Energiequellen der Gegenwart
Entstehen, Existenz und Vergehen der Sterne als Energiequellen
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
- Vorwort: Was ist Energie?
- Energieatlas
- Ursache von Energie
- Fundamente aller Energiequellen
- Energiequellen im Zeitenwandel
- Nachhaltigkeit und der Blick in die Vergangenheit (Energiequellen im Zeitenwandel — Teil 1)
- Entstehen, Existenz und Vergehen der Sterne als Energiequellen (Energiequellen der Gegenwart)
- Neue Möglichkeiten am Horizont und die Zukunft ist offen
- Erneuerbare Energie im Überblick
- Direkte Nutzung der Sonnenstrahlung
- Bewegungsenergie des Windes
- Bewegungsenergie und chemische Energie von Meerwasser
- Bewegungsenergie von Fließwasser
- Wärmeenergie der Erdkruste
- Chemische Energie der Biomasse
- 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:
“Energiequellen der Gegenwart” — Leimen / Heidelberg — 22. Juli 2022
Andreas Kießling, energy design
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