Energiequellen der Gegenwart

Entstehen, Existenz und Vergehen der Sterne als Energiequellen

Energiequellen der Gegenwart
Energiequellen der Gegenwart; Bild copyright by Adobe Stock No. 251615815

Energiequellen der Gegenwart

Entstehen, Existenz und Vergehen der Sterne als Energiequellen

„Die Sum­me der Din­ge ist unbe­grenzt, und sie alle kön­nen sich inein­an­der ver­wan­deln. Das alles beinhal­tet sowohl das Lee­re als auch das Gan­ze. Die Wel­ten ent­ste­hen, wenn Ato­me in die Lee­re fal­len und mit­ein­an­der inter­agie­ren; und aus ihrer Bewe­gung, wenn sie an Mas­se zuneh­men, ent­steht die Sub­stanz der Ster­ne.“ Leu­kipp – grie­chi­scher Phi­lo­soph des 5. Jahrhunderts

Die kur­ze Ein­füh­rung zu „Ener­gie­quel­len der Gegen­wart“ zeigt, wie fas­zi­nie­rend das Ver­ständ­nis vom Ent­ste­hen, der Exis­tenz und vom Ver­ge­hen der Ster­ne als grund­le­gen­de Ursa­che aller erneu­er­ba­rer Ener­gie­quel­len sein kann.

Inhaltsverzeichnis

  1. Vor­wort: Was ist Energie?
  2. Ener­gie­at­las
  3. Ursa­che von Energie
  4. Fun­da­men­te aller Energiequellen
  5. Ener­gie­quel­len im Zeitenwandel 
    1. Nach­hal­tig­keit und der Blick in die Ver­gan­gen­heit (Ener­gie­quel­len im Zei­ten­wan­del — Teil 1)
    2. Ent­ste­hen, Exis­tenz und Ver­ge­hen der Ster­ne als Ener­gie­quel­len (Ener­gie­quel­len der Gegenwart)
    3. Neue Mög­lich­kei­ten am Hori­zont und die Zukunft ist offen
  6. Erneu­er­ba­re Ener­gie im Überblick 
    1. Direk­te Nut­zung der Sonnenstrahlung
    2. Bewe­gungs­en­er­gie des Windes
    3. Bewe­gungs­en­er­gie und che­mi­sche Ener­gie von Meerwasser
    4. Bewe­gungs­en­er­gie von Fließwasser
    5. Wär­me­en­er­gie der Erdkruste
    6. Che­mi­sche Ener­gie der Biomasse
  7. Fort­set­zung folgt …

Historische Verehrung und die Energiequelle der Sonne

Die Son­ne ist nur ein Stern unter Mil­li­ar­den von Ster­nen unse­rer Gala­xis, der Milch­stra­ße. Aber für das zuge­hö­ri­ge Pla­ne­ten­sys­tem ist sie Haupt­quel­le aller Ener­gie­an­ge­bo­te. Sie bil­det den Ursprung der Ent­ste­hung von Leben auf der Erde und der resul­tie­ren­den mensch­li­chen Ent­wick­lung. Der Him­mels­lauf der Son­ne führ­te zur Zeit­ein­tei­lung in Jah­re und Tage und ist Grund­la­ge kul­ti­scher Ver­eh­rung durch die Mensch­heit. Vie­le Hoch­kul­tu­ren in Ägyp­ten, im anti­ken Grie­chen­land und im Römi­schen Reich, als auch die Hethi­ter, die Per­ser, die Kel­ten und Ger­ma­nen sowie Azte­ken, Inkas und vie­le wei­te­re Völ­ker betrach­ten sie als zen­tra­le oder gar höchs­te Gott­heit. Die Men­schen ver­ehr­ten dabei ihre Aspek­te Licht, Ener­gie, den Ori­en­tie­rung geben­den Son­nen­lauf des Tages sowie die Jah­res­zei­ten als Rhyth­mus für Säen und Ern­ten. 

Die Son­ne selbst gewinnt ihre für Jahr­mil­li­ar­den aus­rei­chen­de Ener­gie bekann­ter­ma­ßen auf der Grund­la­ge von Kern­kräf­ten, genau­er durch Kern­fu­si­ons­pro­zes­se in ihrem Inners­ten. Das Toben der Ener­gie erfolgt dabei in einer mit 150 Mil­lio­nen Kilo­me­tern für Leben auf der Erde aus­rei­chen­den Ent­fer­nung. Ener­gie als elek­tro­ma­gne­ti­sche Solar­strah­lung in Form soge­nann­ter Pho­to­nen, also Licht, gelangt auf die­ser Basis an die Ober­flä­che der Son­ne. Die Strah­lungs­en­er­gie wird kugel­för­mig um die Son­ne in alle Rich­tun­gen abge­ge­ben und gelangt über das Vaku­um zwi­schen Erde und Son­ne zur Atmo­sphä­re der Erde. Das Vaku­um bil­det hier­mit nach der Extrak­ti­on von Ener­gie in der Son­ne den natür­li­chen Trans­port­ka­nal, um Solar­strah­lung als Pri­mär­ener­gie von der Ener­gie­quel­le Son­ne zur Erde mit der Atmo­sphä­re als Schnitt­stel­le zu trans­por­tie­ren. Die­sen Extrak­ti­ons­pro­zess stellt die nach­fol­gen­de Abbil­dung dar.

Nutzung der Sonnenenergie in der menschlichen Geschichte

Um die Ener­gie der Son­ne zu nut­zen, erfan­den schon die alten Ägyp­ter Tech­no­lo­gien. Bei­spiels­wei­se wur­den zur Zeit des Pha­ra­os Ech­na­ton die Tore eines Tem­pels mit Son­nen­en­er­gie mor­gens geöff­net und abends geschlos­sen. Wie war das mög­lich? Hier­zu wird in [Bry­son, A., Bautz, S., Uber, M., 2008] fol­gen­des aus­ge­führt: „Wenn die auf­ge­hen­de Son­ne Was­ser in einem gro­ßen Behäl­ter in der Nähe des Tem­pels erwärm­te, dehn­ten Was­ser und Luft sich aus, das Was­ser im Behäl­ter lief über und floss in einen zwei­ten Behäl­ter, der per Seil­zug mit den Toren ver­bun­den war und die­se mit sei­nem Gewicht auf­zog. Bei Son­nen­un­ter­gang kühl­te das Was­ser ab und floss mit dem nach­las­sen­den Druck in den gro­ßen Behäl­ter zurück. Ein schwe­rer Stein, der als Gegen­ge­wicht dien­te, zog die Tore wie­der zu.“

Auch solar­ther­mi­sche Ver­fah­ren waren schon in der Anti­ke bekannt. „Sicher nach­ge­wie­sen ist die Ver­wen­dung von Brenn­spie­geln im anti­ken Grie­chen­land und Rom. Der grie­chi­sche Phi­lo­soph Aris­to­te­les berich­tet um 350 v. Chr. zudem, dass See­leu­te mit Hil­fe der Destil­la­ti­on durch Son­nen­wär­me Trink­was­ser aus Meer­was­ser gewan­nen.“ Die Meer­was­ser­ent­sal­zung mit Hil­fe erneu­er­ba­rer Ener­gie ist somit seit Jahr­tau­sen­den bekannt. Eben­so wur­de in einer Ort­schaft der grie­chi­schen Halb­in­sel Chal­ki­di­ki die Basis für Nied­rig­ener­gie­häu­ser gelegt, indem die Win­ter­son­ne über Öff­nun­gen im Haus spe­zi­el­les, die Wär­me gut spei­chern­des Gestein bestrahl­te, das dann nachts die Wär­me an das Haus­in­ne­re zurückgab.

Schon im 18. Jahr­hun­dert wur­den die Vor­läu­fer der heu­ti­gen Solar­kol­lek­to­ren ent­wi­ckelt. Der Phy­si­ker Edmond Bec­que­rel ent­deck­te schließ­lich 1839 den Pho­to­ef­fekt und damit die Grund­la­ge der heu­ti­gen Pho­to­vol­ta­ik. 

Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Energie

Die von der Son­ne zur Erde strö­men­de Strah­lungs­en­er­gie bil­det die Ursa­che für viel­fäl­ti­ge Wand­lungs­pro­zes­se, die natür­li­che Ener­gie­spei­cher der Erde befül­len. Die­se Spei­cher die­nen in wei­te­ren Pro­zes­sen wie­der­um als Ener­gie­quel­len. 

Bei­spiels­wei­se akti­viert Solar­strah­lung die pflanz­li­che Pho­to­syn­the­se zur Spei­che­rung che­mi­scher Ener­gie. Tie­re nut­zen die­se Ener­gie, geben che­mi­sche Ener­gie aber auch über die Nah­rungs­ket­te tie­ri­scher Lebens­for­men wei­ter. Der­ar­ti­ge Pro­zes­se gel­ten als nach­hal­tig, solan­ge sich die Ent­ste­hung von Pflan­zen und deren Abbau im Gleich­ge­wicht befin­det. Somit kann die Nut­zung von Bio­en­er­gie, die auf nach­wach­sen­den bio­lo­gi­schen Rest­stof­fen basiert, als erneu­er­ba­re Ener­gie betrach­tet wer­den, solan­ge das Gleich­ge­wicht pflanz­li­cher Kreis­läu­fe gewahrt bleibt. 

In Tie­ren und Pflan­zen gespei­cher­te che­mi­sche Ener­gie bleibt nach dem Tod erhal­ten. Des­halb konn­ten über Jahr­mil­lio­nen erd­ge­schicht­li­che Pro­zes­se auf Grund­la­ge der pflanz­li­chen und tie­ri­schen Rest­stof­fe umfang­rei­che Ener­gie­spei­cher in Form von Koh­le, Erd­öl und Gas bereit­stel­len. Die­se Spei­cher bil­de­ten seit der indus­tri­el­len Revo­lu­ti­on die vor­ran­gig genutz­ten Ener­gie­quel­len. Das Befül­len die­ser Ener­gie­spei­cher dau­er­te hun­der­te Mil­lio­nen Jah­re, wäh­rend die Mensch­heit für deren Lee­rung nur Jahr­hun­der­te benö­tig­te. Der Spei­che­rung von Roh­stof­fen über Äonen sowie deren nicht nach­hal­ti­ge Nut­zung in kur­zen mensch­li­chen Ent­wick­lungs­pe­ri­oden bil­den kein Gleich­ge­wicht. 

Umwandlung von Sonnenenergie in Wärmeenergie und Bewegung von Wasser

Die Solar­strah­lung bil­det auch die Ursa­che einer wei­te­ren erneu­er­ba­ren Ener­gie­quel­le. Die Erwär­mung der Erd­ober­flä­che durch die Son­ne sowie die unter­schied­li­chen in der Atmo­sphä­re ent­ste­hen­den Tem­pe­ra­tu­ren füh­ren zu Druck­un­ter­schie­den in der Luft, die durch Wind aus­ge­gli­chen wer­den. Inso­fern kann neben der direk­ten Ver­wer­tung der Solar­strah­lung die Atmo­sphä­re als Ener­gie­quel­le die­nen. Die Atmo­sphä­re lässt sich dabei als Tem­pe­ra­tur- und Druck­luft­spei­cher betrach­ten, der poten­zi­el­le Ener­gie auf Basis von Tem­pe­ra­tur- und Druck­un­ter­schie­den bereit­stellt. Befüllt wird die­ser Spei­cher durch die Solar­strah­lung als Pri­mär­ener­gie. Das Bestre­ben zum Aus­gleich von Tem­pe­ra­tur- und Druck­un­ter­schie­den bil­det mit Luft­be­we­gun­gen einen natür­li­chen Extrak­ti­ons­me­cha­nis­mus, aus dem Wind als Bewe­gungs­en­er­gie der Luft resultiert.

Wei­ter­hin ver­dampft die Ener­gie der Son­ne das Was­ser auf der Erd­ober­flä­che. Die resul­tie­ren­den Was­ser­kreis­läu­fe füh­ren zu Regen­fäl­len. Her­ab­fal­len­des Was­ser sam­melt sich in unter­schied­li­chen Höhen­la­gen und stellt somit wie­der­um Unter­schie­de als poten­zi­el­le Ener­gie bereit. Auch die­se Dif­fe­ren­zen stre­ben nach Aus­gleich, der durch den Fluss des Was­sers her­bei­ge­führt wird. Dabei wird poten­zi­el­le Ener­gie in Bewe­gungs­en­er­gie des Was­sers umge­wan­delt. 

Durch Ener­gie­auf­wand ergibt sich zusätz­lich die Mög­lich­keit, Was­ser in Zei­ten gerin­ge­ren Ener­gie­be­darfs auf höhe­re Lagen zu pum­pen und bei höhe­rem Bedarf zur Ener­gie­ge­win­nung wie­der nach unten flie­ßen zu las­sen. 

