TEIL C

Sonnenofen

Auch bei diesem System reflektieren und konzentrieren eine Anzahl von Spiegeln die Sonnenstrahlen. Allerdings werden hier wesentlich höhere Temperaturen erzielt als bei den zuvor beschriebenen Systemen.

Eine frühe Form des Solarofens wird in dem Magazin Popular Mechanics vom Mai 1924 vorgestellt. Er besteht aus 25 kegelförmig angeordneten Spiegeln und Linsen und scheint auf die Versuche des schwedisch-amerikanischen Ingenieurs John Ericsson (1803 – 1889) zurückzugehen, über den ich bereits im ‚Geschichtlichen Rückblick’ berichtet habe. Dieser Ofen soll in der Lage gewesen sein, Metallproben von 2 g zu schmelzen.

In den USA wird während des 2. Weltkrieges der praktische Nutzen von Solaröfen erprobt. So baut die AC Spark Plug Division von GE bei Flint, Michigan, gemeinsam mit der Aluminum Company of America einen Hochleistungsreflektor aus 16 Segmenten und mit einem Durchmesser von 3 m, der eine Temperatur von bis zu 1.100°C erreicht. Nach dem Krieg wird diese Anlage an das Rockhurst College in Kansas City umgesetzt.

Laut einem Bericht im Magazin Popular Science vom März 1954 steht der Ofen zu diesem Zeitpunkt auf dem Gipfel eines 1.800 m hohen Berges in der Nähe von San Diego. Nach verschiedenen Modifikationen erreicht der Reflektor aus poliertem Aluminium in seinem münzgroßen Brennpunkt Temperaturen bis zu 4.700°C und wird von der Consolidated Vultee Aircraft Corp. für metallurgische Werkstoffuntersuchungen eingesetzt. Dabei werden die extrem hitzeresistenten Verbindungen Hafniumcarbid (Schmelzpunkt: 3.890°C) und Tantalcarbid (3.880°C) entwickelt.

Weitere Solaröfen werden bei den Sandia Laboratories in Albuquerque, bei Georgia Tech und – als drittgrößte Anlage – in Natick, Massachusetts, gebaut, von wo aus die Anlage später zum White Sands Raketen-Testgelände im südlichen Neu Mexiko umgesetzt wird (s.u.).

Die eindrucksvollste dieser Anlagen bildet jedoch auch noch heute der Sonnenofen von Odeillo Font-Romeu in den französischen Pyrenäen:

In Frankreich beginnt 1946 das Centre National de la Recherche Scientifique mit der Untersuchung der verschiedenen Methoden zur Nutzung der Solarenergie. Erste Tests an großen Solaröfen werden durchgeführt, in Meudon wird ein 2 kW Ofen errichtet. Durch die erfolgreichen Versuche erkennt man 1949 die immensen Möglichkeiten der solaren Hochtemperatur-Technologie und beauftragt den französisch-deutschen Wissenschaftler Felix Trombe (1906 – 1985) zuerst mit dem Bau eines 50 kW Ofens in Mont-Louis, in den östlichen Pyrenäen, der 1953 in Betrieb geht und schon 3.000°C erreicht, und dann mit dem Bau des 1 MW Solarofens bei Odeillo.

1968 beginnt der Bau in 1.500 m Höhe – wo die klimatischen Verhältnisse eine Betriebsdauer von gut 3.000 Arbeitsstunden pro Jahr erlauben. Der Odeillo-Solarofen, dessen riesiger parabolischer Spiegel aus kleinen Einzelspiegeln fast die gesamte Fassade eines elfstöckigen Gebäudes bedeckt, geht 1970 in Betrieb und erreicht im Brennpunkt Temperaturen bis zu 3.800°C, womit in jedem Fall Stahl geschmolzen werden kann. Die Anlage besitzt auf acht vorgelagerten Terrassen 63 bewegliche Planspiegel zu je 45 m², von denen jeder aus 180 Spiegelsegmenten besteht. Diese Spiegel mit ihrer Gesamtfläche von 2.835 m² lenken ihre Strahlen auf den riesigen Parabolspiegel von rund 1.830 m², der 54 m breit und 40 m hoch ist, und in dessen Brennpunkt das Ofenhaus liegt. Dieser Hohlspiegel ist keine zusammenhängende Fläche, sondern ist aus 9.130 einzelnen Spiegelsegmenten von 48,5 x 48,5 cm zusammengesetzt, die alle der Form des Paraboloids entsprechend leicht gekrümmt sind.

