Wie viel Energie bekommt die Erde von der Sonne? Pro Tag etwa etwa 1367 W/m2 kostenlose Energie.

Fossile Brennstoffe wie Kohle, Erdöl und Erdgas erzeugen derzeit den größten Teil unserer elektrischen und motorischen Energie. Sie sind auch für fast die gesamte Umweltverschmutzung verantwortlich. Außerdem sind sie nicht erneuerbar, d. h. ihr Vorrat ist begrenzt.

Die Sonne hingegen bietet kostenlose und saubere Energie in Hülle und Fülle. Tatsächlich liefert sie viel mehr Energie, als wir jemals verbrauchen können. Die Frage ist nur, wie und wann wir sie in vollem Umfang nutzen werden. Die Sonne scheint immer. Aus einer durchschnittlichen Entfernung von etwa 93 Millionen Kilometern und bei einer Temperatur von 5800K (fast 5500°C) bestrahlt die Sonne die Erdatmosphäre an einem durchschnittlichen Tag kontinuierlich mit etwa 1367 W/m2. Die Atmosphäre schneidet einen Teil der Energie ab und an der Erdoberfläche beträgt die Leistungsdichte etwa 1050 W/m2. Das bedeutet, dass ein Panel mit einer Fläche von 1 m2 eine Sonnenenergie von etwa 1 kW/m2 erhält, vorausgesetzt, es ist direkt der Sonne zugewandt.

Die Sonne steht im Mittelpunkt der biologischen und chemischen Prozesse auf der Erde. Ohne sie würde der Lebenszyklus von Pflanzen und Tieren enden, der zirkadiane Rhythmus aller irdischen Lebewesen wäre gestört, und mit der Zeit würde alles Leben auf der Erde aufhören zu existieren. Die Bedeutung der Sonne ist seit prähistorischen Zeiten bekannt, und viele Kulturen betrachten sie als Gottheit (oft sogar als Hauptgottheit in ihrem Pantheon).

Aber erst in den letzten Jahrhunderten hat man die Prozesse, die die Sonne antreiben, verstanden. Dank der kontinuierlichen Forschung von Physikern, Astronomen und Biologen sind wir heute in der Lage zu verstehen, wie die Sonne Energie erzeugt und wie sie diese an unser Sonnensystem weitergibt. Die Erforschung des bekannten Universums mit seiner Vielfalt an Sternensystemen und Exoplaneten hat uns auch geholfen, Vergleiche mit anderen Arten von Sternen zu ziehen.

Habitable Zone.

Die Sonne ist der Stern, der der Erde am nächsten ist. Selbst in einer Entfernung von 150 Millionen Kilometern (93 Millionen Meilen) hält ihre Anziehungskraft den Planeten auf seiner Umlaufbahn. Sie strahlt Licht und Wärme aus, also Sonnenenergie, die die Existenz von Leben auf der Erde ermöglicht.

Pflanzen brauchen Sonnenlicht, um zu wachsen. Tiere, einschließlich der Menschen, brauchen Pflanzen als Nahrung und für den von ihnen produzierten Sauerstoff. Ohne die Wärme der Sonne würde die Erde gefrieren. Es gäbe keine Winde, Meeresströmungen oder Wolken, die Wasser transportieren. Sonnenenergie gibt es schon so lange wie die Sonne - etwa 5 Milliarden Jahre. Auch wenn es die Menschen noch nicht so lange gibt, nutzen sie die Sonnenenergie schon seit Tausenden von Jahren auf vielfältige Weise.

Einer der Gründe, dass die Erde in der Habitablen Zone unserer Sonne liegt ist, dass sie sich an der richtigen Stelle befindet (weder zu nah noch zu weit entfernt), um die reichlich vorhandene Energie der Sonne zu empfangen, die Licht und Wärme enthält, die für chemische Reaktionen unerlässlich sind. Aber wie genau produziert unsere Sonne diese Energie? Welche Schritte sind daran beteiligt, und wie gelangt sie zu uns auf den Planeten Erde?

Die einfache Antwort lautet, dass die Sonne wie alle Sterne in der Lage ist, Energie zu erzeugen, weil es sich im Wesentlichen um eine massive Fusionsreaktion handelt. Wissenschaftler glauben, dass dies begann, als eine riesige Wolke aus Gas und Teilchen (d. h. ein Nebel) unter der Kraft ihrer eigenen Schwerkraft kollabierte - dies ist als Nebeltheorie bekannt. Dadurch entstand nicht nur der große Lichtball im Zentrum unseres Sonnensystems, sondern es wurde auch ein Prozess ausgelöst, bei dem der im Zentrum gesammelte Wasserstoff zu fusionieren begann, um Sonnenenergie zu erzeugen.

Dieser Prozess, der technisch als Kernfusion bezeichnet wird, setzt eine unglaubliche Menge an Energie in Form von Licht und Wärme frei. Um diese Energie vom Zentrum unserer Sonne bis zur Erde und darüber hinaus zu transportieren, sind jedoch einige entscheidende Schritte erforderlich. Letztendlich hängt alles von den Schichten der Sonne ab und von der Rolle, die jede von ihnen spielt, um sicherzustellen, dass die Sonnenenergie dorthin gelangt, wo sie zur Entstehung und Erhaltung von Leben beitragen kann.

Der Sonnen-Kern.

Der Kern der Sonne ist der Bereich, der sich vom Zentrum bis zu etwa 20-25 % des Sonnenradius erstreckt. Hier, im Kern, wird Energie erzeugt, indem Wasserstoffatome (H) in Heliumkerne (He) umgewandelt werden. Dies ist dank des extremen Drucks und der extremen Temperatur möglich, die im Kern herrschen und auf 250 Milliarden Atmosphären (25,33 Billionen KPa) bzw. 15,7 Millionen Kelvin geschätzt werden.

Das Endergebnis ist die Fusion von vier Protonen (Wasserstoffkernen) zu einem Alphateilchen - zwei Protonen und zwei Neutronen, die zu einem Teilchen zusammengebunden werden, das mit einem Heliumkern identisch ist. Bei diesem Prozess werden zwei Positronen, zwei Neutrinos (die zwei Protonen in Neutronen umwandeln) und Energie freigesetzt.

Der Kern ist der einzige Teil der Sonne, der durch die Fusion eine nennenswerte Menge an Wärme erzeugt. Tatsächlich finden 99 % der von der Sonne erzeugten Energie innerhalb von 24 % des Sonnenradius statt. Bei 30 % des Radius ist die Kernfusion fast vollständig zum Erliegen gekommen. Der Rest der Sonne wird durch die Energie aufgeheizt, die vom Kern durch die aufeinanderfolgenden Schichten übertragen wird und schließlich die Photosphäre der Sonne erreicht und als Sonnenlicht oder kinetische Energie von Teilchen in den Weltraum entweicht.

Die Sonne setzt Energie mit einer Masse-Energie-Umwandlungsrate von 4,26 Millionen Tonnen pro Sekunde frei, was einer Leistung von 384,6 Septillionen Watt (3,846×1026 W) entspricht. Zum Vergleich: Dies entspricht etwa 9,192×1010 Megatonnen TNT pro Sekunde oder 1.820.000.000 Zarenbomben - die stärkste jemals gebaute thermonukleare Bombe!

Strahlende Zone.

Dies ist die Zone in unmittelbarer Nähe des Kerns, die sich bis zu etwa 0,7 Sonnenradien erstreckt. In dieser Schicht gibt es keine thermische Konvektion, aber das Sonnenmaterial in dieser Schicht ist heiß und dicht genug, dass thermische Strahlung alles ist, was nötig ist, um die im Kern erzeugte intensive Hitze nach außen zu übertragen. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um Wasserstoff- und Helium-Ionen, die Photonen aussenden, die eine kurze Strecke zurücklegen, bevor sie von anderen Ionen wieder absorbiert werden.

Die Temperatur sinkt in dieser Schicht von etwa 7 Millionen Kelvin in der Nähe des Kerns auf 2 Millionen Kelvin an der Grenze zur konvektiven Zone. Auch die Dichte nimmt in dieser Schicht von 0,25 Sonnenradien bis zum oberen Ende der Strahlungszone um das Hundertfache ab: von 20 g/cm3 in der Nähe des Kerns auf nur noch 0,2 g/cm3 an der oberen Grenze.

Konvektive Zone.

Dies ist die äußere Schicht der Sonne, die alles umfasst, was sich jenseits von 70 % des inneren Sonnenradius befindet (oder von der Oberfläche bis ca. 200.000 km darunter). Hier ist die Temperatur niedriger als in der Strahlungszone und die schwereren Atome sind nicht vollständig ionisiert. Infolgedessen ist der Wärmetransport durch Strahlung weniger effektiv, und die Dichte des Plasmas ist gering genug, um Konvektionsströme entstehen zu lassen.

Aus diesem Grund transportieren aufsteigende thermische Zellen den Großteil der Wärme nach außen zur Photosphäre der Sonne. Sobald diese Zellen bis knapp unter die Oberfläche der Photosphäre aufsteigen, kühlt ihr Material ab, wodurch ihre Dichte zunimmt. Dadurch werden sie gezwungen, wieder an den Boden der Konvektionszone zu sinken, wo sie weitere Wärme aufnehmen und der Konvektionszyklus weitergeht.

An der Oberfläche der Sonne sinkt die Temperatur auf etwa 5.700 K. Die turbulente Konvektion dieser Sonnenschicht ist auch die Ursache für den Effekt, der auf der gesamten Sonnenoberfläche magnetische Nord- und Südpole erzeugt.

In dieser Schicht treten auch die Sonnenflecken auf, die im Vergleich zur Umgebung als dunkle Flecken erscheinen. Diese Flecken entsprechen Konzentrationen im magnetischen Flussfeld, die die Konvektion hemmen und dazu führen, dass die Temperatur der Regionen auf der Oberfläche im Vergleich zum umgebenden Material abfällt.

Photosphäre.

Die Photosphäre der Sonne, in der sichtbares Sonnenlicht und Wärme in den Weltraum gesendet werden, ist die sichtbare Oberfläche der Sonne. Hier breiten sich das Sonnenlicht und die Wärme, die auf die Oberfläche gestrahlt und konvektiert werden, in den Weltraum aus. Die Temperaturen in dieser Schicht liegen zwischen 4.500 und 6.000 K (4.230 - 5.730 °C; 7646 - 10346 °F). Da der obere Teil der Photosphäre kühler ist als der untere Teil, erscheint ein Bild der Sonne im Zentrum heller als am Rand der Sonnenscheibe, ein Phänomen, das als Limb-Darking bekannt ist.

Die Photosphäre ist Dutzende bis Hunderte von Kilometern dick und ist auch der Bereich der Sonne, in dem sie undurchsichtig für sichtbares Licht wird. Der Grund dafür ist die abnehmende Menge an negativ geladenen Wasserstoffionen (H-), die sichtbares Licht leicht absorbieren. Umgekehrt wird das sichtbare Licht, das wir sehen, erzeugt, wenn Elektronen mit Wasserstoffatomen reagieren und H- Ionen erzeugen.

Die von der Photosphäre abgestrahlte Energie breitet sich dann im Weltraum aus und erreicht die Erdatmosphäre und die anderen Planeten des Sonnensystems. Hier auf der Erde filtert die obere Schicht der Atmosphäre (die Ozonschicht) einen Großteil der ultravioletten (UV-)Strahlung der Sonne, lässt aber einen Teil davon an die Oberfläche durch. Die empfangene Energie wird dann von der Luft und der Erdkruste absorbiert, wodurch unser Planet aufgeheizt wird und die Organismen eine Energiequelle erhalten. 

Wie viel Sonnenlicht bekommen wir auf der Erde?

Tatsächlich schwankt die Menge an Sonnenlicht, die auf die Erde trifft. Einer der Gründe dafür ist die Elliptizität der Umlaufbahn unseres Planeten um die Sonne. Die Bestrahlungsstärke nimmt jedes Jahr im Februar um etwa 3 % zu und im Juli um etwa 3 % ab, da sich der Abstand zur Sonne ändert.

Abgesehen von diesen jährlichen Schwankungen kann es zu Änderungen aufgrund der Sonnenfleckenaktivität kommen, die etwa alle elfeinhalb Jahre stattfindet. Geringfügige Schwankungen über sehr viel längere Zyklen, z. B. 88 Jahre, 208 Jahre und 1000 Jahre, wurden ebenfalls festgestellt.

Solarenergie und Landwirtschaft.

Solarenergie ist für die Landwirtschaft - Ackerbau, Getreideanbau und Viehzucht - unerlässlich. Die Landwirtschaft wurde vor etwa 10 000 Jahren entwickelt und spielte eine Schlüsselrolle bei der Entstehung der Zivilisation. Solartechniken wie die Fruchtfolge steigerten die Ernteerträge. Das Trocknen von Lebensmitteln mit Hilfe von Sonne und Wind verhinderte das Verderben der Ernten. Dieser Überschuss an Nahrungsmitteln ermöglichte eine dichtere Besiedlung und strukturierte Gesellschaften.