Lebensspendende Geburt der Sonne sowie ihrer Planeten und deren Monde

Die Exis­tenz der Son­ne star­te­te mit einer Explo­si­on. Gas­wol­ken aus Was­ser­stoff im Welt­all ver­dich­te­ten sich durch Gra­vi­ta­ti­ons­kräf­te ste­tig, bis der dabei wach­sen­de Druck im Inne­ren der Wol­ke dazu führ­te, dass Was­ser­stoff­ato­me mit­ein­an­der ver­schmol­zen. Mit der initia­len Zün­dung die­ses Kern­fu­si­ons­pro­zes­ses wur­de der lebens­spen­den­de, gel­ben Feu­er­ball gebo­ren. Die Explo­si­on schleu­der­te umge­ben­de Gase und den Staub wei­te­rer che­mi­scher Ele­men­te aus frü­he­ren Stern­ex­plo­sio­nen in Umlauf­bah­nen um die Son­ne. Die­se Mate­ria­li­en ver­dich­te­ten sich über hun­der­te Mil­lio­nen Jah­re zu den Pla­ne­ten des Sonnensystems.

Die auf dem wach­sen­den Pla­ne­ten zuneh­men­den Gra­vi­ta­ti­ons­kräf­te bewirk­ten, dass sich der Erd­kern in Ver­bin­dung mit ato­ma­ren Pro­zes­sen von im Erd­kern ein­ge­schlos­se­nen radio­ak­ti­ven Ele­men­ten auf­heiz­te. Der Erd­kern bil­det damit als Wär­me­spei­cher eine wei­te­re Ener­gie­quel­le, deren bis zur Erd­ober­flä­che auf­stei­gen­de Wär­me als erneu­er­ba­re Ener­gie mit geo­ther­mi­schen Anla­gen ange­zapft wer­den kann. Da die Mensch­heit aktu­el­le nicht fähig ist, die über Jahr­mil­li­ar­den gespei­cher­te Wär­me­en­er­gie in den Zei­ten mensch­li­cher Exis­tenz signi­fi­kant auf­zu­brau­chen, kann der Ein­satz ther­mi­scher Ener­gie aus der Erd­krus­te als erneu­er­ba­rer Pro­zess ein­ge­stuft werden.

Die oben genann­ten Pro­zes­se zur Erwär­mung des Erd­kerns sind Grund­la­ge für die Bewe­gung der Erd­plat­ten. Die­se Bewe­gung ver­än­dert stän­dig die Bede­ckung der Erd­ober­flä­che mit Meer­was­ser. Mee­re ent­ste­hen auf Land­ge­bie­ten neu und trock­nen an ande­ren Stel­len aus. Süß­was­ser fließt in die Mee­re. All dies führt zu einer stän­di­gen Inter­ak­ti­on von Was­ser mit hohem und mit nied­ri­gem Salz­ge­halt. Die­se Vor­gän­ge bil­den eine wei­te­re che­mi­sche Ener­gie­quel­le, die als erneu­er­ba­re Ener­gie nutz­bar ist.

Nicht zuletzt ist auch die Schwer­kraft zwi­schen Mond und Erde eine Ener­gie­quel­le, die Bewe­gungs­en­er­gie als Gezei­ten mit Ebbe und Flut der Ozea­ne und Mee­re bereit­stellt. 

Staub der Sterne und Schutz vor der Sonne

Grund­sätz­lich nut­zen alle Ster­ne des Uni­ver­sums Ener­gie­quel­len auf Basis von Ele­men­ten, deren Atom­ker­ne unter Ener­gie­ge­win­nung fusio­nie­ren. Der durch die Fusi­on von Was­ser­stoff in der Son­ne frei­wer­den­den Strah­lungs­en­er­gie ver­dankt jedes Leben auf der Erd­ober­flä­che sei­ne Existenz.

Ster­ben­de Stern schaf­fen aber mit ihrer unge­heu­ren Ener­gie auch schwe­re Ele­men­te, deren Ker­ne bei Spal­tungs­pro­zes­sen Ener­gie frei­set­zen. Die Wis­sen­schaft ver­mu­tet, dass natür­li­che Spal­tungs­pro­zes­se von Atom­ker­nen zur wei­te­ren Wär­me­zu­fuhr im Erd­kern bei­tra­gen, des­sen Wär­me­strah­lung neben der Solar­strah­lung und den Wir­kun­gen der Schwer­kraft die Grund­la­ge für orga­ni­sches Leben auf der Erde bildet.

