Erneuerbare Energien: Welche Zukunft?

„Die Elektrizität ist nur ein neuer Agent für die Künste und die Industrie, und zweifellos werden die kommenden Generationen mit Interesse auf dieses Jahrhundert zurückblicken, in dem sie zum ersten Mal auf die Wünsche der Menschheit angewendet wurde.“ — Alfred Smee

So wie unsere Generation auf die Transformation des letzten Jahrhunderts durch die Stromerzeugung aus fossilen Brennstoffen zurückblickt, werden zukünftige Generationen die Annahme neuer erneuerbarer Ressourcen im Laufe dieses Jahrhunderts betrachten.

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Die Zukunft sollte die sein, in der wir Energie aus vollständig erneuerbaren Quellen gewinnen. Dies wird zu einer saubereren und weniger verschwenderischen menschlichen Realität führen. Hier erkunden wir 5 der vielversprechendsten erneuerbaren Energien der Zukunft.

1. Weltraum-Solarparks
2. Menschliche Energie
3. Geothermische Grundenergie
4. Quantum Dot Solarzellen
5. Kernfusion
Unsere nächsten Schritte

1. Weltraum-Solarparks

Das Wesentliche:

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Kann Energie überall auf der Erde liefern
Umgeht die aktuellen Nachteile der traditionellen Solarenergieerzeugung
Könnte in den nächsten 30 Jahren kommerziell rentabel sein

Diese Technologie wurde erstmals 1968 von einem Luft- und Raumfahrtingenieur namens Peter Glaser vorgeschlagen. Die Menschen betrachten ihn auch als den „Vater des Solar-Satelliten“.

Seitdem ist die Idee, Solarparks im Weltraum zu schaffen, ein Thema von Interesse für die wissenschaftliche Gemeinschaft. Sie haben es jedoch nie vollständig realisiert.

Dieses Modell zur Energiegewinnung basiert darauf, dass das Sonnenlicht im Weltraum weitgehend ununterbrochen ist. Die aktuelle Solartechnologie ist den Wetterbedingungen ausgeliefert. Sie kann nur während der Tagesstunden Energie erzeugen.

Weltraum-Solarparks überwinden diese Hindernisse, indem sie nächtliche Ausfälle und schlechtes Wetter eliminieren. Darüber hinaus ist das Sonnenlicht außerhalb der Erdatmosphäre 30 % intensiver als das Sonnenlicht, das wir an der Erdoberfläche erhalten.

Um einen funktionalen Solarpark zu schaffen, würden Unternehmen aufblasbare Module ins All senden, um eine strukturähnliche Glocke zu bilden, die Spiegel enthält, die das Sonnenlicht auf Solarzellen lenken und konzentrieren. Sie könnten dann diese Energie zur Erde senden.

Allerdings könnten die Herausforderungen der Raumfahrt die Entwicklung dieser zukünftigen Technologie bremsen.

Die größte Herausforderung besteht darin, die gewonnene Energie zur Erde zurückzubringen. Die von diesen Solarparks erzeugte Energie kann in Form von Mikrowellen oder einem starken Laser gesendet werden. Das Problem ist, dass die Kosten für den gesamten Prozess derzeit den Vorteil der erhöhten Energieproduktion überwiegen, den er bietet.

Der Energietransfer kann auch schädlich durch Bewaffnung oder Unfälle sein. Trotz dieser Bedenken sind die Möglichkeiten für diese Technologie großartig. Sie wird in der Lage sein, Energie an abgelegene Orte überall auf der Erde zu liefern, was von großem Wert ist.

Mit dem Aufstieg privater Raumfahrtunternehmen haben einige vorhergesagt, dass diese Technologie in 30 Jahren kommerziell rentabel sein könnte. China plant derzeit den Bau eines Weltraum-Solarparks. Sie behaupten bereits, die Technologie zu testen und streben an, bis 2050 einen funktionierenden Weltraum-Solarpark zu haben.

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2. Menschliche Energie

Das Wesentliche:

Geeignet für stark frequentierte städtische Gebiete
Kann die Wärme und kinetische Energie, die von Menschen erzeugt wird, in elektrische Energie umwandeln
Nutzen die Energie, die sonst verschwendet würde

Menschen sammeln Kalorien durch den Verzehr von Nahrung, die unser Körper in nutzbare Energie umwandelt. In vielerlei Hinsicht ähnelt unser Körper einer Maschine, wie jede andere, die Energie nutzt, um Arbeit zu verrichten. Wir verwenden diese Energie für lebenswichtige Funktionen, wie das Schlagen unseres Herzens oder das Antrieb unseres Gehirns.