Die frühen Zivilisationen auf der ganzen Welt richteten ihre Gebäude nach Süden aus, um Wärme und Licht zu sammeln. Aus demselben Grund und um die Luftzirkulation zu gewährleisten, wurden Fenster und Oberlichter eingesetzt. Dies sind Elemente der Solararchitektur. Weitere Aspekte sind die gezielte Beschattung und die Wahl von Baumaterialien mit thermischer Masse, d. h. sie speichern Wärme, wie z. B. Stein und Beton. Heute machen Computerprogramme die Anwendung einfacher und präziser.

Das Gewächshaus ist eine weitere frühe Entwicklung der Solararchitektur. Durch die Umwandlung von Sonnenlicht in Wärme ermöglichen Gewächshäuser den Anbau von Pflanzen außerhalb der Saison und in Klimazonen, die für sie nicht geeignet sind. Eines der frühesten Gewächshäuser stammt aus dem Jahr 30 n. Chr., noch vor der Erfindung von Glas. Es wurde aus durchsichtigen Glimmerplatten, einem dünnen Mineral, für den römischen Kaiser Tiberius gebaut, der das ganze Jahr über Gurken essen können wollte. Die Technik ist im Großen und Ganzen die gleiche wie heute, obwohl es viele Verbesserungen gab, um die Vielfalt und Menge der angebauten Pflanzen zu erhöhen.

Sobald die Lebensmittel geerntet sind, kann die Sonnenenergie zum Kochen genutzt werden. Der erste Solarkocher wurde 1767 von Horace de Saussure, einem Schweizer Physiker, gebaut. Er erreichte Temperaturen von 87,8 Grad Celsius (190 Grad Fahrenheit) und wurde zum Kochen von Obst verwendet. Heute gibt es viele verschiedene Arten von Solarkochern, die zum Kochen, Trocknen und Pasteurisieren verwendet werden, wodurch das Wachstum von Mikroben in Lebensmitteln verlangsamt wird. Da sie keine fossilen Brennstoffe verwenden, sind sie sicher, verursachen keine Umweltverschmutzung und keine Abholzung der Wälder.

Solarkocher werden in vielen Teilen der Welt in wachsender Zahl eingesetzt. Man schätzt, dass allein in Indien eine halbe Million installiert sind. Indien verfügt über die beiden größten Solarkochsysteme der Welt, mit denen täglich Essen für 25.000 Menschen zubereitet werden kann. Laut dem indischen Premierminister Manmohan Singh müssen wir uns dringend auf die Entwicklung erneuerbarer Energiequellen und den Einsatz energieeffizienter Technologien konzentrieren, da die erschöpfbaren Energiequellen im Lande begrenzt sind.

In Nicaragua wird ein modifizierter Solarkocher zur Sterilisierung medizinischer Geräte in Kliniken eingesetzt. 

Solarthermische Energie kann zur Wassererwärmung genutzt werden. Jahrhundert eingeführt wurde, war der solare Warmwasserbereiter eine große Verbesserung gegenüber Öfen, die Holz oder Kohle verbrannten, da er sauberer war und weniger Betriebskosten verursachte. Sie waren in amerikanischen Häusern in sonnigen Gegenden wie Arizona, Florida und Kalifornien sehr beliebt. In den frühen 1900er Jahren wurden jedoch kostengünstiges Öl und Erdgas verfügbar, und die Solaranlagen wurden allmählich ersetzt. Heute sind sie nicht nur wieder beliebt, sondern werden in einigen Ländern wie China, Griechenland und Japan zur Norm. In Australien, Israel und Spanien sind sie sogar für alle Neubauten vorgeschrieben.

Neben der Erwärmung von Wasser kann Solarenergie auch genutzt werden, um es trinkbar zu machen, d.h. um es zu trinken. Eine Methode ist die solare Desinfektion (SODIS). Bei der in den 1980er Jahren entwickelten SODIS-Methode werden Plastikflaschen mit Wasser gefüllt und dann mehrere Stunden lang dem Sonnenlicht ausgesetzt. Dieser Prozess reduziert die Viren, Bakterien und Protozoen im Wasser. Mehr als 2 Millionen Menschen in 28 Entwicklungsländern nutzen diese Methode täglich für ihr Trinkwasser.

Solarenergie - die Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität - ist eine weitere Anwendung der Solartechnik. Dies kann auf verschiedene Weise geschehen. Die beiden gängigsten sind die Photovoltaik (Solarzellen) und die konzentrierende Solarenergie. 

Solarpaneele und Sonnenlicht.