Die auf Kern­fu­si­on im inne­ren der Son­ne oder auf Kern­spal­tung im Kern der Erde basie­ren­den Ener­gie­quel­len wir­ken in genü­gen­der Ent­fer­nung von mensch­li­cher Exis­tenz. Solan­ge kei­ne Rei­sen zum Erd­kern unter­nom­men wer­den, besteht also also kei­ne Gefahr für den Men­schen. Ander­seits umfasst die Nut­zung des auf der Erd­ober­flä­che abbau­ba­ren radio­ak­ti­ven Urans als spalt­ba­res Mate­ri­al erheb­li­che Risi­ken sowie über Jahr­hun­der­tau­sen­de rei­chen­de, not­wen­di­ge Maß­nah­men zur siche­ren End­la­ge­rung radio­ak­ti­ver Abfäl­le. Des­halb wird die Ener­gie der Kern­spal­tung nach der­zei­ti­gem Stand von Wis­sen­schaft und Tech­nik nicht als erneu­er­ba­re Ener­gie ver­stan­den. Die Eigen­schaf­ten, die Sta­bi­li­tät und die natür­li­che Rege­ne­ra­ti­ons­fä­hig­keit der mensch­li­chen Lebens­um­ge­bung auf der Erde sind unter Betrach­tung die­ser Aspek­te aktu­ell nicht sicher zu gewährleisten.

Bezüg­lich der wei­te­ren Nut­zung von Kern­ener­gie durch Kern­fu­si­on folgt im Aus­blick auf die Zukunft eine geson­der­te Betrachtung.

Auch die Son­ne lie­fert nur schein­bar fried­lich ihre Ener­gie zur Erde. Mäch­ti­ge Son­nen­stür­me wir­ken in der sola­ren Atmo­sphä­re. Dabei kann es zum Aus­wurf von Son­nen­ma­te­rie in das Welt­all kom­men. Die­se hoch­en­er­ge­ti­schen Teil­chen­strö­me besit­zen eine für das Leben auf der Erde töd­li­che Bewe­gungs­en­er­gie. Doch die Erde bie­tet einen Schutz­schirm, der das bio­lo­gi­sche Leben erst ermög­lich­te. Das reich­lich im Erd­kern vor­han­de­ne Eisen erzeugt durch die Dreh­be­we­gung der Erde ein Magnet­feld, dass die elek­trisch gela­de­nen Teil­chen­strö­me der Son­ne um die Erde führt. Die­se Wir­kung wird sicht­bar, wenn das Polar­licht in bezau­bern­den For­men den Nacht­him­mel erleuch­tet. Auch Magnet­fel­der ste­hen als Ener­gie­quel­len zur Ver­fü­gung. Doch in der Gegen­wart wird das Magnet­feld der Erde als Ener­gie­quel­le nicht genutzt, um elek­tro­ma­gne­ti­sche Ener­gie­flüs­se als Pri­mär­ener­gie ein­zu­set­zen. Hier exis­tie­ren freie Poten­zia­le, die von tech­no­lo­gi­schen Pio­nie­ren bereits unter­sucht wer­den. Einen kur­zen Aus­flug in das wei­te Feld mög­li­cher zukünf­ti­ger Ver­fah­ren unter­nimmt das nächs­te Kapitel.

Quel­len:

Bry­son, A., Bautz, S., Uber, M. (2008). Ange­be­tet, gefürch­tet, zunut­ze gemacht, aber nie gezähmt. In: Thys­sen Krupp Maga­zin (2008), Heft 01. Düsseldorf

Ener­gie­quel­len der Gegen­wart” — Lei­men / Hei­del­berg — 22. Juli 2022

Andre­as Kieß­ling, ener­gy design

Über Andreas Kießling 90 Artikel
Andreas Kießling hat in Dresden Physik studiert und lebt im Raum Heidelberg. Er beteiligt sich als Freiberufler und Autor an der Gestaltung nachhaltiger Lebensräume und zugehöriger Energiekreisläufe. Dies betrifft Themen zu erneuerbaren und dezentral organisierten Energien. Veröffentlichungen als auch die Aktivitäten zur Beratung, zum Projektmanagement und zur Lehre dienen der Gestaltung von Energietechnologie, Energiepolitik und Energieökonomie mit regionalen und lokalen Chancen der Raumentwicklung in einer globalisierten Welt.

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