Die gebündelte Kraft der Sonne kann nicht nur sprichwörtlich die Welt bewegen. stock.adobe.com © Volodymyr
Unsere Sonne mag als Zwergstern im Vergleich mit anderen Sternen eine leicht unterdurchschnittliche Größe aufweisen. Nach aktuellem Wissensstand ist sie jedoch der einzige Himmelskörper des bekannten Universums, dessen ausgestrahlte Licht- und Wärmeenergie auf zumindest einem Planeten für die Entwicklung von Leben verantwortlich war.
Schon in frühesten Zivilisationen erfuhr dieser gigantische Fusionsreaktor deshalb eine geradezu göttliche Verehrung. Ähnlich alt sind die Bemühungen, die Sonne zu nutzen. Damit zieht selbst das modernste Photovoltaik-System eine direkte Linie zurück in die Zeit der Antike und sogar davor. Grund genug, diese mehr als spannende Geschichte passieren zu lassen.
Seitdem unsere Sonne vor 4,6 Milliarden Jahren das erste Mal ihre Fusionsreaktion zündete, wandelt sie jederzeit gigantische Wasserstoffmengen zu Helium um. Das wird sie für noch weitere 5,5 Milliarden Jahre tun. Dann wird sie beginnen, das Helium zu Kohlenstoff zu fusionieren - wodurch sie anschwellen, Merkur und Venus verschlingen und die Erde aufschmelzen wird.
Dieses sogenannte Wasserstoffbrennen ist ein wesentlicher Part eines Sternen- Lebenszyklus'. Ein maßgeblicher Effekt ist die Aussendung verschiedenster Strahlen. Der für uns relevanteste Anteil ist Licht im sichtbaren sowie ultravioletten und infraroten Spektrum. Es erhellt nicht nur die Erde selbst an einem stark bewölkten Tag. Es versetzt die Atome von allem, das es bestrahlt, in Bewegung, wodurch Wärme entsteht.
Ohne die Sonne wäre die Erde ein stockfinsterer, lebloser Ort, an dem sogar der Sauerstoff gefroren wäre. Dank dieses Sterns erreicht uns hingegen in jedem Jahr ungefähr 10.000-mal mehr Energie, als die Menschheit benötigt. Wohl wussten unsere Vorfahren nichts von den physikalischen Hintergründen. Allerdings verstand man bereits vor Jahrtausenden die Bedeutung des Sonnenlichts für alles Leben.
Obwohl die Atmosphäre die Sonnenstrahlen abschwächt, kommt genug an, um den 10.000-fachen Energieverbrauch der Menschheit zu stillen. stock.adobe.com © happystock
Halten wir fest: Die Sonne liefert enorme Lichtmengen. Dieses Licht bringt aufgrund seiner Intensität Atome zum Schwingen und erzeugt deshalb in sämtlichen beschienenen Oberflächen Wärme.
Damit sind gleichsam bis heute maßgebliche Techniken und Anwendungsbereiche genannt, welche die Sonnenenergie nutzen: Solarthermie: Hierunter wird alles zusammengefasst, das die thermischen Effekte des Sonnenlichts nutzt. Heutzutage ist das primär ein spezielles Wasser-Frostschutz-Gemisch. Es befindet sich in Kollektoren, wo es von der Sonne erwärmt wird - selbst bei bedecktem Himmel. Von dort wird das Wasser durch einen Wärmetauscher gepumpt. Darin gibt es seine Energie an einen zweiten Wasserkreislauf ab - der beispielsweise zu Heizkörpern oder Warmwasserhähnen führt.
Solche Systeme existieren in besonders sonnenreichen Gegenden sogar als große Sonnenwärmekraftwerke, bei denen der Effekt durch speziell geformte Spiegel noch verstärkt wird.
Photovoltaik: Dieser Begriff beschreibt technische Systeme, welche das eintreffende Licht der Sonne nutzen, um daraus elektrischen Strom zu erzeugen - der sogenannte photoelektrische Effekt. Einfach gesprochen sorgt die Lichteinstrahlung für ein Wandern von Elektronen. Und wo Elektronen fließen, ist automatisch elektrischer Strom vorhanden.
Im Gegensatz zur Solarthermie ist Photovoltaik eine deutlich jüngere Erfindung - primär, weil sie verschiedene andere Erfindungen und Erkenntnisse benötigte. Mittlerweile ist sie jedoch die wichtigste Zukunftshoffnung der Stromerzeugung. Die Bandbreite ist riesig. Sie reicht von kleinsten Solarzellen, die simple Geräte versorgen, bis zu gigantischen Solarfarmen, deren Leistung es mit konventionellen Kraftwerken aufnimmt.
Nachdem das Konzept jahrelang nur durch professionelle Techniker und sehr ambitionierte Bastler beherrschbar war, strömen derzeit immer mehr niedrigschwellige Lösungen in den Handel. Eine besondere Rolle spielen dabei sogenannte Balkonkraftwerke. Im Unterschied zu den meisten anderen Klein-Anlagen liefern sie den gleichen 230-Volt-Strom, der auch im normalen Haushaltsnetz vorherrscht. Im Gegensatz zu klassischen häuslichen Anlagen können Sie jedoch legal vom Nutzer selbst montiert und angeschlossen werden. Dadurch schlagen diese vielfältigen Systeme die Brücke zwischen klassisch-festinstallierter häuslicher Photovoltaik und kleinen Anwendersystemen, die aber nur 12- oder 24-Volt liefern.
Sonnenbeleuchtung: Die Sonne erleuchtet alles. Dieser Effekt ist so tief im menschlichen Bewusstsein verankert, dass er heute kaum noch als Besonderheit wahrgenommen wird. Doch sieht man einmal von ganz normalen Fenstern ab, wird das Licht auch auf komplexeren Wegen zur Beleuchtung genutzt. Bereits seit Jahrtausenden kommen dazu Spiegel zum Einsatz.
Seit einigen Jahrzehnten greift man zudem immer häufiger auf das Konzept des Lichtleiters zurück. Ganz ähnlich, wie bei einer Glasfaser-Datenübertragung wird dabei das Licht durch einen transparenten Leiter geschickt. Hierdurch kann es um Kurven geleitet werden und erstaunlich große Distanzen überbrücken. Bereits heute kommen solche Systeme zum Einsatz, um beispielsweise unterirdische Bauten oder das Innere von Hochhäusern neben dem klassischen Kunstlicht auszuleuchten. Ebenfalls interessant an vielen Anwendungen: Sie reichen zurück bis in eine Zeit, als gerade erst die ersten menschlichen Hochkulturen entstanden.
Helios, Ra, Sol: Nur drei von vielen Namen, die frühe Zivilisationen der Sonne gaben und unter denen man sie anbetete. Allerdings verehrte man den Stern nicht nur, sondern nutzte ihn bereits ganz gezielt. Besonders interessant ist dabei, wie sehr sich die Herangehensweisen auf verschiedenen Kontinenten ähneln:
1. Gezielte Gestaltung bzw. Ausrichtung von Bauten, um sie entweder besser auszuleuchten oder zu bestimmten Zeiten oder kalendarischen Daten besondere Effekte zu generieren. Beispielsweise war der Stonehenge-Steinkreis deshalb ein präziser Sonnenkalender.
2. Lenkung des Sonnenlichts über Spiegel, ebenfalls zu Zwecken der Ausleuchtung. Federführend waren hierbei die Ägypter und ähnliche Zivilisationen, die frühzeitig den Umgang mit Metallen beherrschten. Vom griechischen Gelehrten Archimedes ist die (unbewiesene) Meldung überliefert, er habe mithilfe eines Parabolspiegels Sonnenlicht gebündelt und damit griechische Schiffe in Brand gesetzt.
3. Gezielte Verwendung von Fensteröffnungen und absichtlich dunkel eingefärbten Bauteilen, um die Wärmewirkung zu maximieren. Insbesondere von den Ägyptern, den Zivilisationen des Fruchtbaren Halbmondes sowie den Griechen und Römern ist eine sehr umfassende - und teilweise erstaunlich virtuose - Sonnennutzung bekannt. Allerdings kannten ebenso Maya und Inka derartige Lichtlenkungen und kalendarische Nutzungen.
