Die vielversprechende Sonnenenergie

Eine Unzahl von Spiegeln ist auf einen kleinen Bereich eines 61 m hohen Turmes gerichtet. Die dadurch erzeugte Temperatur beträgt bis zu 2 300 °C.

IN UNSERER Zeit der Energieknappheit konnte es nicht unbemerkt bleiben, daß die Sonne eine unfehlbare Energiequelle ist, die die gesamte bewohnte Erde mit Licht und Wärme versorgt. Sie erhält eine angenehme Durchschnittstemperatur auf der Erde aufrecht. Sie liefert die Energie für das Pflanzenwachstum und somit für alles Leben. Diese „Dienstleistungen“ sind so offenkundig, daß sie für viele als selbstverständlich gelten.

Aber in vielen Bereichen, in denen die Sonnenenergie nicht direkt verwertbar ist, sind wir auf andere Energieformen angewiesen. Wenn die anderen Energiequellen einmal versiegen, wäre es dann möglich, Wohnungen und Fabriken mit Sonnenstrahlen zu beheizen? Könnten wir die Sonnenstrahlen irgendwie in elektrischen Strom für unsere Lampen, unsere Elektromotoren, unsere Radio- und Fernsehgeräte umwandeln? Könnten wir die Sonnenenergie speichern, um unsere Autos und Flugzeuge anzutreiben?

Diese Möglichkeiten werden gegenwärtig ernsthaft erwogen. In vielen Labors erforscht man Methoden der Sonnenenergienutzung. Das Potential ist ohne Zweifel vorhanden. Im amerikanischen Bundesstaat Arizona hat die Sonneneinstrahlung auf eine nur 26 km² große Fläche ebensoviel Energie, wie die Kraftwerke der USA insgesamt erzeugen. Woran fehlt es dann noch?

Das erste Problem besteht in der starken Streuung des Sonnenlichts. Eine Auffangvorrichtung von begrenzter Größe kann nur verhältnismäßig wenig Energie aufnehmen. Dennoch ist das zerstreute Sonnenlicht für bestimmte Zwecke ausreichend. In Gebäuden, die mit Sonnenkollektoren ausgerüstet sind, wird viel Heizmaterial gespart. Das in Röhren auf dem Hausdach erwärmte Wasser eignet sich zum Baden, zum Geschirrspülen und zum Wäschewaschen.

Das zweite Problem der Sonnenenergie besteht darin, daß sie nicht immer dann zur Verfügung steht, wenn man sie braucht. Nach Sonnenuntergang oder bei bedecktem Himmel ist sie „abgeschaltet“. Die Stärke der Strahlung, die Zahl der Sonnenstunden während eines Tages und die Bewölkung sind je nach Breitengrad und Jahreszeit unterschiedlich. In vielen Anwendungsbereichen wird eine Umstellung auf Sonnenenergie davon abhängen, ob man Möglichkeiten findet, die Energie bei Sonnenschein zu speichern und nachts oder an bewölkten Tagen anzuzapfen.

Zum Beispiel könnte man das tagsüber aufgeheizte Wasser in isolierten Tanks speichern. Man kann das Warmwasser aber auch durch Heizkörper fließen lassen, um die Wohnung zu beheizen. Bei Schlechtwetter müßte das System durch eine andere Energiequelle unterstützt werden. Jedenfalls hilft es bereits einigen Hausbesitzern, den Gas- und Stromverbrauch zu senken.

Abgesehen von dieser grundlegenden Anwendungsmöglichkeit, gibt es noch kompliziertere Verfahren der Sonnenenergienutzung. Wenn man die Sonnenstrahlen konzentriert, lassen sich viel höhere Temperaturen erreichen. Wer hat noch nicht mit einem Stück Papier experimentiert und es unter ein Vergrößerungsglas in den Brennpunkt der Sonnenstrahlen gehalten und zugesehen, wie es anfing zu glimmen und dann in Flammen aufging? Diese Methode wendet man in großem Stil an, indem man mit Hohlspiegeln die Sonnenstrahlen auf eine kleine Fläche konzentriert, die sich so stark erhitzt, daß selbst die beständigsten Stoffe dahinschmelzen. Bei einem Sonnenofen, der in Südfrankreich steht, befindet sich im Brennpunkt ein Boiler, an den Dampfturbinen angeschlossen sind. Der erzeugte Strom wird ins öffentliche Netz abgegeben. Der Hersteller bietet den Bau von Sonnenkraftwerken mit 1 Megawatt Leistung an.