Allerdings wird ein großer Teil der von unseren Körpern erzeugten Energie auch in Form von Wärme und kinetischer Energie durch Bewegung genutzt. Ein großer Teil davon wird verschwendet und bleibt von den Menschen ungenutzt.

Das mag wie eine verpasste Gelegenheit erscheinen, angesichts der Anzahl der Menschen auf der Erde und der Fläche der Ländereien, die zur Ernährung der riesigen Bevölkerung genutzt werden.

Tatsächlich war die menschliche Kraft während der meisten menschlichen Geschichte die wichtigste Form von mechanischer Energie, die uns zur Verfügung stand. Menschliche oder tierische Energie hat alle unsere Strukturen, Häuser, landwirtschaftlichen Flächen und Werkzeuge geschaffen und genutzt.

Die Energie, die von menschlichen Körpern umgewandelt wird, wurde verwendet, um die Schaufel in den Boden zu drücken, während ein Damm gegraben wurde, und als der Hammer von einem Steinmetz geschwungen wurde. Es ist erst relativ kürzlich, dass wir Menschen begonnen haben, andere Energieformen zu nutzen, nämlich fossile Brennstoffe.

Im Ruhezustand produziert der Körper einer durchschnittlichen Person etwa 100 Watt Leistung. Die Produktion ist bei der Ausführung anstrengender Aktivitäten viel höher.

Zum Beispiel kann das Radfahren 400 Watt Leistung pro Stunde erzeugen. Allerdings wurden die leistungsstärksten Radfahrer aufgezeichnet, die bis zu 1800 Watt erzeugen. Dies geschah während kurzer Anstrengungen.

Wenn man die durchschnittliche Menge an Wärme und kinetischer Energie betrachtet, die von Menschen in einer einzigen Stadt erzeugt wird (Energie, die nicht genutzt wird), kann man beginnen zu verstehen, warum Wissenschaftler diese vielversprechende erneuerbare Energiequelle beachten.

Also, mit all dieser Energie, die verloren geht, müssen wir uns die Frage stellen: Wie können wir diese Energie nutzen? Es gibt zwei große Probleme bei der Nutzung menschlicher Energie.

Das erste ist, dass die aktuellen Strategien zur Energieerzeugung nicht sehr effizient sind. Das sollte sich jedoch in Zukunft ändern. Wissenschaftler entwickeln Technologien, die diese Energie mit Effizienzgewinnen und geringeren Kosten nutzen.

Das zweite Problem, das die menschliche Energie daran hindert, eine tragfähige erneuerbare Energiequelle zu sein, ist die moderne Batterietechnologie. Die derzeit verfügbaren Batteriesysteme sind zu groß, schwer und sperrig, um diese Art von Technologie rentabel zu machen. Allerdings könnten kürzliche Durchbrüche im Bereich der Energiespeichertechniken bald in Sicht sein.

Wissenschaftler haben sich Städte vorgestellt, die in der Lage sind, genügend menschliche Energie zu nutzen, um ganze Gebäude nur durch unsere täglichen Aktivitäten zu betreiben. Tatsächlich wurde eine Straße in London mit Materialien umgebaut, die die kinetische Energie nutzen, während die Menschen entlang gehen.

Im Rahmen des Human Power Plant-Projekts plant die Universität Utrecht in den Niederlanden, ein Wohnheim zu schaffen. Es wird vollständig von den Studenten, die dort leben, betrieben.

Diese 750 Studenten werden das 22-stöckige Gebäude mit menschlicher mechanischer Energie betreiben. Dazu gehören Beleuchtung und Heizung, ohne den Einsatz fossiler Brennstoffe.

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3. Geothermische Grundenergie

Das Wesentliche:

Ist überall auf der Erde zugänglich
Lieferte eine unbegrenzte Energiequelle ohne Verschmutzung
Könnte Energie in ähnlichem Umfang wie Kernkraftwerke produzieren

Obwohl wir bereits über Technologie verfügen, um geothermische Energie an einigen Orten zu nutzen, wo vulkanische Aktivität nahe der Erdoberfläche ist, ist sie in den meisten Regionen der Welt keineswegs verfügbar.

Allerdings befindet sich tief unter der Erdoberfläche der geschmolzene Kern, der genügend Energie enthält, um den Bedarf der Menschheit mit unbegrenzter Versorgung zu decken. Wenn wir bis zum Kern bohren könnten, wären wir in der Lage, unglaubliche Mengen an sauberer und umweltfreundlicher Energie zu erschließen, die Menschen überall auf der Erde nutzen könnten.