Sonne nutzen, um damit Dinge gezielt zu erwärmen. Unter anderem die Griechen und Römer verwendeten bereits rudimentäre Umsetzungen des Prinzips, wie im zurückliegenden Kapitel dargestellt. Doch es war nach heutigem Wissensstand der Schweizer Universalgelehrte Horace-Bénédict de Saussure, der erstmals eine wirklich "technische" Herangehensweise ersann. Er baute im 18. Jahrhundert die erste Hot Box, wie man es heute nennen würde.
Eine Holzkiste, innen schwarz gestrichen und nach oben mit einer (in späteren Versionen mehrere) Glasscheibe abgedeckt. Schon mit seinen ersten Prototypen erreichte er fast 90°C. Bis heute wird das Prinzip unter anderem von Camping-Enthusiasten zum Kochen genutzt. Allerdings greifen diese meist auf die verbesserte Version eines weiteren Erfinders der damaligen Epoche zurück:
Die Sonne nutzen, um ihr Licht oder ihre Wärme in eine andere Energieform umzuwandeln. Das ist, bezogen auf die gesamte Geschichte einer gezielten Sonnennutzung, ein eher junger Gedanke. Unter anderem liegt das daran, weil verschiedenste andere theoretische Grundlagen entdeckt und technische Erfindungen gemacht werden mussten.
Unter diesem Aspekt dürfte es kaum verwundern, wie sehr die Industrialisierung im 19. Jahrhundert auch im "solaren Bereich" für wichtige Initialzündungen sorgte. Der wohl prominenteste Vordenker in diesem Bereich war der Franzose Augustin Mouchot, ein Gymnasiallehrer. Einige wichtige Stationen seines Schaffens:
Wie schon mehrfach in der Geschichte war der Erfinder schlichtweg seiner Zeit zu weit voraus. Erst seit einigen Jahren erhält Augustin Mouchot von der wissenschaftlichen Community Meriten als erster echter Vordenker der modernen Solarthermie.
Das späte 19. und frühe 20. Jahrhundert ist vielen zwar als ein Zeitraum von Schlag auf Schlag erfolgender Erkenntnisse und Erfindungen bekannt. Jedoch kommt das Thema Nachhaltigkeit darin kaum vor. Zu sehr sind diese Jahrzehnte mit Kohle, Öl und davon angetriebenen fossilen Techniken verknüpft. Allerdings gab es bei genauerem Hinsehen schon damals einige Entwicklungen und Vordenker, die aus heutiger Sicht nicht nur beeindruckend, sondern überaus fortschrittlich waren - und in ihrer damaligen Zeit regelrecht gegen den Mainstream agierend.
Eine dieser Personen war Clarence M. Kemp. Eigentlich ein Metallfabrikant aus Baltimore, bekam er 1891 das weltweit erste Patent für ein System, das verblüffend einem modernen Solarthermie-Röhrenkollektor ähnelt. Schon ein Jahr später war daraus ein marktreifes Produkt geworden, das vor allem im US-Südwesten erste Abnehmer fand - zu einer Zeit, als man dort noch Jahrzehnte von Stromnetzen entfernt war.
Doch nicht nur das: 1909 nahm sich Kemps Landsmann William Bailey das Konzept nochmals vor. Wo das Kemp'sche System das Brauchwasser direkt erhitzte, trennte Bailey es in zwei Wasserkreisläufe auf - wodurch sich im Kollektor stets dasselbe Wasser befand. Heute kaum bekannt, wurde daraus ein Renner: Bis die Firma 1941 - kriegsbedingt - die Produktion einstellen musste, hatte sie mehrere Tausend Anlagen fabriziert. In vielen anderen sonnigen Teilen der USA verkauften weitere Unternehmen vergleichbare Systeme. Nirgendwo sonst auf der Welt wurden damals so viele häusliche Warmwasserversorgungen durch Sonneneinstrahlung realisiert.
Wer sich nun fragt, warum dieses "erste Zeitalter der Solarthermie" endete, bekommt eine vielleicht ernüchternde Antwort: Öl, Kohle und elektrischer Strom waren nach dem Zweiten Weltkrieg unsagbar billig. Zudem bildeten sich die ersten großen Energieversorger-Konzerne. Diese Marktmacht drückte die Solarthermie schlichtweg beiseite.
