Big Bang HTL 4, Schulbuch

Klimaänderung und erneuerbare Energie 19 Thermodynamik und moderne Physik (IV. Jg., 8. Sem.) 177 19.4 Beinahe unerschöpflich Energie aus der Sonne Es gibt eine beinahe unerschöpfliche Energiequelle, die seit rund 4,6 Milliarden Jahren die Erde versorgt: die Sonne. Wenn wir die Sonnenenergie ausnützen, dann haben wir eine Chance, den Treibhauseffekt in der Zukunft zumindest einzudämmen. Der Weltenergiebedarf hat sich seit 1965 mehr als ver- dreifacht und er steigt weiter. Der Großteil der Energie wird immer noch aus fossilen Brennstoffen gewonnen ( F15 ), und das verstärkt den anthropogenen Treibhauseffekt (siehe Kap. 19.2). Nun gibt es aber eine nahezu un- erschöpfliche Energiequelle, die kein CO 2 produziert: die Sonne. Wie viel Energie strahlt sie auf die Erde? Außerhalb der Erd-Atmosphäre beträgt die Strahlungs- leistung der Sonne bei senkrechter Einstrahlung im Mittel 1367 W/m 2 . Das nennt man die Solarkonstante. Der Begriff ist nicht glücklich gewählt, weil eine vernünftige Konstante auch konstant sein sollte. Die Sonnenstrahlung, die die Erdatmosphäre erreicht, schwankt aber, weil sowohl der Abstand zwischen Erde und Sonne als auch die Sonnenak- tivität variieren (Abb. 19.18). Deshalb hat man Anfang der 1980er den oben genannten Durchschnittswert quasi ver- ordnet. Für Überlegungen zum Strahlungshaushalt ist das sehr sinnvoll, weil man nicht am Spitzenwert interessiert ist, Was versteht man unter dem Fotoeffekt (Kap. 12.2)? Welche Bedeutung könnte er im Zusammenhang mit Solarenergie haben? Was versteht man unter einem Halbleiter? Was versteht man unter Valenzelektronen (NAWI II, S. 37)? Was versteht man unter dem Wir- kungsgrad (NAWI I, S. 61)? In Abb. 19.17 siehst du die Entwicklung des Welt- energiebedarfs ab 1965. Welche wichtigen Aussagen kannst du dazu machen? Abb. 19.17: Die Entwicklung des Weltenergiebedarfs: Der Wert von 2015 entspricht etwa 5 · 10 20 J. Wie lange, denkst du, muss die Sonne scheinen, damit die auf die Erde gestrahlte Energie theoretisch dem Jahresbedarf der gesamten Menschheit entspricht? Was passiert mit dem Wasser in einem Garten- schlauch, der lange in der Sonne gelegen ist? Wie könnte man diesen Effekt nutzen? F14 F15 F16 F17 sondern am Mittelwert. Mit diesem kann man recht einfach abschätzen, dass die auf die Erde gestrahlte Sonnenenergie den Weltenergiebedarf um ein Vielfaches übersteigt. Info: Jahresdosis Sonnenenergie Abb. 19.18: Strahlungsleistung der Sonne, gemessen mit dem Satelliten SOHO ( So lar and H eliospheric O bservatory): Die Schwankungen entstehen durch Änderungen der Entfernung und der Sonnen- aktivität. Jahresdosis Sonnenenergie Abb. 19.19: Abschätzung der Strahlungsenergie der Sonne: Die be- rechnete Kreisfläche ist die 2-dimensionale Projektion der Erde. Wenn man zum Erdradius (6370 km) noch 80 km Atmos- phäre rechnet, dann bestrahlt die Sonne eine Kreisscheibe mit einem Radius von 6450 km (Abb. 19.19). Das ergibt eine Fläche von r 2 π = (6,45 · 10 6 m) 2 · π = 1,31 · 10 14 m 2 . Wenn du mit der Solarkonstante multiplizierst, bekommst du die Joule pro Sekunde, die auf die Erde gestrahlt werden: 1,31 · 10 14 m 2 · 1367J/sm 2 = 1,79 · 10 17 J/s Wenn du mit den Sekunden eines Jahres multiplizierst, dann bekommst du die Jahresdosis an Sonnenenergie: 1,79 · 10 17 J/s · 3,16 · 10 7 s = 5,64 · 10 24 J Das ist rund 10.000-mal mehr als der Weltenergiebedarf (Abb. 19.17)! Anders gesagt: Die Sonne liefert in etwa 50 Mi- nuten so viel Energie, wie die ganze Erdbevölkerung in ei- nem Jahr benötigt ( F16 )! Natürlich ist das ein Bruttowert , der nicht genutzt werden kann. Du siehst aber, welches gi- gantische Energiepotenzial in den Sonnenstrahlen steckt. i Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv