Ein ganzer Planet als Stromquelle?

Unsere Erde strahlt ständig Wärme in den Weltraum ab – große Mengen bisher ungenutzter Energie. Ließe sich diese Energiequelle anzapfen? Britische Forscher haben dies untersucht und gleich zwei Methoden konzipiert, mit denen dies gelingen könnte. Eine Gewinnung von Strom aus der Wärmeabstrahlung unseres Planeten ist daher keine bloße Utopie, wie sie in der Fachzeitschrift “ Proceedings of the National Academy of Sciences“ berichten.

Windparks und Solaranlagen sind eine Quelle erneuerbarer Energien. Doch es fehlt ihnen an Konstanz. Wenn die Sonne untergeht, fahren Solaranlagen herunter. Und wenn der Wind ausbleibt, stoppen die Windräder. Gibt es noch eine andere, konstantere Energiequelle, die uns auch in der Dunkelheit der Nacht und bei Windflaute mit Strom versorgen kann? Physiker der Harvard University haben eine neue und ungewöhnliche Energiequelle untersucht: Die enorme und bislang nicht verwertete Infrarotstrahlung, die die Erde emittiert.

Denn verglichen mit dem kalten Vakuum des freien Weltraums ist unser Planet warm. Ein großer Teil der von der Sonne eingestrahlten Energie wird von der Erdoberfläche als langwellige Infrarotstrahlung wieder an den Weltraum abgegeben. Diese Abstrahlung liegt im mittleren Infrarot – und damit in einem Bereich des Spektrums, der bisher unbeachtet und ungenutzt geblieben ist. „Es ist nicht offensichtlich, wie viel Energie aus der Infrarotstrahlung der Erde gewonnen werden kann oder ob es überhaupt sinnvoll ist, dies zu versuchen – bis man sich hinsetzt und die Kalkulationen macht“, erklärt Koautor Steven J. Byrnes von der Harvard University.

Genau diese Kalkulationen haben die Harvard-Forscher nun durchgeführt – und dabei auch direkt zwei Technologien ersonnen, die die Infrarotstrahlung der Erde zur Stromerzeugung nutzbar machen könnten. Eine Variante ähnelt einem solarthermischen Stromgenerator, die andere eher einer Photovoltaik-Zelle.

Federico Capasso (links) und Steven J. Byrnes (rechts) ersinnen neue Methode der Energiegewinnung © Eliza Grinnell, SEAS Communications

Der thermische Energiefänger

Die erste Technologie besteht aus einer „heißen“ Platte mit der Temperatur der Erde und einer darauf liegenden „kalten“ Platte. Die kalte Platte besteht aus hoch emissivem Material, das sehr effizient Wärme nach oben abgibt und dabei abkühlt. Diesen Effekt bezeichnet man auch als Strahlungskühlung. Weil die untere Platte diesen Effekt nicht zeigt, entsteht ein Temperaturgefälle – und daraus ließe sich Energie gewinnen.

Basierend auf einer Studie, die die Infrarotstrahlung der Erde in Oklahoma gemessen hat, kalkulierten die Forscher, dass dieses System Strom von einigen wenigen Watt pro Quadratmeter erzeugen kann. Als schwierig schätzen die Wissenschaftler ein, die kalte Platte dabei kälter als die Temperatur der Umgebung zu halten. Jedoch zeigen ihre Überlegungen das generelle Prinzip: Unterschiede in der Temperatur können Leistung generieren, wie die Forscher ihre Ergebnisse einordnen. „Wir kombinieren damit die bekannten Prinzipien der Wärmemaschine und des Strahlungskühlens“, erklärt Byrnes.

Der optoelektronische Energiefänger

Die zweite Variante nutzt ebenfalls Temperaturunterschiede, aber zwischen zwei elektronischen Bauteilen, einer Diode und einer Antenne. Aus der Physik ist bekannt, dass eine Diode eine positive Spannung erzeugen kann, wenn sie eine höhere Temperatur hat als ein Widerstand. Dieses Prinzip machen sich Federico Capasso von der Harvard University und sein Team zunutze.

Die Funktion des Widerstandes übernimmt in dem Modell der Physiker dabei eine mikroskopische Antenne, die sehr effizient die Infrarotstrahlung gen Himmel ableitet. Durch die starke Abstrahlung kühlt sich die Antenne selbst ab, damit sinkt auch die Temperatur dieses Widerstands gegenüber der Diode. „Mit dem Ergebnis, dass man elektrischen Strom direkt aus diesem Strahlungsprozess gewinnt, ohne dass ein makroskopisches Objekt im Zwischenschritt abgekühlt werden muss“, so Byrnes.

Die Methode steckt noch in Kinderschuhen

Nach Ansicht der Forscher ließe sich vor allem diese zweite Variante durchaus realisieren, vor allem im Hinblick auf jüngste technische Fortschritte in der Mikroelektronik und Nanotechnologie. Die Idee, die Wärmestrahlung unseres Planeten als Energiequelle zu nutzen, sei keineswegs utopisch. Allerdings: Noch gibt es einige Hürden zu überwinden.

„Je mehr Strom durch einen einzelnen Spannungskreis fließt, umso einfacher ist es, das System zu kontrollieren. Wenn wir aber Energie von der Infrarotstrahlung der Erde generieren, dann wird die Spannung vergleichsweise niedrig sein“, erklärt Byrnes. „Das bedeutet, dass es schwierig ist, eine Infrarot-Diode zu entwickeln, die zuverlässig arbeitet.“

Derzeit sind Ingenieure und Physiker damit beschäftigt, neue Arten von Dioden zu entwickeln, die auch bei geringer Spannung zuverlässig arbeiten, wie etwa Tunnel-Dioden und ballistische Dioden. Ein anderer Ansatz wäre die Erhöhung der Spannung auf ein für heutige Dioden praktikables Niveau. Dies könnte etwa durch die Verbesserung der elektrischen Eigenschaften des Widerstandes, der sogenannten Impedanz, gelingen. „Die Lösung des Problems könnte ein bisschen von beidem benötigen“, prognostiziert Byrnes.

Eine weitere Herausforderung für die Entwicklung wird die Geschwindigkeit sein. „Nur eine Handvoll Dioden kann heute 30 Trillionen Mal in der Sekunde schalten und diese Geschwindigkeit benötigen wir bei Infrarot-Signalen. Wir müssen also neben den Spannungseigenschaften und der Impedanz des Systems auch die Geschwindigkeit der Dioden verbessern“, sagt Byrnes. „Da wir die Zusammenhänge Spezifikationen nun kenn, sind wir aber in einer guten Ausgangsposition, um an einer praktikablen Lösung zu arbeiten“, fügt er hinzu. (Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), 2014; doi: 10.1073/pnas.1402036111 )

(School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University, 04.03.2014 – KEL)