Der Kern der Erde ist unglaublich heiß, etwa 6.000 Grad Celsius, was so heiß ist wie die Oberfläche der Sonne. Diese Wärme ist eine Kombination aus der Restwärme der Erde aus der Entstehung, der Wärme, die aus dem Zerfall radioaktiver Materialien stammt, und der Wärme, die durch Reibung erzeugt wird, wenn der dichte Kern zum Zentrum der Erde sinkt.

Also, mit dieser unglaublichen Menge an Energie unter unserem Zugriff, warum haben wir sie nicht mehr genutzt? Um auf diese Energie zuzugreifen, müssten wir bis zu einer Tiefe von 10.000 Kilometern oder mehr bohren, um auf die tiefe geothermische Wärme zuzugreifen. Die Wärme, die in diesen Tiefen gefunden wird, ist vergleichbar mit der Energie, die von einem Kernreaktor erzeugt wird.

Allerdings macht diese unglaubliche Tiefe den Bohrprozess aufgrund extremer Temperaturen kompliziert. Ein weiteres lähmendes Problem ist es, diese Energie mit den Materialien, die uns zur Verfügung stehen, an die Oberfläche zu bringen. Kupfer schmilzt bei diesen Temperaturen, ebenso wie die meisten anderen brauchbaren Materialien.

Wissenschaftler haben möglicherweise die Antwort durch eine kürzliche Entwicklung in der Graphit-Technologie gefunden. Es handelt sich um die Entdeckung von Graphen.

Graphen ist ein erstaunliches Material, das 200-mal stärker als Stahl ist und ein hervorragender Wärme- und elektrischer Leiter ist. Dieses Material ist 100-mal leitfähiger als Kupfer und beginnt erst bei etwa 4.000 Grad Celsius zu schmelzen.

Die Verwendung von Graphenstäben, die in Bereiche nahe dem Kern der Erde hinunterreichen, könnte uns eine unbegrenzte Energiequelle liefern, die zu 100 % umweltfreundlich ist und zweifellos die Energieindustrie transformieren wird.

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4. Quantum Dot Solarzellen

Das Wesentliche:

wird die aktuelle Solartechnologie durch Solarfenster revolutionieren
Konvertiert erheblich mehr Sonnenenergie
Die Technologie kann auf viele Materialien angewendet werden

Die Zukunft wird nicht nur neue Wege zur Nutzung von erneuerbaren Energien enthalten, sondern auch sehr fortschrittliche Versionen der Technologien, die wir derzeit verwenden. Wir haben es geschafft, Sonnenenergie seit einiger Zeit zu nutzen, und diese Technologie hat nicht aufgehört, sich weiterzuentwickeln.

Zuletzt hat ein Wissenschaftler die Technologie der Quantum Dot Solarzellen entwickelt.

Quantum Dots sind Nanokristalle, die aus Halbleitermaterialien hergestellt werden. Eine dünne Beschichtung dieser Zellen kann auf eine Solarzelle aufgebracht werden. Die Quantum Dots absorbieren das Sonnenlicht, um die Nanokristallpartikel zu erregen.

Die Bandlücke dieser Quantum Dots entspricht der Frequenz des Sonnenlichts, das sie empfangen, was ihnen ermöglicht, mehr als 65 % des Sonnenlichts in Energie umzuwandeln.

Das ist viel mehr als jede Solarenergie-Technologie, die wir heute haben, wobei die durchschnittliche Solarzelle, die heute verwendet wird, einen Wirkungsgrad von etwa 15 % erreicht.

Dies, zusammen mit der Tatsache, dass Quantum Dot Solarzellen viel leichter, vielseitiger und langlebiger sind als unsere aktuellen Solarzellen, bedeutet, dass diese Technologie das Potenzial hat, viele Materialoberflächen zu transformieren.

Eine vielversprechende Anwendung für diese Technologie sind Solarfenster. Diese Fenster könnten Strom erzeugen und gleichzeitig Isolierung und Beschattung bieten. Die Fenster sind unglaublich effizient, da die vordere Schicht das blaue Licht absorbiert, während die zweite Schicht den Rest des Spektrums absorbiert.