Trotz dieses großen Aufwandes liefert die Anlage bei ihrer offiziellen Inbetriebnahme 1977 allerdings nur 0,06 MW, ans Netz gehen davon ganze 100 kW. Der Wirkungsgrad soll 8 % betragen, der theoretische Konzentrationsfaktor beträgt 37.700, aber durch Streuungs- und Absorptionsverluste wird nur ein tatsächlicher Konzentrationsfaktor von 20.000 erreicht. Der Odeillo-Solarofen wird vorzugsweise zum Vakuumschmelzen von Speziallegierungen benutzt und erzielt in den 1980er Jahren einen täglichen Ausstoß von 3 t.

In Odeillo werden außerdem die Vorarbeiten für das solarthermische Kraftwerk Themis geleistet, das sich ein paar Kilometer weiter bei Targasonne befindet. Es ist dort ab 1983 in Betrieb und hat eine Leistung von ca. 2 MW – 1986 wird es allerdings abgewrackt.

Ähnlich wie in Frankreich werden auch in den USA Solar-Schmelzöfen errichtet: bei den Sandia Laboratories in Albuquerque, Neu Mexiko (16 kW), bei Georgia Tech in Golden, Colorado, und – der drittgrößte – in Natick, Massachusetts, von wo aus die Anlage Ende der 1960er Jahre zum White Sands Raketen-Testgelände im südlichen Neu Mexiko umgesetzt wird, was 230.000 $ kostet. Dieser Ofen, der dort ab 1972 in erneuten Betrieb geht, erzeugt im Brennpunkt eine Temperatur von 2.900°C, was ausreicht um Stahl zu schmelzen. Allerdings wird der mit einem Shutter ausgestattete Ofen (was wie bei einer Kamera eine Kurzzeit-Belichtung von 0,1 Sekunden erlaubt) in erster Linie für Versuche genutzt, bei denen die Auswirkungen von Extremstrahlung, wie z.B. von Atomwaffen, auf Materialien und Geräte erforscht werden.

1984 wird bekannt, daß in der damaligen sowjetischen Volksrepublik Usbekistan in 1.000 m Höhe ein Solarofen zum Schmelzen besonderer Gläser und superreiner Legierungen gebaut wird, in dessen Brennpunkt Temperaturen von 3.500°C erreicht werden. Dieser Ofen besitzt 62 Spiegel à 50 m² und einen mit Tellur beschichteten Hohlspiegel – er ist technisch dem Odeillo-Solarofen sehr ähnlich. Die Erbauer sprechen allerdings von einer Leistung von 320 MW, was einige Fragen aufwirft. In Taschkent soll sich ein weiterer 1 MW Sonnenofen befinden.

1988 soll der Odeillo-Solarofen abgerissen werden, später rückt man von diesem Plan jedoch wieder ab.

Ende der 1980er Jahre entwickeln Ingenieure am NREL einen sogenannten High-Flux Solar Furnace (HFSF) mit einer Leistung von 10 kW, dessen Heliostat aus 23 gebogenen, sechseckigen Spiegeln mit einer Gesamtfläche von 32 m² besteht. Der Solarofen erreicht in seinem Brennpunkt von 10 cm Durchmesser die Stärke von 2.500 Sonnen, was durch eine spezielle Zusatzoptik auf eine noch höhere Konzentration von über 20.000 Sonnen gesteigert werden kann.

1991 wird auf dem Testgelände von Almería ein 60 kW Solarofen für den Höchsttemperaturbereich in Betrieb genommen (s.u.).

Kleinere Öfen werden weltweit in verschiedenen wissenschaftlichen Institutionen genutzt, in Deutschland zum Beispiel in Stuttgart, in München und ab 1994 in Köln, wo die Deutsche Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt (DLR) einen 15 kW Solarofen mit 147 Hohlspiegeln errichtet, der ebenfalls Metallplatten schmelzen kann. Diese Anlagen dienen zumeist für Versuche im Bereich der Werkstoffprüfung.

Ein weiterer Solarofen mit 16 kW Leistung steht im Solarforschungsbereich des Weizmann-Instituts im israelischen Rehovot. Das Spiegelfeld besteht aus 64 Heliostaten von 7 x 8 m Fläche, die mit unabhängigen Sonnennachführungen ausgerüstet sind, während der Turm eine Höhe von 54 m hat. [Diese Anlage taucht in den Quellen immer wieder auf – allerdings mit unterschiedlichen Leistungsangaben. Ich gehe davon aus, daß es sich dabei um Modifikationen im Rahmen verschiedener Versuchsanordnungen handelt.]

