Thema des Tages

Erneuerbare Energie aus Kälte des Weltraums

Wissenschaftler haben ein überraschend simples Gerät vorgestellt, das bei Nacht durch sog. „Strahlungskühlung“ Strom erzeugen kann ? wenn auch nur in geringen Mengen. Es könnte z.B. in Gegenden eingesetzt werden, in denen Stromanschlüsse Mangelware sind.

Fossile Brennstoffe wie Kohle oder Erdöl gehen langsam aber sicher zu Neige. Nicht nur deshalb wird die Bedeutung erneuerbarer
Energiequellen immer präsenter. Sonnen- und Windenergie, Erdwärme, Wasserkraft oder Biomasse sind klimafreundlich und nahezu unbegrenzt vorhanden ? dennoch gibt es einen wesentlichen Nachteil: Die gewonnene elektrische Energie wird nicht immer zu dem Zeitpunkt benötigt, in dem sie entsteht. Umgekehrt steht sie nicht zuverlässig dann zur Verfügung, wenn sie gebraucht wird.

Photovoltaikanlagen liefern z.B. nur tagsüber Strom, wenn die Sonne scheint. Genau dann brauchen die Menschen jedoch wenig Strom für Heizung und Beleuchtung. Es gibt zwar Möglichkeiten, die Energie zu speichern, diese sind jedoch sehr kostenintensiv und teilweise auch noch nicht vollständig ausgereift. „Könnte man nicht trotzdem irgendwie auch nachts Strom erzeugen, wenn die Solarzellen nicht funktionieren?“ ? drängt sich da dem einen oder der anderen technisch Interessierten als Frage auf; und auch Wissenschaftler der
Universitäten California und Stanford trieb diese Idee um. Nun zeigten sie, dass es geht und präsentierten vor wenigen Wochen ihre innovative Methode.

Das Prinzip dabei ist ziemlich einfach und beruht auf der sog. ?Strahlungskühlung? des Himmels, die vermutlich jedem Autofahrer bekannt ist: Wenn das Auto nachts unter freiem Himmel steht, kann sich manchmal Eis auf der Windschutzscheibe bilden ? auch wenn die Lufttemperatur über dem Gefrierpunkt liegt. Der Grund liegt im Temperaturunterschied zwischen Windschutzscheibe und
Umgebungstemperatur, der in klaren Nächten besonders hoch ist: Die Windschutzscheibe ist die „warme Seite“ und gibt einen Teil seiner Wärme über Strahlung in den Weltraum (die „kalte Seite“) ab. Dadurch sinkt die Temperatur der Scheibe unter 0°C und die Luftfeuchtigkeit friert an der Oberfläche.

Die Forscher um Aaswath Raman von der University of California in Los Angeles haben nun einen Aufbau entwickelt, der nach genau diesem Prinzip funktioniert: Das Kernstück des Stromerzeugers ist ein handelsüblicher thermoelektrischer Generator, ein sogenanntes Peltier-Element. Es erzeugt eine elektrische Spannung, wenn die eine Seite wärmer ist als die andere. (Kurzer Exkurs: Bislang hätten Entwickler meist versucht, diese Temperaturdifferenz mit Hilfe einer Wärmequelle zu erzeugen, so die Forscher. Beispielsweise wird bei einigen Systemen die sonst ungenutzte Abwärme eines Ofens dazu eingesetzt, ein wenig Strom zu generieren.) Raman und Kollegen kamen nun jedoch auf die Idee, eine „Kältequelle“ einzusetzen. Ihr Gerät trägt an der Oberseite eine mit schwarzer Farbe bestrichene Aluminiumplatte (siehe Abbildung), die sich im Verlauf der Nacht immer weiter unter die Umgebungstemperatur abkühlt, weil ein Teil der Eigenwärme als Infrarotstrahlung ins All abgegeben wird. Die Unterseite des Geräts hingegen ist mit Aluminiumrippen versehen, die die Umgebungswärme aufnehmen. Dadurch entsteht ein Temperaturgefälle im Innern des Generators.

Durchgeführt wurden die Tests auf einem Hausdach der Stanford University letzten Dezember. Dabei erzeugte ihr schuhkartongroßes Testobjekt eine Leistung von
bis zu 25 mW/m2 ? wahrlich nicht viel, aber genug, um eine einzelne LED zum Leuchten zu bringen. Die Forscher sind sich jedoch sicher, dass die Technologie mit besseren Komponenten eine etwa 20-fach höhere Leistung liefern könnte – vor allem in heißen, trockenen Klimazonen, in denen die Strahlungskühlung am stärksten ist. Damit könnte ein kleiner Aufbau auf dem Dach eines Hauses über Nacht genug Strom liefern, um ein Smartphone aufzuladen oder einen Raum mit LED-Lampen zu beleuchten.

Das Interessante dabei ist vor allem auch das einfache System, das nur aus handelsüblichen Teilen besteht, die alle zusammen weniger als 30 US-Dollar kosten (- was vermutlich manch versierten Tüftler zum Nachbasteln anregt).
Der Ansatz könnte in eine kostengünstige Technologie überführt werden, die schließlich von mehr als einer Milliarde Menschen auf der ganzen Welt genutzt werden könnte, die laut der Internationalen Energieagentur keinen zuverlässigen Zugang zu Strom haben. Auch wenn die Leistungsabgabe immer deutlich niedriger sein wird als bei Solargeräten, kann das Konzept als eigenständige Technologie genutzt werden oder in Kombination mit Solarenergie zur Stromerzeugung bei Tag und Nacht eingesetzt werden.

Dipl.-Met. Magdalena Bertelmann
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 07.11.2019

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