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Energie auf Grundlage des photoelektrischen Effekts

Karstkrusten und Wüstenlacke sind photoelektrisch aktiv. Das Sonnenlicht wird in diesen Mineralkrusten zu elektrischer Energie gewandelt. Zwar ist ihr Wirkungsgrad gering, aber gewiss spielten diese biogeochemischen Reaktionen seit Anbeginn der Zeit eine wichtige Rolle bei der Entstehung und Entwicklung von Leben auf unserem Planeten.

Dass elektromagnetische Wellen bei ausreichender Energie Atome anregen können, ist schon lange bekannt. Anregung bedeutet dabei, dass Elektronen innerhalb eines Atoms dadurch auf eine höhere Elektronenschale angehoben werden, manchmal werden sie sogar ganz aus dem Atom heraus geschleudert. Und freie Elektronen bedeuten immer einen möglichen Stromfluss. Dabei wirkt das energiereichere blaue Licht mit seiner höheren Frequenz effektiver als die etwas langwelligeren roten Lichtanteile. Auch die Photosynthese, aus der die Pflanzen und manche Mikroorganismen ihre Lebensenergie beziehen, basiert auf dieser Biophysik. Die gesamte Nahrungskette fußt letzten Endes auf der Umwandlung von Sonnenlicht in biochemische Energie, ohne Sonne kein Leben, abgesehen von ganz speziellen Ausnahmen.

Was als biologische „Lichternte“ lange bekannt und nachgewiesen ist, könnte einen nichtbiologischen Gegenpart haben, so die Vermutung vieler Wissenschaftler. Das Wissenschaftlerteam um Anhuai Lu von der Universität in Peking suchte daher gezielt nach derartigen geologischen Lichternte-Systemen und stieß dabei auf:

Karstkrusten und Wüstenlack

Diese Entdeckung ist auch deshalb so wunderbar, weil beide Mineralvertreter in schier unendlichen Mengen auf der Erde vorkommen. Den eher dunklen Wüstenlack finden wir auf den Gesteinen in ariden Gebieten, als rötliche Beschichtung mancher Böden sowie als gräulichen Überzug von Karstgesteinen. Diese mineralische Kruste ist in aller Regel recht eisen- und manganhaltig, worauf die dunkle Färbung bereits hinweist.

Die Witterung im Verein mit der Sonnenstrahlung führt im Laufe der Zeit zu einer stofflichen Ausdifferenzierung der Schichten, insofern, dass die Außenseite von einer höheren Mangan- und die Innenlage von einer höheren Eisenkonzentration gekennzeichnet sind. Es handelt sich im Wesentlichen um metallische Oxidverbindungen und Oxyhydroxide. Somit entstehen auf ganz natürliche Weise Halbleiter-Doppelschichten. Von den Manganoxiden wissen wir, dass sie katalytische Eigenschaften im Hinblick auf photochemische Reaktionen aufweisen.

Bei Sonnenschein fließt Strom

Energiewende durch Windpark und SolaranlageDie Forscher sahen sich zu folgendem Experiment veranlasst: Im Rahmen mehrerer Feldversuche brachten sie Messelektroden aus Gold auf verschiedenen Stellen des Wüstenlacks an, um sogleich abwechselnd mal die manganreiche Schicht und dann wieder die eisenreiche Schicht Laserpulsen auszusetzen. Gleichartige Vergleichsmessungen wurden auch an Felsoberflächen ohne Wüstenlack durchgeführt.

Der Unterschied war überzeugend, denn der Wüstenlack reagierte prompt mit freigesetzten Elektronen, also mit einem geringfügigen Stromfluss auf die Bestrahlung. Ganz ähnliche Ergebnisse zeitigten die Experimente mit einem Karstüberzug und mit der so typisch rötlichen Beschichtung arider Böden. Die bestrahlten freigekratzten Felsen lieferten keinen Ausschlag des Amperemeters.

Die sogenannte Photoresponsivität der eisenreichen Krusten beträgt in etwa 0.002 Milli-Ampere pro Watt (Leistungsaufnahme des Lasers), bei den manganreichen Krusten sogar 0.0034 Milli-Ampere pro Watt .

Die Welt steckt voller natürlicher photoelektrischer Generatoren

Rechnet man die Ergebnisse dieser Messungen einmal hoch, kann ein einziger Quadratmeter Wüstenlack jede Sekunde mehr als 22 Billiarden lichtinduzierte Elektronen freisetzen, vorausgesetzt die Sonne strahlt freundlich vom Himmel. Würden wir uns diesen Stromfluss technisch zunutze machen, wäre die nachhaltige Energiewende damit geschafft. Jetzt sind gute Ingenieure gefragt, mit Pilotprojekten für Innovation zu sorgen.

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