Die erste Solarzelle wurde in den 1880er Jahren gebaut. Die erste größere Anwendung war der amerikanische Satellit Vanguard I, der 1958 gestartet wurde. Ein mit Solarzellen betriebener Funksender funktionierte etwa sieben Jahre lang; ein mit herkömmlichen Batterien betriebener Sender hielt nur 20 Tage lang. Seitdem haben sich Solarzellen als Energiequelle für Satelliten durchgesetzt, auch in der Telekommunikationsbranche.

Solarzellen wandeln Sonnenlicht direkt in Strom um. Die von jeder Zelle erzeugte Strommenge ist sehr gering. Daher muss eine große Anzahl von Zellen zusammengeschaltet werden, wie z. B. die Paneele auf dem Dach eines Hauses, um genügend Strom zu erzeugen.

Wie viel des Sonnenlichts wandeln ein Paneel und der Rest des Systems in nutzbare Energie um? Das hängt von der Effizienz des Systems ab, insbesondere von der Umwandlungseffizienz der Paneele, wobei es sich um Durchschnittswerte über das Jahr handelt.

Auf der Erde werden Solarzellen für alles verwendet, von Taschenrechnern und Uhren bis hin zu Häusern, Geschäftsgebäuden und sogar Stadien. Das Kaohsiung World Stadium in Taiwan, das 2009 zur Ausrichtung der Weltspiele fertiggestellt wurde, hat mehr als 8 800 Solarzellen auf seinem Dach. Charles Lin, Direktor des taiwanesischen Amtes für öffentliche Arbeiten, sagte: "Die Solarzellen des Stadions machen das Stadion autark in Bezug auf den Strombedarf." Wenn das Stadion nicht in Betrieb ist, kann es 80 Prozent der umliegenden Nachbarschaft mit Strom versorgen.

Ein Paneel muss im rechten Winkel zu den Strahlen stehen, um maximale Energie zu erhalten. Jede Fehlausrichtung führt zu einer Verringerung der aufgefangenen Energie. Diese Fehlausrichtung entsteht täglich durch die Erdrotation und jährlich durch die Neigung der Polachse gegenüber der Bahnebene.

In einigen Fällen kann es sinnvoll sein, die Neigung der Paneele ein- oder zweimal im Jahr anzupassen. Die Azimutausrichtung wird normalerweise nach Süden ausgerichtet (auf der Nordhalbkugel), aber es kann sinnvoll sein, sie je nach den täglichen Lastschwankungen, der örtlichen Nachfragekurve und den Tarifschwankungen um einige Grad zu verschieben. Im Allgemeinen wird der Verbrauch am Nachmittag und Abend höher sein als  am Morgen. Und die Sonne wird bis zum Jüngsten Tag scheinen.

Konzentrierte Solarenergie.

Im Gegensatz zu Solarzellen, die das Sonnenlicht zur Stromerzeugung nutzen, wird bei der Technologie der konzentrierenden Solarenergie die Wärme der Sonne verwendet. Linsen oder Spiegel bündeln das Sonnenlicht in einen kleinen Strahl, der zum Betrieb eines Kessels verwendet werden kann. Dadurch wird Dampf erzeugt, der Turbinen zur Stromerzeugung antreibt. Diese Methode wird zum Beispiel im Solana-Kraftwerk angewandt, das vom Energieversorgungsunternehmen APS außerhalb von Phoenix, Arizona, in den Vereinigten Staaten gebaut wird. Nach seiner Fertigstellung im Jahr 2012 wird Solana eines der größten Solarkraftwerke der Welt sein. Wenn es seine volle Kapazität erreicht hat, wird es 70 000 Haushalte versorgen. Es gibt weltweit bereits sehr viele solcher Anlagen. Auch zur Erzeugung von synthetischen Treibstoffen.

Die Solarenergie birgt einige Herausforderungen. Erstens ist sie intermittierend, also nicht kontinuierlich. Wenn die Sonne nicht scheint - zum Beispiel nachts - kann kein Strom erzeugt werden. Um eine kontinuierliche Stromversorgung zu gewährleisten, müssen entweder Speicher oder andere Energiequellen, wie z. B. die Windkraft, genutzt werden. Zweitens können sowohl die Photovoltaik als auch die konzentrierende Solarenergie zwar praktisch überall eingesetzt werden, aber die dafür erforderlichen Anlagen benötigen viel Platz. Die Installation, außer auf bestehenden Gebäuden, kann negative Auswirkungen auf das Ökosystem haben, da Pflanzen und Tiere verdrängt werden. Und schließlich sind die Kosten für die Sammlung, Umwandlung und Speicherung von Solarstrom sehr hoch. Mit den technologischen Fortschritten und der steigenden Nachfrage sinken die Kosten jedoch.