Anfang 2004 wird im Rahmen des Programmes Integrated Activities Transnational Access des 6. EU-Rahmenprogramms für Forschung (FP6) das europäische Programm SOLFACE (Solar high flux Facilities for Europe) gestartet, das für den Zeitraum 2004 – 2007 den Zugang der europäischen Forscher zu den Solaranlagen des CNRS (Französisches Zentrum für wissenschaftliche Forschung) in Font-Romeu Odeillo erlaubt.

Auf dem Wasserstoffweltkongreß in Lyon im Juni 2006 stellen Forscher der ETH Zürich ein neues, durchaus spektakuläres Verfahren zur Wasserstoffherstellung vor (s.d.), bei dem ausschließlich Wasser und Hitze genutzt werden. Durch das Bündeln von Sonnenlicht mit Spiegeln werden in einem chemischen Reaktor, der mit Zinkoxid gefüllt ist, Temperaturen von 2.000°C erreicht, wodurch das Zinkoxid in Zinkmetall und Sauerstoff gespalten wird. In einem zweiten Schritt läßt man das Zink mit Wasser reagieren, wodurch der Wasserstoff entsteht – sowie Zinkoxid, das wiederverwertet wird. Als Wirkungsgrad der zwei bislang gebauten Pilotanlagen werden über 50 % angegeben (zum Vergleich: Der Wirkungsgrad der Elektrolyse mittels Solarzellenstrom erreicht höchstens 15 %). Die Forscher aus Zürich rechnen allerdings damit, daß es noch 10 - 15 Jahre dauern wird, bis industrietaugliche Anlagen gebaut werden können (s.u.).

Im März 2007 wird der Sonnenofen des DLR-Projekts HYDROSOL in Brüssel mit dem mit insgesamt 1,15 Millionen Euro dotierten Descartes Preis für Forschung der Europäischen Kommission ausgezeichnet. Im Sonnenofen in Köln-Porz war es den Wissenschaftlern des DLR-Instituts für Technische Thermodynamik ebenfalls gelungen, Wasser in einem geschlossenen thermochemischen Kreisprozeß mit einem Wirkungsgrad von bis zu 50 % mittels Solarenergie in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten.

Die Arbeiten werden im Folgeprojekt HYDROSOL 2 von den Partnern DLR, dem britischen Unternehmen Johnson Matthey Fuel Cells sowie der Firma Stobbe Tech aus Dänemark umd der staatlichen spanischen Energieforschungseinrichtung CIEMAT gemeinsam fortgeführt. Koordiniert wird das Projekt vom griechischen Forschungszentrum CERTH/CPERI in Thessaloniki.

Das Ziel ist der Bau einer etwa zwanzig Mal größeren Pilotanlage im Vergleich zum DLR-Sonnenofen. Mit einer Leistung von 2 x 100 kW soll diese auf der Plataforma Solar de Almería (s.d.) in Spanien getestet werden.

Gleichzeitig arbeiten auch Spanien und die Schweiz an einem System zur solarthermischen Wasserspaltung. Im August 2007 unterzeichnet das Schweizer Startup-Unternehmen Clean Hydrogen Producers (CHP) eine Vereinbarung mit der multinationalen Alternativenergie-Firma Grupo Ibereólica mit Sitz in Madrid, welche die gemeinsame Implementierung der CHP-Technologie in Spanien und Mexiko zum Inhalt hat.

Solare Thermochemie

Unter dem Begriff Solar Fuels finden sich bereits eine Vielzahl von Vorschlägen, um mittels Sonnenenergie und den unterschiedlichsten Materialien Ersatztreibstoffe herzustellen. Meist wird dabei konzentrierte Solarwärme eingesetzt, deren Energie dann in Zuge verschiedener Prozesse gespeichert wird. Aus diesem Grund habe ich dieses Kapitel ‚solare Thermochemie’ genannt.

2001 schlagen Schweizer Forscher gewöhnliches Zink als Energieträger der Zukunft vor: Solarenergie kann über die Erzeugung von Zink aus Zinkoxid mittels konzentrierter Sonnenstrahlung als Quelle der Hochtemperatur-Prozeßwärme der endothermen Reaktion in einem haltbaren und transportfähigen Betriebsstoff gespeichert werden. Das Projekt SOLZINC ist geboren.