Die Quantum Dots der zweiten Schicht eines Solarfensters emittieren Photonen mit einer längeren Wellenlänge, sodass die in den Fensterrahmen integrierten Solarzellen die Energie in Elektrizität umwandeln können. Diese Technologie wäre relativ kostengünstig und könnte die Kosten für Solartechnologie erheblich senken.

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5. Kernfusion

Das Wesentliche:

Hat das größte Potenzial, das Gesicht der Energieproduktion zu verändern
Kernfusionsenergie ist 100 % sauber im Vergleich zur aktuellen Kernspaltungsenergie
Kleine Produktionsanlagen wären tragbar

Die Menschen betrachten die Nukleartechnologie manchmal als eine „schmutzige“ Methode zur Energieerzeugung, da die derzeitige Methode der Kernspaltung große Mengen radioaktiver Abfälle produziert.

Die Menschen sollten jedoch einen klaren Unterschied zwischen Kernspaltung und Kernfusion machen. Bei der Kernspaltung wird ein großes Atom in zwei kleinere zerlegt, wobei Energie und Neutronen freigesetzt werden, was die Spaltung anderer Atome zur Folge hat. Dies führt zu einer möglichen Kettenreaktion.

Die Kernfusion hingegen tritt auf, wenn zwei Atome zusammenstoßen, um ein schwereres Atom zu schaffen, das Energie freisetzt, jedoch exponentiell mehr als die Spaltung. Die Fusion produziert keine langlebigen radioaktiven Abfälle wie die Spaltung, was sie zu einer sauberen Energiequelle macht.

Die Fusion kann auch mit weitgehend unerschöpflichen und weit verbreiteten Materialien durchgeführt werden. Tatsächlich ist Sonnenenergie eine Art von Fusionsenergie, weil die Sonne Energie durch einen Fusionsprozess in ihrem Kern erzeugt.

Mit der Fähigkeit der Kernfusion, etwa vier Millionen Mal mehr Energie zu produzieren als die Verbrennung von Kohle, bräuchten wir nur einen Bruchteil der Anzahl von Kraftwerken auf der Erde heute, um den Energiebedarf der menschlichen Bevölkerung zu decken. Die Menge an Energie, die durch Fusion erzeugt wird, ist so groß, dass sie praktisch als unbegrenzt angesehen werden könnte.

Obwohl die Fusion eine unglaublich vielversprechende Energiequelle ist, ist sie nicht ohne ihre Mängel. Der Prozess ist unglaublich schwierig durchzuführen. Dies liegt daran, dass die Reaktion nur unter extremen Bedingungen stattfinden kann. Die Fusion erfordert extreme Mengen an Wärme (100 Millionen Kelvin) und massive Mengen an Druck.

Diese Anforderungen bedeuten, dass die Erzeugung von Kernfusion auf der Erde oft mehr Energie erfordert, als sie produziert. Allerdings nähern wir uns mit dem Fortschritt der Technologie und weiteren Forschungen von Wissenschaftlern der Schaffung eines tragfähigen Fusionsreaktors.

Der International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) in Frankreich ist eine Zusammenarbeit von 35 Ländern. Er sucht nach einem Weg, diese potenzielle Energiequelle zu nutzen.

Einige sagen voraus, dass der ITER bis 2045 Kernfusionsenergie ins Netz einspeisen könnte. Dies ist der erste Schritt in Richtung sauberer und unbegrenzter Energie.

Auch private Unternehmen haben sich bemüht, das volle Potenzial der Kernfusion auszuschöpfen. Dazu gehören Lockheed Martin und Tokamak, ein Unternehmen im Vereinigten Königreich.

Lockheed Martin behauptet, dass sie einen Fusionsreaktor produzieren könnten, der klein genug ist, um auf einen Lastwagenanhänger zu passen und die Fähigkeit hätte, 100.000 Haushalte mit Energie zu versorgen. Tokamak könnte bereits 2030 Kernfusionsenergie erzeugen.

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Unsere nächsten Schritte

Die menschliche Technologie hat sich exponentiell entwickelt, und der Energiesektor ist da keine Ausnahme. Wissenschaftler sind sich fast einig, dass wir im Laufe des Lebens von jemandem, der in den letzten 20 Jahren geboren wurde, zu einer Welt übergehen werden, die ausschließlich auf erneuerbarer Energie basiert.

Dieser Übergang ist eine absolute Notwendigkeit angesichts der Bedrohung, die der Klimawandel für uns als Spezies darstellt. Obwohl die Menschen die Zukunft nicht immer optimistisch sehen, ist die Aussicht auf die Zukunft der Energieproduktion sicherlich eine klarere und sauberere.