilfrohren oder Holz die Welt zu erobern. Aber auch die Kräfte von Winden an Land konnten findige Handwerker in den Griff bekommen, um beispielsweise Getreide zu mahlen oder Wasser aus der Tiefe hochzuschöpfen.

Wasserkraft

Die letztlich durch die Sonnenenergie verdunsteten und in der Luft transportierten Wassermassen sind gigantisch. Als Schnee, Regen oder Tau kommen sie wieder herunter und speisen die Quellen unserer Flüsse hoch oben in den Gebirgen in den Gletscherregionen. Das Energiepotenzial ergibt sich aus der Höhendifferenz auf dem Weg zum Meer. Die Erdanziehung sorgt dafür, dass die potenzielle Lageenergie des Wassers auf dem Weg nach unten umgesetzt wird in kinetische Energie des sich bewegenden Wassers. Allein in Köln fließt jeden Tag im Rhein bei 4 Meter Wasserstand die unvorstellbare Zahl von 230 Milliarden Liter Wasser vorbei.

Um die darin enthaltenen Kräfte zu nutzen, sind in der Menschheitsgeschichte Wasserräder in verschiedensten Varianten entwickelt worden. In Griechenland im 4./3. Jahrhundert v. Chr. erfunden, dienten Wasserräder anfänglich wohl nur zum Schöpfen von Wasser; später dann, um über mechanische Kraftübertragung Öl- oder Getreidemühlen, Hammerschmieden oder Sägewerke anzutreiben. Zweck der heutigen Wasserkraftanlagen ist es einzig und allein, möglichst effizient Strom zu erzeugen. Die verschiedenen Turbinen-Typen sind entsprechend der örtlichen Verhältnisse eingesetzt – so findet man etwa im Walchensee-Kraftwerk mit seinen 200 Metern Fallhöhe (Bild 5) und der hohen Wassergeschwindigkeit vier Francis-Turbinen und zwei Pelton-Turbinen (Bild 6).

Die größten Flusskraftwerke (auch Laufwasserkraftwerke genannt) liegen in Deutschland an Rhein (etwa in Iffezheim) Mosel, Donau, Iller, Lech, Isar und Inn. Alle deutschen Laufwasserkraftwerke erbringen zusammen eine Leistung von etwa 2,6 GW (1 GW = 10⁹ W). Dies entspricht knapp der Leistung von vier großen Kohlekraftwerken (je 0,7 GW).

Weltweit haben die Kämpfe um Wasser als das wichtigste Lebensmittel sowie als Wasserkraft und Machtdruckmittel längst begonnen. Den Euphrat beherrscht die Türkei mit 21 Staustufen, der Blaue Nil ist Konfliktstoff Nr. 1 zwischen Sudan und Äthiopien, des Jordans Quellgebiete, die Golanhöhen, sind von Israelis besetzt, China denkt über die Umleitung des Brahmaputra nach, Meerwasserentsalzungsanlagen über Umkehrosmose werden nicht nur im arabischen Raum im großen Stil vorangetrieben.

Erosion

Das Wasser, das die Sonne hochgeschafft hat, kann auf dem Weg nach unten besonders in den Gebirgsregionen enorme zerstörerische Kräfte entwickeln. Dies haben die Schlammlawinen und Murenabgänge der letzten Zeit gezeigt. Ganze Gebirge sind im Laufe der Jahrmillionen partiell abgetragen, eingesägt oder ausgehöhlt worden – und machen den landschaftlichen Reiz etwa der wunderschönen Alpenregionen der Dolomiten, des Elb-Tales und des Grand Canyon aus. Leider lässt die Verschiebung der Permafrostgrenze in allen Hochgebirgen vermuten, dass die Erosion mit katastrophalen Folgen für die dort lebenden Menschen stark zunehmen wird. Nutzen lässt sich die Erosionsenergie zudem auch praktisch gar nicht.

Meeresströmungen

Genauso wie die Sonnenaktivität für die Luftströmungen verantwortlich ist, ist sie es auch für die großen Meeresströmungen. An der Oberfläche erwärmtes Wasser fließt wie auf schleifenartigen Transportbändern, transportiert Wärme bis in polare Regionen, kühlt dabei ab, sinkt in die Tiefe und fließt am Meeresboden zurück. Nordeuropa profitiert so zum Beispiel vom warmen Strom aus dem Golf von Mexiko.

Fotosynthese

Die Aktivität der Sonne hat auf der Erde etwas hinterlassen, das andere Lebewesen vor dem Homo sapiens nicht zu nutzen verstanden: Wertvolle energiereiche Bodenschätze hat der Mensch auf und im Inneren der Erde gefunden, die durch die Fotosynthese im Laufe von Hunderten Millionen Jahren Evolution gebildet wurden.

Chemisch gesehen ist der Fotosyntheseprozess genial einfach und dennoch bis heute nicht synthetisch im Labor nachzuvollziehen. Stark vereinfacht werden in den Chlorophyll-haltigen grünen Blättern aus Wasser und Kohlendioxid-Gas mit Hilfe des Sonnenlichts energiereicher Zucker und Sauerstoff-Gas gebildet. Dabei wird nicht CO₂ in Sauerstoff umgewandelt, sondern der freigesetzte Sauerstoff stammt ausschließlich aus dem Wasser.

12 H₂O + 6 CO₂ + Lichtenergie --> C₆H₁₂O₆ + 6 O₂↑ + 6 H₂O

Energieaufwand: 2880 kJ für 180 g Zucker

Dieser Zucker ist die stoffliche und energetische Grundlage für alle weiteren Stoffwechselvorgänge wie dem Aufbau von Fetten und Eiweißen. Über die Nahrungskette liefert die Fotosynthese und damit letztlich auch wieder die Sonne somit die Energie nicht nur für die biologischen Alternativ-Energie-Umwandlungsverfahren, sondern auch für die menschliche Muskelkraft, die unser tragbarer Pedal-Generator anzapft.

Fossile Brennstoffe

In der Natur war diese Chemie im Meer und an Land so erfolgreich, dass riesige Vegetationen entstanden – so viel konnte gar nicht von Tieren gefressen werden. Im Laufe der massiven Umwälzungen der Erdgeschichte wurden daraus unter Sedimenten unsere fossilen Brennstoffe, wobei Erdgas und Erdöl aus Mikroalgen (Phytoplankton) entstanden, die Kohle aus tropischen Wäldern riesiger Farne und Schachtelhalme. Denn vor 300 Millionen Jahren befand sich das heutige Ruhrgebiet am Äquator. Äquator? Richtig – es gab ja seitdem die Kontinentalverschiebung!

Das Wort fossil (von lat. fossilis „[aus]gegraben“) wurde übrigens schon von Agricola eingeführt. Der als Mineraloge bekannte Georgius Agricola (1494–1555) veröffentlichte 1546 sein Werk „De natura fossilium“. Dort werden Stoffe Fossilien genannt, die in geologischer Vorzeit aus Abbauprodukten toter Pflanzen und Tiere entstanden sind. Die unterschiedlichen fossilen Energieträger sind verschieden alt:

• Erdgas und Erdöl: 100 Millionen bis eine Milliarde Jahre
• Methanhydrat: bis eine Milliarde Jahre
• Steinkohle: 100 Millionen bis 500 Millionen Jahre
• Braunkohle: 10 Millionen bis 100 Millionen Jahre
• Torf: einige tausend Jahre

Der Mensch hat es innerhalb der letzten 200 Jahre geschafft, diese Schätze an nicht erneuerbaren Energiequellen so brutal auszubeuten, dass bei den meisten fossilen Rohstoffen das Ende der Vorräte abzusehen ist – abgesehen von Methanhydrat.

Für die chemische und pharmazeutische Industrie ist Erdöl nach wie vor ein unwiederbringlicher Rohstoff für Kunststoffe und Arzneimittel. Verblüffend: Der Anteil dieses Einsatzzwecks am Gesamtverbrauch beträgt aktuell lediglich 7,5 Prozent! Der Rest wird durch den Schornstein oder Auspuff gejagt. Traurig, aber wahr.

Methanhydrat – nie gehört?

Der Autor Frank Schätzing verhalf den Methanhydraten zu weltweiter Bekanntheit: In seinem Roman Der Schwarm bauen Bakterien Methanhydrat-Eiskristalle ab und lösen einen Unterwasser-Erdrutsch mit nachfolgendem zerstörerischen Tsunami aus.

Wenn wir einmal die auf der Erde geschätzten Kohlenstoffmengen betrachten, so werden wir verblüfft feststellen, dass keineswegs Kohle oder Erdöl den größten Kohlenstoffanteil stellen, sondern jenes mysteriöse Methanhydrat. Schon um 1930 bei der Erdgasförderung entdeckt, wurde es erst 1971 genauer und 1997 vor der US-Küste wissenschaftlich untersucht.

Tatsächlich lagert auf dem tiefen Meeresboden, am Rande des Kontinentalschelfs sowie in Permafrostböden Methangas in gefrorenem Wasser gebunden in großen Mengen. Das „brennbare Eis“ ist eine gar nicht so seltene Laune der Natur. Es sind sorbetartige Strukturen gefrorener Wassermoleküle, die wie in einem Käfig in ihrem Inneren Methangas CH4 über Wasserstoffbrücken-Bindungen gefangenhalten. Das Methan stammt aus Regionen im Erdmantel, in denen Archaebakterien oder Hitze organisches Material zersetzen – ist also eigentlich Erdgas.

Das brennbare Eis bildet sich bei sehr tiefen Temperaturen von minus 80 Grad Celsius oder unter sehr hohem Druck in arktischen Gewässern ab 300 Metern Wassertiefe, in den Tropen ab 600 Metern. Die Dichte des Gases in den Hydraten ist sehr hoch: Ein Kubikmeter Methanhydrat setzt an der Erdoberfläche 160 bis 170 Kubikmeter Methangas frei. Vor allem China und Japan arbeiten daran, diese wertvolle Ressource zu erschließen, trotz hohen technischen, finanziellen und umweltschädigenden Risiken. Die Folgen bei Freisetzung großer Mengen des stark klimawirksamen Methans aus Permafrostböden sind nicht abzuschätzen – und die tauen durch die Erderwärmung zunehmend auf.