Im Labor für Solartechnik am Schweizer Paul Scherrer Institut (PSI) in Villigen/Schweiz wird zu diesem Zeitpunkt schon seit mehr als zehn Jahren auf dem Gebiet der Solarchemie geforscht – unter anderem entschärfen die Schweizer in ihren Sonnenöfen Sondermüll wie den mit toxischen Schwermetalloxiden kontaminierten Lichtbogen-Ofenstaub. Ein anderes Projekt widmet sich dem solaren Kalkbrennen (The Solar Lime Project), bei dem Muschelkalk oder andere Kalksorten im Labor-Maßstab mittels konzentrierter Sonnenstrahlung gebrannt werden – der erzeugte Brandkalk ist Grundstoff in der Bauindustrie.

Seit 2001 beschäftigt sich das PSI auch mit der Herstellung von Zink aus Zinkoxid mittels  konzentrierter Sonnenenergie. Im Oktober 2005 wird hierfür am PSI der weltweit leistungsstärkste Solarsimulator eingeweiht, der in seinem Brennpunkt eine Strahlungsintensität von mehr als 10.000 Sonnen sowie eine maximale Wärmeleistung von 50 kW erreicht, und der den Forschern die Durchführung von Versuchen unabhängig von den Wetterbedingungen erlaubt.

Zink liegt bei Temperaturen bis zu 420°C in fester Form vor. In einer exothermen Reaktion – also unter Abgabe von Wärme – bei rund 350°C kann das Metall Wasser spalten und hochreinen Wasserstoff für Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen liefern (s.d.). Doch aus Zink und Sauerstoff kann auch direkt Elektrizität gewonnen werden. Zink-Luft-Brennstoffzellen haben gegenüber konventionellen Energiequellen außerdem deutlich höhere Energieinhalte. Sie sind zehnmal so hoch wie bei einem Bleisystem und rund dreimal so hoch wie bei einem Lithiumsystem.

In einem typischen Laborexperiment wird ein Zwei-Kammern-Reaktor mit einem Zinkoxid-Pulver-Kohlenstoff-Gemisch beschickt. Der Reaktor wird geschlossen, mit Stickstoff gespült und zum Aufheizen in den Fokus einer so genannten ‚beam down’-Optik gerückt. Nach dem Versuch ist das Reaktionsbett praktisch verschwunden, denn die Produkte Zink und Kohlenmonoxid liegen bei den vorherrschenden Temperaturen gasförmig vor. Im nachgeschalteten Kühler kondensiert das gasförmige Zink dann nahezu hundertprozentig zu feinem Staub.

Die thermische Spaltung von Zinkoxid in Zink und Sauerstoff benötigt eigentlich Temperaturen von über 1.750°C. Dieser Wert läßt sich durch die Zugabe kohlenstoffhaltiger Materialien auf 1.000°C bis 1.400°C senken – doch dadurch wird wieder Kohlendioxid freigesetzt. Die Wissenschaftler planen daher, den Kohlenstoff in Form von Biomasse zuzuführen, was den kompletten Prozess praktisch CO₂-neutral machen würde.

Nach erfolgreichen Tests mit kleineren Aufbauten nehmen Wissenschaftler am Weizmann Institute of Science (WIS) im israelischen Rehovot eine 300 kW Pilotanlage in Betrieb. Sie verfügt über ein Solarfeld mit 64 unabhängig voneinander computergesteuerten Spiegeln von jeweils 56 m² Fläche, die das Sonnenlicht immer auf den gleichen Punkt lenken. In ersten Versuchen wird etwa 30 % der einfallenden Sonnenenergie für die chemische Umsetzung genutzt und damit 45 kg Zink pro Stunde produziert. Größere industrielle Anlagen sollen sogar eine Effizienz von bis zu 60 % erreichen können.

Das von der EU geförderte und über vier Jahre laufende Projekt SOLZINC endet im November 2005. Beteiligte Projektpartner sind das Institut de Science et de Génie des Matériaux et Procédés (CNRS-IMP) in Odeillo (Frankreich), ScanArc Plasma Systems AB in Hofors (Schweden), das Weizmann Institute of Science/Solar Research Facilities Unit in Rehovot (Israel) sowie die ETH Zürich/Renewable Energy Carriers (Schweiz). In den 4 Jahren beläuft sich das Gesamtbudget aller Partner auf 3 Mio. €. Dabei kommen von der EU rund 1,3 Mio. € und vom Schweizer Staatssekretariat für Bildung und Forschung etwa 0,4 Mio. €, während den Rest die Partner selbst beisteuern.