Eine noch leistungsfähigere Anlage dieser Art wurde bei Albuquerque (New Mexico) errichtet, um die Rentabilität großer Sonnenkraftwerke zu erforschen. Eine Batterie von Spiegeln ist auf einen kleinen Bereich eines 61 m hohen Turmes gerichtet. Jeder Spiegel ist 1,2 m² groß und ist mit 24 anderen auf einem Gestell montiert, das der Sonne nachgeführt wird, damit die reflektierten Sonnenstrahlen nicht aus dem Ziel wandern. Nördlich des Turmes sind 222 solche Gestelle zu einer Dreiecksfläche angeordnet. Jedes wird von einem Computer einzeln gesteuert, je nach Lage und Einfallswinkel.

Dadurch wird das Licht, das auf eine 0,8 Hektar große Fläche fällt, auf einen halben Quadratmeter konzentriert. Die Temperatur kann bis zu 2 300 °C betragen, so daß bei verschiedenen Versuchen in kürzester Zeit Stahlplatten durchschmolzen wurden.

Nach Versuchen mit dem Erhitzen von Wasser begann man mit der Planung eines 10-Megawatt-Sonnenkraftwerks bei Barstow (Kalifornien), das man vielleicht schon 1981 an das Stromnetz Südkaliforniens anschließen kann.

Direktumwandlung des Sonnenlichts

Unterdessen arbeiten andere Wissenschaftler an langfristigeren Plänen für die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität. Das Prinzip an sich ist nicht neu. Zum Beispiel gibt uns der Belichtungsmesser einer Kamera die für die jeweiligen Lichtverhältnisse geeignete Blendenöffnung an. Dabei wird in einer Photozelle ein winziger elektrischer Strom erzeugt, der die Anzeigenadel bewegt. Auf diesem Weg Elektrizität hoher Leistung zu erzeugen ist ein gewaltiges, aber möglicherweise lohnendes Unternehmen.

Wie entsteht durch das Licht in einer Photozelle Strom? Das Geheimnis liegt in der Verwendung von Halbleiterelementen. In einem Element, das — wie die meisten Metalle — ein guter elektrischer Leiter ist, sind die Elektronen nur lose an die Atome gebunden. Sie bewegen sich frei und bilden einen elektrischen Strom. In Isolatoren dagegen sind die Elektronen so stark in ihrer Umlaufbahn gebunden, daß sie sich nicht frei bewegen können. Die Halbleiter nun nehmen eine Zwischenstellung ein; die Elektronen sind zwar gebunden, aber nicht allzu fest, so daß sie durch einen geringen „Stoß“ frei werden und sich fortbewegen.

Reines Silicium ist ein schlechter Leiter. Durch geringfügige „Verunreinigungen“ verbessert sich jedoch die Leitfähigkeit erheblich. Spuren von Arsen beispielsweise, das mit seinen fünf Außenelektronen eines mehr hat als Silicium, stellen freie Elektronen zur Verfügung. Oder man kann durch Atome des Elements Bor, das nur drei Außenelektronen hat, einen Elektronenmangel bewirken. Das fehlende Elektron bildet sozusagen ein Loch, in das nun ein Elektron eines Nachbaratoms springen kann. Das Loch beginnt zu „wandern“, so daß ein „positiver Strom“ fließt.

Die zuerst erwähnte Art von „verunreinigtem“ Silicium nennt man n-Leiter, weil sie überschüssige Elektronen (negativ) hat. Die zweite Art bezeichnet man als p-Leiter, weil sie „überschüssige Löcher“ (positiv) hat. Beide Arten von „verunreinigtem“ Silicium aneinandergelegt, bilden einen sogenannten n-p-Übergang. Die Elektronen fließen nur in einer Richtung durch die Grenzfläche. Übrigens beruht darauf die Arbeitsweise des Transistors, der ja ein winziges Siliciumplättchen enthält.

Siliciumplättchen, die aus einer solchen n-Schicht und p-Schicht bestehen, können auch als Sonnenzellen verwendet werden. Setzt man sie der Sonne aus, dann dringen die kleinen „Energieportionen“ des Sonnenlichts ein und setzen aus den Siliciumatomen Elektronen frei. Sobald man die beiden Schichten eines Plättchens durch einen elektrischen Leiter miteinander verbindet, fließen die Elektronen von „n“ nach „p“. Das Sonnenlicht wird also in elektrische Energie umgewandelt.

Allerdings verläuft der Umwandlungsvorgang nicht verlustfrei. Eine „Energieportion“ des Sonnenlichts beträgt zwischen 1,5 und 3,0 Elektronenvolt, je nach Farbe des Lichts (von Rot bis Violett). Da jedoch nur 1,0 Elektronenvolt nötig ist, um ein Elektron aus dem Siliciumkristall freizusetzen, geht der Rest der Energie in Form von Wärme verloren. Der höchstmögliche theoretische Wirkungsgrad eines Siliciumplättchens beträgt etwa 22 Prozent. In der Praxis hat man bisher einen Wert von etwa 15 Prozent erreicht. Man hofft, durch das Aufeinanderschichten mehrerer Halbleitertypen eines Tages eine 50prozentige Ausbeute zu erzielen.

Anwendungsgebiete der Sonnenzellen

Die Sonnenzellen haben bereits eine „Marktlücke“ gefüllt, denn sie dienen zur Stromerzeugung in Raumschiffen. Für diesen Zweck sind sie ideal. Bei Flügen von Planet zu Planet sind sie die ganze Zeit vollständig dem Sonnenlicht ausgesetzt (in der Umlaufbahn mehr als die halbe Zeit). Ihre Funktion wird weder durch Wolken noch durch Regen oder Wind beeinträchtigt. Die Herstellungskosten sind durch den Etat für Raumforschung gedeckt.

Die großen fächerartigen Sonnenbatterien sind ein unverkennbares Merkmal der Raumsonde Skylab und der beiden Viking-Satelliten, die zum Mars geschickt wurden. Die Sonnenzellen haben sich als zuverlässig und dauerhaft erwiesen. Das Kraftwerk einer der Viking-Raumsonden erzeugte noch zwei Jahre, nachdem es den Mars erreicht hatte, 600 Watt. Angesichts der harten Bedingungen hat es sich bestens bewährt. Die äußerst genaue und kostspielige Fertigung von Sonnenzellen, die erst eine solche Perfektion garantiert, kann man sich wohl bei einem Raumschiff leisten. Für eine rentable Stromgewinnung auf der Erde dagegen müßte der jetzige Preis auf ein Zwanzigstel gesenkt werden. Das scheint die Verwirklichung des Projekts in die ferne Zukunft zu verschieben, aber die enorme Kostensenkung, die in den letzten Jahren bei der Herstellung anderer Halbleiterbauelemente möglich war, läßt schon auf einen früheren Erfolg hoffen. In vielen Labors arbeiten Forscher an kostengünstigeren automatisierten Herstellungsverfahren. Optimisten sprechen davon, daß im Jahr 2000 die Sonne bis zu 20 Prozent des Energiebedarfs der USA decken könnte.

Die Erzeugung von Elektrizität aus Sonnenenergie hat einen großen Vorteil. Sie ist in kleinen Einheiten ebenso rentabel wie in großen. Möchte man die Leistung einer Anlage erhöhen, fügt man einfach noch weitere Einheiten an. Bei einem Dampfkraftwerk dagegen verhält es sich anders. Nur wenn es eine gewisse Größe hat, lohnt sich die Stromerzeugung aus Öl oder Kohle. Den gleichen Nachteil haben Kernkraftwerke, und bei Fusionskraftwerken wird er sich erst recht bemerkbar machen.

Da stellt sich eine herausfordernde Frage: Wäre es nicht möglich, eines Tages die ausgedehnten Verteilernetze abzuschaffen, die heute noch erforderlich sind? Vielleicht wird künftig jede Gemeinde, jedes Wohnviertel und sogar jedes abgelegene Haus ein eigenes Kraftwerk haben. Natürlich ist dieser Gedanke beunruhigend für alle Geldgeber, die an regionalen oder sogar landesweiten Verteilernetzen finanziell beteiligt sind. Das ist auch verständlich, denn es handelt sich dabei nicht um unbedeutende Investitionen. Wenn dem nicht so wäre, behaupten einige, könnte die Sonnenenergienutzung schneller vorangetrieben werden.