Weiter oben haben wir erläutert, dass sämtliche Stromerzeugung durch Licht - und somit Photovoltaik - auf dem photoelektrischen Effekt beruht. Dieser Effekt wurde ab den späten 1830ern erstmals wissenschaftlich erkundet. Er war deshalb die zentrale Grundlage, auf der überhaupt Photovoltaik entwickelt werden konnte.
Die Geschichte der Entdeckung könnte problemlos ganze Bücher füllen. Denn dabei handelte es sich um einen Prozess, der prinzipiell von 1839 bis 1923 andauerte - und der zahlreiche der genialsten Köpfe ihrer Zeit beschäftigte. Schon aus Platzgründen deshalb hier nur eine kurze Auflistung der wichtigsten Jahre, Personen und Entdeckungen/Erfindungen:
In den folgenden beiden Jahrzehnten kamen zudem noch verschiedene sehr wichtige Entwicklungen der Halbleitertechnik hinzu. Zusammen mit dem verstandenen photoelektrischen Effekt bestanden ab zirka Mitte der 1930er die Grundlagen, um die ersten "richtigen" Solarzellen basierend auf Halbleitern zu erschaffen.
Bis in die späten 1940er hatte man rund um den Globus nicht nur verstanden, warum sich mit Licht Strom erzeugen lässt, sondern bereits erste funktionale Systeme erschaffen. Das Problem: Die Wirkungsgrade waren verschwindend gering. Viel Licht erzeugte also nur wenig Strom. 1953 änderte sich das. Damals waren die US-amerikanischen Bell Laboratories eines der leistungsfähigsten Forschungslabore der Welt. Zahlreiche bahnbrechende Erfindungen/Entdeckungen waren hier bereits gemacht worden - etwa die Grundlagen der Radioastronomie, Stereo-Klang sowie verschiedene Computer.
Ebenfalls wurde in den Laboren intensiv an Photoelektrik geforscht. In diesem Zusammenhang gelang es
1953 erstmals, eine Solarzelle aus kristallinem Silizium zu erschaffen. Im Frühjahr des Folgejahres ging das Trio an die Öffentlichkeit. Aus heutiger Sicht mögen die Wirkungsgrade von 4 bis 6 Prozent gering wirken (heutzutage bringen es handelsübliche Zellen auf 20 bis 24 Prozent und im Labor sogar schon auf 47,6 Prozent). Allerdings war das damals nicht weniger als eine gigantische Revolution. Sie war so bedeutend, dass bis heute der überwiegende Teil aller Photovoltaik-Systeme ebenfalls auf Silizium fußt.
In unendlichen Weiten: Photovoltaik und ihre Rolle bei der Erkundung des Weltalls Bereits 1955 wurden die ersten so konzipierten Solarzellen genutzt, um in entlegenen Gegenden der USA Verstärker für Telefonsignale mit Strom zu versorgen. Allerdings gab es damals auf der Erde noch keinen wirklichen Bedarf für Solarstrom - abermals aufgrund der extremen Niedrigpreise für fossile Energieträger.
Dennoch fand die Technik rasch ihre Nische, in der sie sich entwickeln konnte. Denn nahezu zeitgleich begann die Menschheit ihren "Griff nach dem Weltraum". 1957 platzierte die Sowjetunion den ersten menschgemachten Satelliten, Sputnik 1, in einer Umlaufbahn. Ein Jahr später legten die USA mit Explorer 1 nach - beide Satelliten nutzten noch Batterien.
Doch schon, als die USA 1958 Vanguard 1 starten, hatet der kleine Satellit eine rudimentäre Solaranlage mit an Bord. Leider stand das Vanguard-Projekt unter keinem guten Stern. Keiner der drei Satelliten konnte in einem Orbit platziert werden. Allerdings waren wichtige Beweise erbracht:
1. Jenseits der störenden Erdatmosphäre konnte Photovoltaik ihre Stärken vollends ausspielen.
2. Obwohl Solartechnik pro Kilowattstunde extrem kostspielig war, war sie gegenüber der einzigen Alternative - sogenannte Radioisotopengeneratoren - günstiger, kompakter und ungefährlicher.
3. Durch die Stromversorgung mit Photovoltaik konnten langlebigere, komplexere, teurere Raumprojekte angestoßen werden. Insofern wäre die gesamte Geschichte der Raumfahrt ohne Solarstrom völlig anders gelaufen. Wir hätten keine Kommunikations- und sonstigen Satelliten. Und ob der Mensch jemals den Mond betreten hätte, darf ernsthaft bezweifelt werden.
Das einzige echte Limit ist die Entfernung zur Sonne. Nach heutigem Stand liefert Photovoltaik nur bis zum Mars genügend Strom. Jenseits unseres "roten Nachbarn" ist das Sonnenlicht zu schwach. Sämtliche Raumsonden stützen sich deshalb auf besagten Radioisotopengenerator.
In den 20 Jahren, seitdem die Silizium-Solarzelle erfunden worden war, waren die erdgebundenen Anwendungen für Photovoltaik äußerst limitiert. Ein klassisches Henne-Ei-Problem: Die Kosten für Solarmodule waren sehr hoch, dadurch blieb die Nachfrage gering, was wiederum ein kostensenkendes Hochfahren der Produktion verhinderte.
1973 änderte sich das. In diesem Jahr wurde Israel von mehreren Nachbarstaaten gleichzeitig attackiert. Unter anderem die USA reagieren mit Notlieferungen von militärischem Gerät. Das wiederum veranlasste mehrere arabische OPEC-Staaten zu einer Drosselung der Ölförderung. Der Rückgang belief sich lediglich auf fünf Prozent. Die Auswirkungen waren jedoch gigantisch. Zwischen Oktober 1973 und dem Jahresende 1974 schoss der globale Ölpreis von drei auf mehr als zwölf Dollar pro Barrel hoch.
Da die damalige Öl-Abhängigkeit so enorm war, kam es in verschiedenen westlichen Ländern zu Wirtschaftseinbrüchen von bis zu einem Viertel der Gesamtleistung. Menschen horteten Kraftstoffe, Regierungen reglementierten das Tanken und führten Fahrverbote ein. Aus heutiger Sicht war diese Ölkrise nicht weniger als eine Zeitenwende. Nicht nur führte sie dem Westen seine Abhängigkeit vor Augen, sondern weckte erstmals ein breitgesellschaftliches Bewusstsein für die Notwendigkeit von unterschiedlichsten Energiesparmaßnahmen - und alternativen Energiequellen.
Hatte sich Photovoltaik zuvor nur im Weltall bewähren können, war das die Initialzündung dafür, sie viel stärker auf der Erde einzusetzen. Forschungsbudgets wurden erhöht, neue Unternehmen traten auf den Plan, die Wirkungsgrade wuchsen. Es wäre übertrieben, so zu tun, als hätte die Krise nur den Boom der Solartechnik angestoßen. Aber Photovoltaik profitierte definitiv sehr stark von diesem Weckruf. Schon 1973 wurde das erste solarstromversorgte Haus in Delaware gebaut. 1976 rollte das erste wirklich straßentaugliche Solar-Auto. 1977 wurden weltweit mehr als 500 Kilowatt Solarleistung installiert. Bereits sechs Jahre später belief sich die Leistung auf über 21 Megawatt und wurde erstmalig ein Umsatz von einer Viertelmilliarde US-Dollar mit Photovoltaik gemacht.
Es mag 1973 nur eine Drosselung um lediglich fünf Prozent der Ölförderung gewesen sein. Ihr verdanken wir jedoch das heutige Standing von Solarstrom in jeglicher Hinsicht. Ohne dieses Ereignis wäre die Entwicklung deutlich zögerlicher abgelaufen. Nicht nur wäre der Klimawandel wahrscheinlich noch stärker vorangeschritten, sondern hätten wir weniger Mittel, um ihn zu bekämpfen.
04.07.2024
Alle "Tipps-und-Tricks"-Artikel wurden dem Unternehmen von einen Sponsoringpartner zur Verfügung gestellt. Die Inhalte sind redaktionell nicht aufgearbeitet worden.
CLASSIC ROCK RADIO
Die besten Rocksongs für das Saarland
www.classicrock-radio.de»