Eine sehr ausführliche Darstellung der solartermischen Dissoziation von Zinkoxid bildet die Dissertation von Michael Keuneke am Paul Scherer Institut im Jahr 2004 (PDF-Datei).

Eine weitere Variante der solaren Thermochemie bildet das Silan-Konzept von Peter Plichta. Denn Silizium eröffnet neben der Photovoltaik auch noch andere Möglichkeiten, Fahrzeuge anzutreiben. Bei der Produktion der Silikone aus dem Metall, heute eine Megatonnen-Industrie, entsteht als Nebenprodukt eine brennbare Flüssigkeit. Dieses Tetramethylsilan (TMS) hat etwa die Energiedichte von Benzin, erzeugt allerdings auch Kohlendioxid.

Bereits in den 1970er Jahren läuft auf dem Werksgelände der bayerischen Wacker-Chemie in Burghausen einige Stunden lang ein VW-Motor tadellos mit flüssigem Silizium-Treibstoff. Doch dann bleibt er stehen, denn in den Zylindern hat sich Sand angesammelt, der aus dem Verbrennungsprozeß entsteht. Ähnliche Versuche laufen bei Dow Corning im US-Bundesstaat Michigan. Die entstehenden Sandteilchen sind so klein, daß eine Autokolonne eine weiße Staubfahne hinter sich herziehen würde. Der Staub wird deshalb im Auto zurückgehalten, und beim Tanken gibt der Fahrer den vollen Sandsack zurück. Mit TMS betankte Trecker lassen den entstehenden Sand einfach hinter sich auf den Acker fallen. Hier gibt es jedoch bereits nach drei Tagen Probleme mit den Kolbenringen, die sich festfressen.

Peter Plichta, Chemiker an der Kölner Universität, untersucht zu jener Zeit, ob auch Silizium die Fähigkeit der Kohlenstoffatome besitzt, sich zu langen Ketten zu verbinden und so unterschiedliche chemische Substanzen zu bilden. Bereits in den 1950er Jahren steckt die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) einige Millionen DM in das Projekt. Das Resultat sind jedoch Stoffe mit nur zwei, drei oder vier Siliziumatomen, die außerordentlich gefährlich sind und wie Schießpulver brennen. Plichta gelingt es dagegen 20 Jahre später mit längeren Ketten aus Siliziumatomen auch stabile Silane herzustellen – an eine Nutzung als Brennstoff denkt jedoch noch niemand. Plichta veröffentlicht allerdings nichts über die gefundenen Kettenmoleküle aus fünf bis zehn Einheiten von Silizium und Wasserstoff (er besitzt jedoch ein diesbezügliches Patent von 1976).

Erst noch einmal 20 Jahre später kommt er auf seine Kölner Experimente zurück. Mit dem Düsseldorfer Unternehmer Klaus Kunkel sowie zwei Fachleuten für Verbrennungsprozesse und Raketenmotoren entwickelt er das Konzept für einen Siliziumtreibstoff in der Raumfahrt. Während andere Antriebe nur den Sauerstoff der Luft nutzen können, nutzen die Silane auch den Stickstoff, der fast 80 % der Atmosphäre ausmacht. Raumschiffe könnten so am äußersten Rand der irdischen Lufthülle operieren, ohne deshalb Sauerstoff mit in den Orbit schleppen zu müssen. Die Industrie winkt zwar ab, doch das Team wendet sich an den Frankfurter Anorganik-Professor und Siliziumspezialist Prof. Norbert Auner, der einige Milliliter des Silanöls herstellt, das anschließend am Fraunhofer Institut für Chemische Technologie auf seine Schubkraft untersucht wird. Es zeigt sich, daß das Silanöl sogar noch effizienter ist als der herkömmliche Raketentreibstoff Hydrazin. Es erzeugt beim Verbrennen fast genauso viel Energie wie Benzin – und Plichta denkt nun an Autos, die eines Tages mit modifizierten Strahltriebwerken aus der Raumfahrt über die Autobahnen zischen. Doch auch diesmal geht es dann nicht viel weiter.

1999 wird ein bereits 1993 beantragtes Patent von Peter Plichta und Walter Büttner veröffentlicht (EP 0923499), in dem ein Untertassen-ähnliches Raumschiff beschrieben wird, das mit der Silan-Technologie angetrieben wird.

Als Gudrun Tamme, Chemikerin beim Wacker-Konzern, auf einem Kongress zur industriellen Anwendung von Silizium im Mai 2000 von einem merkwürdigen Zwischenfall berichtet, der sich bei der Herstellung von Silanen zwei Jahre zuvor ereignet hatte, gewinnt das Thema neues Interesse. Damals hatte sich das Pulver aus Silizium und Kupferoxid plötzlich auf 400°C aufgeheizt, worauf das Speichersilo sofort von außen mit Wasser gekühlt wird, während man in den Tank Stickstoff bläst, um die chemische Reaktionen mit Sauerstoff zu ersticken, was jedoch nicht funktioniert. Stattdessen wird das Feuer durch das Gas nur noch mehr angefacht, und erst das hineingeblasene Edelgas Argon kann die Temperatur wieder senken. In der Asche findet sich später Siliziumnitrid, das zu Klumpen zusammengesintert ist, während Silo-Bauteile aus Eisen regelrecht weggeschmolzen sind. Berechnungen ergeben, daß die Temperaturen stellenweise 6.000°C Grad erreicht haben.

Der Hinweis auf diese möglicherweise gefährliche Mischung ist für Norbert Auner der Beweis für eine chemische Reaktion, die für ihn nicht weniger als einen ganz neuen Ansatz zur Lösung zukünftiger Energieprobleme bedeutet.

Auch Plichta behauptet, „nach 30 Jahren Nachdenken“ einen Kreislauf-Prozeß gefunden zu haben, der die Elemente Silizium, Stickstoff und Wasserstoff praktikabel und effektiv verknüpft, und ihm werden im September 2000 auch zwei entsprechende Patente erteilt. Dieser Kreislauf besteht aus fünf Schritte:

1. Mit Hilfe von Solarzellenstrom aus Wüstengebieten wird der umgebende Sand in reines Silizium verwandelt, wobei Temperaturen von 2.000°C benötigt werden.
2. Das pulverförmige Silizium läßt sich völlig gefahrlos transportieren. In einer anderen Fabrik werden dann mittels Wasserstoff höhere Silane gebildet, die fast genau so viel Energie enthalten wie Benzin.
3. Das ‚Silan-Benzin’ treibt dann Fahrzeugmotoren an, wobei als zusätzlicher Treibstoff feines Silizium-Pulver hinzugefügt wird, damit die Reaktion nur mit dem Stickstoff in der Luft erfolgt und als Nebenprodukt Silizium-Nitrid entsteht, aus dem wiederum eine superharte Keramik hergestellt wird.
4. Überschüssiges Silizium-Nitrid wird gesammelt und in einer Fabrik zu Ammoniak zerlegt, der zweithäufigsten und sehr energieaufwendigen Industrie-Chemikalie.
5. Das Ammoniak dient wiederum als Brennstoff, etwa in Kraftwerken, wobei lediglich Stickstoff und Wasser freigesetzt werden.

Einen ähnlichen Kreislauf beschreibt Auner, der ebenfalls ein Patent einreicht. Seinen Ablauf weist er gemeinsam mit Fachleuten der Wacker-Chemie in Burgdorf bei München nach. Während der erste enorm energieaufwendige Schritt, die Isolierung des Silizium aus Sand, inzwischen durch neue Ansätze der Grundlagenforschung vereinfacht wird, will Auner den zweiten Schritt überspringen und die Reaktion von Siliziumpulver mit Stickstoff dadurch verstärken, daß er Kupferoxid zumischt. Schon bei 400 – 500°C – und das ist neu – beginnt die Reaktion in dem Glasofen, in welchem die Temperatur so lange steigt, bis schließlich bei über 1.000°C das zugesetzte Kupfer glühend aus dem Reaktor tropft.

Auner denkt daran, aus dem Siliziumnitrid auch Silikone herzustellen, während der Ammoniak elektrolytisch zerlegt werden könnte, um mit dem Wasserstoff über Brennstoffzellen Autos anzutreiben.

Im November 2000 schafft es Auners Arbeit dann sogar auf den Titel des ‚Stern’. Sand – das Öl der Zukunft, wird der Artikel betitelt, doch die Entwicklung wird zeitweilig von Kontroversen zwischen Plichta und Auner überschattet, bei denen es um die wahre Urheberschaft der Idee geht. Ganz abgesehen davon, daß Auner die Entdeckung Plichtas anfänglich für nicht realisierbar erklärt hatte...

In der WDR-Wissenschaftsserie Quarks&Co. wird am 17.04.2001 etwa 3 ½ Minuten darüber berichtet, im Oktober veröffentlicht Plichta sein Buch ‚Benzin aus Sand – Die Silan-Revolution’, in der Sendung Dschungel mit Peter Pütz wird das Thema am 08.01.2002 behandelt, und in der Ausgabe des Magazins Raum & Zeit vom Januar/Februar 2002 erscheint ein längerer Artikel – doch seitdem ist es still geworden um diese solare Thermochemie.

Aus einer privaten Korrespondenz erfahre ich im März 2008 allerdings, daß sich inzwischen auch Daimler mit höheren Silizium-Wasserstoffen der 3. Generation beschäftigen soll.

Ein weiteres Verfahren nutzt Metalle als Treibstoff. Schon in den frühen 1980er Jahren versucht Solomon D. Labinov in Kiew in der Ukraine mikrometergroße Eisenpartikel als Treibstoff in einem Verbrennungsmotor zu verwenden, doch die Metallasche verstopft ihm die Ventile, Zylinder und Zuführungen. Im Oktober 2006 berichtet der inzwischen im amerikanischen Oak Ridge National Laboratory forschende Wissenschaftler dann von erfolgreichen Experimenten mit 50 nm großen Eisenpartikeln. Statt 2.000°C verläuft die Verbrennung durch Nutzung der Nanometalle nunmehr bei nur 800°C, was auch den Motor nicht mehr zum Schmelzen bringt. Wird das entstehende Eisenoxid bei 425°C in Wasserstoff erhitzt, so entstehen wieder Nano-Eisenpartikel daraus – der Treibstoff läßt sich also recyceln, ohne daß im Auto selbst Wasserstoff mitgeführt werden muß. Pro Volumen hat Eisen die doppelte Energie wie Benzin, und Bor – eine weitere Alternative – sogar die fünffache.

Bereits 2005 schließen sich Japanische Frscher zur Initiative ‚Entropia Laser’ zusammen. Im September 2007 arbeiten die Wissenschaftler am Tokyo Institute of Technology (TIT) an der Entwicklung eines starken, solar gespeisten Lasers. Dieser soll eingesetzt werden, um die Verbrennung von Magnesium aus dem Meerwasser zu ermöglichen. Dabei entstehen große Mengen an Wärme sowie Wasserstoff, denn das Magnesium hat eine sehr hohe Energiedichte (etwa zehnmal so viel wie Wasserstoff). Mit nur 29,3 kg Magnesium könnte ein Auto 500 km weit fahren. Das Material kommt zudem sehr häufig vor – in jedem Liter Meerwasser stecken rund 1,3 g Magnesium, in allen Ozeanen der Erde sind es Billionen von Tonnen.

Außerdem läßt sich das aus der Reaktion entstehende Magnesiumoxid wieder in Magnesium zurückwandeln – allerdings erst bei einer Temperatur von 3.726 ºC, und für eben diese wird der von Sonnenenergie betriebene Laser benötigt.

Solar betriebene Laser gibt es zwar schon, bei denen das Sonnenlicht auf kristallines Material aus mit Neodym dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat gerichtet wird, doch bedarf es hierfür extrem großer Spiegel. Der erste solargepumpte Laser wird 1966 vorgestellt, das bislang stärkste Modell erzielt rund 500 W Ausgangsleistung – benötigt dafür aber auch rund 660 m² Kollektorfläche.

Die weitere Erfindung des TIT betrifft daher die Nutzung kleiner Fresnel-Linsen anstatt großer Spiegel, die nur rund 10 % des einfallenden Lichtes fokussieren. Mit den statt dessen rund 80 %, die nun erreicht werden, gelingt es mit einer Fläche von 1,3 m² schon 25 W zu erzielen. Man hofft mit einer 4 m² großen Fresnel-Fläche sogar 300 bis 400 W zu erreichen.