Die direkte Umwandlung von Sonnenenergie in Elektrizität weist noch weitere Vorteile auf. Sie ist sauber, geräuschlos und zuverlässig. Es gibt keine beweglichen Teile, die verschleißen könnten. Die Sonnenenergie ist unkompliziert im Gebrauch. Sie verschmutzt nicht die Umwelt. Die Sonne „kostet nichts“ und scheint jeden Tag aufs neue. Ist es da verwunderlich, daß die Befürworter dieser vielversprechenden Energiequelle fordern, für die Weiterentwicklung keine Mühe zu scheuen?

[Herausgestellter Text auf Seite 6]

Der Sonnenschein, der im amerikanischen Bundesstaat Arizona auf eine Fläche von 26 Quadratkilometern fällt, entspricht der Energie, die die Kraftwerke der USA insgesamt erzeugen.

[Herausgestellter Text auf Seite 7]

Befürworter der Sonnenenergienutzung sagen, sie könne schon im Jahre 2000 in den USA 20 Prozent des Energiebedarfs decken.

[Herausgestellter Text auf Seite 7]

Vorteile der Direktumwandlung der Sonnenenergie: sauber, geräuschlos, verschleißfrei, kostenlos im Nachschub und erneuerbar wie der tägliche Sonnenschein.

[Kasten auf Seite 8]

Sonnenenergie aus dem Weltraum

Unter all den Möglichkeiten, die Sonnenenergie zur Stromerzeugung zu nutzen, gibt es eine, die aus einem Science-fiction-Film stammen könnte. Eine große Zahl von Sonnenbatterien mit einer Fläche von insgesamt 50 km² würde man im Weltraum montieren. Diese Station würde dann auf eine Umlaufbahn in 36 000 km Höhe geschickt werden, wo sie sich ständig über einem bestimmten Punkt am Äquator aufhalten würde. Die erzeugte Energie würde durch Mikrowellen auf eine Antenne auf der Erde übertragen werden, die einen Durchmesser von 10 km hätte. Die erreichte Leistung von 5 000 Megawatt würde etwa für die Stadt New York ausreichen. Diese Lösung hätte einen eindeutigen Vorteil gegenüber Sonnenbatterien auf der Erde. Das Sonnenkraftwerk wäre 24 Stunden lang in Betrieb, und weder das Auffangen der Sonnenstrahlen noch die Energieübertragung mit Hilfe von Mikrowellen könnte durch Witterungseinflüsse behindert werden.

Doch eine solch gigantische Konstruktion liegt nicht im Bereich der Möglichkeiten der heutigen Raumfahrttechnik. Die entsprechenden Raketen zu entwickeln und die Materialien und Monteure in den Weltraum zu transportieren würde viele Milliarden Dollar kosten. Auch entsteht die Frage, ob nicht in der Nachbarschaft der Empfangsstation die Bewohner durch „verirrte“ Mikrowellen geschädigt werden könnten. Und wie könnte es sich auf die Ionosphäre und das Wetter, auf Hörfunk und Fernsehen auswirken? Astronomen klagen, daß solche hellstrahlenden Objekte am Himmel die Beobachtung von weit entfernten Sternen für immer verhindern würden, da man dafür einen dunklen Himmel brauche. Den Versorgungsbetrieben dagegen käme diese Idee nicht ungelegen, da der Verbraucher dann immer noch auf ihre Verteilernetze angewiesen wäre.

Wenn du jedoch die Möglichkeit hast, Sonnenenergie zu speichern, magst du es bevorzugen, die Sonnenstrahlen, die auf dein Haus scheinen, direkt zu nutzen und den Umweg über Satelliten zu vermeiden. Womöglich könntest du, bevor die „Sonnenenergie-Satelliten“ Wirklichkeit werden, bereits imstande sein, mit einer 3 m² großen Sonnenbatterie auf dem Hausdach deinen gesamten Strombedarf zu decken.