Während klassische Photovoltaik bei Sonnenuntergang ruht, macht die Forschung die unsichtbare Wärmeabstrahlung der Erde für die Stromproduktion nutzbar. Wir erklären, wie.
Solarstrom nach Sonnenuntergang klingt im ersten Moment nach Science-Fiction. Da klassische Photovoltaik auf direktes Licht angewiesen ist, ruht die Stromproduktion nachts üblicherweise vollständig, sofern kein Speicher bereitsteht. Doch die Forschung verfolgt einen faszinierenden Umweg: Die Erde selbst wird nachts zur Energiequelle, indem sie die gespeicherte Sonnenwärme des Tages wieder abstrahlt. Um zu verstehen, wie das funktioniert, hilft ein Vergleich mit der herkömmlichen Technik. Eine normale Solarzelle wandelt die Energie einfallender Sonnenstrahlung in Strom um, indem Elektronen im Material auf ein höheres Energieniveau gehoben werden. Nachts nutzen Forschende jedoch das exakte Gegenstück: die Infrarot-Abstrahlung der Erde.
Die Erdoberfläche hat sich tagsüber aufgeheizt und gibt diese Energie nachts als unsichtbare Wärmestrahlung in das kalte Weltall ab, das eine Temperatur von etwa -270 °C aufweist. Sogenannte thermoradiative Zellen schalten sich genau in diesen Energiefluss ein. Weil das Weltall deutlich kälter ist als die Erdoberfläche, entsteht ein Temperaturunterschied, der einen gerichteten Fluss von Infrarotstrahlung vom warmen Material der Zelle in Richtung Weltraum bewirkt. Durch dieses Aussenden von Photonen verändert sich der Energiezustand der Elektronen im Halbleiter der Zelle. Wenn man diese Bauteile entsprechend konstruiert, entsteht dabei eine elektrische Spannung. Man nutzt also nicht die Energie einfallender Sonnenstrahlung, sondern den gerichteten Energiefluss der abgegebenen Wärme.
Noch sind die messbaren Leistungen bescheiden. Erste Prototypen der University of New South Wales liefern etwa 100.000-mal weniger Energie als ein Solarmodul am Tag. Neuere Ansätze der Stanford University, die thermoelektrische Effekte kombinieren, erreichen immerhin rund 50 Milliwatt (mW) pro Quadratmeter. Das reicht bei weitem nicht aus, um ein Haus zu beleuchten oder ein Elektroauto zu laden. Dennoch ist die Technologie für den Bereich des Energy Harvesting ein Durchbruch. Autarke Sensoren, kleine Wetterstationen oder Geräte im Internet der Dinge könnten so nachts ohne Batterien betrieben werden, allein durch die Abstrahlung der Erdwärme. Aber alles in allem ist das noch Zukunftsmusik.