Mitte 2007 berichtet die Presse erstmalig über den Plan, Sonnenenergie einzusetzen um aus dem Klimagas CO₂ Kraftstoffe und/oder Strom zu erzeugen. Die ersten Anlagen-Prototypen werden von Clifford Kubiak und Aaron Sathrum von der University of San Diego vorgestellt. Hierbei wird die Solarenergie genutzt, um das CO₂ zwischen zwei Katalysatorflächen und Sauerstoff und Kohlenmonoxid zu spalten, aus dem anschließend z.B. Methanol synthetisiert werden kann.

Ein weiteres Team um den Wissenschaftler Rich Diver arbeitet an den Sandia National Laboratories in New Mexico, USA, an der Entwicklung dieser Technologie. Hier wird ein Counter Rotating Ring Receiver Reactor Recuperator (CR5) eingesetzt. Man rechnet jedoch noch mit 15 – 20 Jahren, bis die Technik marktreif ist. Unterstützt werden die Forschungen von Sandias hausinternen Laboratory Directed Research and Development (LDRD) Programm sowie von der DoD/DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency).

Der Reaktor, mit dem Diver ursprünglich nach Wegen gesucht hatte um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten, war eigentlich als Beitrag zu einer Wasserstoff-Energiezukunft gedacht. Er besteht aus einem röhrenförmigen Stapel von Metallringen aus Ferritmaterial, einer besonders reaktionsfähigen Verbindung aus Eisen mit Sauerstoff und anderen Metallen, wobei sich die Ringe gegeneinander drehen. Dabei werden auf der einen Seite Sonnenstrahlen durch ein Loch auf die Oberfläche des Stapels gelenkt und erhitzen diesen an der betreffenden Stelle. Beim Weiterdrehen verteilen sie die Wärme im Reaktor, so daß die Temperatur auf der sonnenzugewandten Seite auf bis zu 1.550°C steigt, und auf der sonnenabgewandten Seite auf rund 1.100°C. Sobald nun das Kohlendioxid entlang der kühleren Seite strömt, findet die Reaktion statt, bei welcher das Ferritmaterial ein Sauerstoffmolekül aus der Kohlenstoffverbindung herausbricht und an sich bindet.

Das verbleibende Kohlenmonoxid wird aufgefangen und kann zu Treibstoffen weiterverarbeitet werden, während sich der Sauerstoff in der Hitze der sonnenzugewandten Seite des Ringstapels wieder aus dem Ferritmaterial heraus löst. Dadurch regenerieren sich die Ringe und können anschließend erneut mit dem CO₂ reagieren.

Am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung der Universität Potsdam verfolgt Markus Antonietti mit seiner Arbeitsgruppe ein ähnliches Ziel, wobei das Kohlendioxid allerdings schon bei niedrigen Temperaturen um die 100°C gespalten werden soll.

Wissenschaftler vom Georgia Institute of Technology entwickeln ihrerseits Anfang 2008 eine Methode, um durch das Einfangen, Lagern und Recyceln von CO₂ ein Null-Emissions-Auto zu erreichen, bei dem das CO₂ aus dem flüssigen Treibstoff abgesondert und später an einer Tankstelle abgeliefert werden soll. Von dort aus wird es zu einer Fabrik transportiert, um eingelagert oder wieder in Treibstoff umgewandelt zu werden. Dieses Projekt wird von der NASA und dem Pentagon gefördert.

Eine weitere Form des Einsatzes von Solarenergie bilden solarthermische Synthesegas-Reaktoren, wie sie 2008 beispielsweise in einem Kooperationsprojekt der University of Colorado in Boulder, der Colorado State University in Fort Collins und dem National Renewable Energy Laboratory in Golden entwickelt werden. Es zeigt sich, daß bei einer Temperatur von über 1.200°C in Anwesenheit von Dampf aus der Biomasse eine sehr schnelle Pyrolyse von mehr als 90 % der Biomasse möglich wird. Außerdem verhindert die schnelle Erhitzung über eine nur kurze Zeit die Bildung von Teer. Über dieses und ähnliche Systeme berichte ich auch im Kapitel über Methan und synthetische Kraftstoffe.

Ein besonderes 'Versuchsfeld' für Solarenergie bildet die als nächstes präsentierte Almería-Anlage in Spanien, über die ich schon verschiedentlich gesprochen habe. Dort werden alle verschiedenen Hochtemperaturkonzepte direkt nebeneinander umgesetzt, untersucht und weiterentwickelt.

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