Die Physik der Sonne

Ohne die Sonne, den Stern im Zentrum unseres Sonnensystems, wäre ein Leben auf der Erde unmöglich.Schließlich ist sie die wichtigste Energiequelle der Erde und ermöglicht bei uns den Wasserkreislauf, die Luftströmungen bzw. den Wind und weitere lebenswichtige Prozesse wie die Photosynthese. Doch welche Eigenschaften hat sie?

Die Sonne ist in vielerlei Hinsicht eine imposante Erscheinung:

Zudem besteht die Sonne zu etwa 90 Prozent aus Wasserstoff und zu etwa 8 Prozent aus Helium, was eine Rolle bei der Energieentstehung spielt, die wiederum wichtig für die Kraftwerke in der Wüste wäre.

Masse1.989.000.000.000.000.000.000.000.000 Tonnen bzw. 1,989·1027 Tonnen = 99,8% der Masse des gesamten Sonnensystems
Alter4.500.000.000 bzw. 4,5 Milliarden Jahren
Durchmesser1.392.400 km
Volumen1.400.000.000.000.000.000.000.000.000 bzw. 1,4 Quadrilliarden Kubikmeter
Rotationsdaueretwa 4 Wochen
Mittlere Dichte1,408 g/cm3

Woher nimmt die Sonne ihre Energie?

Das Rätsel um die Frage, woher die Sonne ihr Energie nimmt, kann mit Hilfe der berühmten Formel Albert Einsteins gelöst werden:

E = m · c2

Dabei steht E für die Energie, m für die Masse und c für die Lichtgeschwindigkeit.

Das eigentlich spannende an dieser Formel ist das Gleichheitszeichen. Denn es bedeutet, dass Masse in Energie und Energie in Masse umgewandelt werden kann. Genau das passiert auch auf der Sonne. Das heißt, die Sonne verliert an Masse und schickt dafür Energie in Form von Strahlung in das gesamte Weltall. Dabei wird pro Sekunde die riesige Energiemenge von 107 Trillionen Kilowattstunden abgestrahlt. Noch eindrucksvoller wird diese Zahl, wenn man sie mit ihren gesamten Nullen ausschreibt: 107.000.000.000.000.000.000 Kilowattstunden pro Sekunde. Nach Einstein hat diese Energiemenge einen Massenverlust von ungefähr 4 Millionen Tonnen pro Sekunde zur Folge.

Kernfusion in der Sonne

Aus dem Alltag kennen wir Folgendes: Liegen jeweils zwei gleiche Teilchen auf den beiden Seiten einer Waage, so ist die Waage im Gleichgewicht. Nun aber fusionieren auf der Sonne diese zwei Teilchen und besitzen auf einmal eine niedrigere Masse als zuvor.

Natürlich wirft sich jetzt die Frage auf, was mit dieser Masse geschehen ist. Sie wurde direkt mit der oben genannten Formel - E=m·c2 - in Energie umgewandelt und in das gesamte Welltall und dabei natürlich auch hier auf die Erde in die Wüsten abgestrahlt.

Dabei geschieht diese Fusion so oft, dass die Sonne pro Sekunden 4.000.000 Tonnen an Masse verliert. Hierbei wird eine Energie von 107 Trillionen Kilowattstunden frei.

Diese Darstellung ist zunächst sehr einfach und anschaulich gehalten. Die tatsächlichen Fusionsprozesse auf der Sonne sind weitaus umfangreicher und komplizierter.

Die Sonne besteht im wesentlichen aus nur zwei Stoffen: Wasserstoff und Helium, wobei das Helium aus der Fusion des Wasserstoffs hervorgeht. Bei der Fusion laufen dabei mehrere Reaktionen ab, bei denen immer wieder neue Teilchen (wie zum Beispiel Deuterium - Wasserstoff mit einem Neutron, Tritium - Wasserstoff mit 2 Neutronen oder Protonen) entstehen und Energie frei wird. Die Fusion von Wasserstoff mit Wasserstoff wird dabei auch Wasserstoffbrennen genannt.

Damit diese Reaktionen ablaufen können ist allerdings ein enormer Druck erforderlich, denn sonst würde die Fusion nicht „von alleine” erfolgen, sondern dafür noch zusätzliche Energie gebraucht werden. Im Kern der Sonne, in dem auch ein Großteil der Energie in Fusionsprozessen gewonnen wird (aus den inneren 25% der Sonne stammen 99% der Energie) herrscht ein Druck von 200.000.000.000 bar. Zum Vergleich: ein Autoreifen hat in der Regeln etwas mehr als 2 bar und beim Tauchen in 10 Meter Tiefe erhöht sich der Druck auf den Körper um 1 bar. Um den gleichen Druck zu erfahren, müsste man also theoretisch 2 Billionen Meter tief tauchen.

Wie viel Energie kommt auf der Erde an?

Die Energie der Sonne verteilt sich nicht gleichmäßig auf der Erde und dementsprechend eignen sich einige Gebiete besonders für die Umwandlung der Sonnenstrahlung in Wärme und dann in elektrische Energie.

Besonders interessant für Europa sind dabei die Wüstengebiete Norafrikas. In der dortigen Sahara ergeben sich jährliche Energiemenge von bis zu 3.000 Kilowattstunden pro Quadratmeter. Das heißt, ein Quadratmeter der Wüste genügt um einen durchschnittlichen 2-Personen-Haushalt in Deutschland für ein Jahr mit Energie zu versorgen. Betrachtet man den Energiebedarf Deutschlands, so benötigt man eine Fläche, die ungefähr der Größe des Saarlands entspricht. Das wäre lediglich ein Quadrat mit knapp 50 Kilometern Seitenlänge oder eine Fläche von 2.500 Quadratkilometern.

Innerhalb Europas eignet sich Südspanien zur Energiegewinnung mittels Solarthermie. Hier werden immerhin noch Werte von knapp 2.000 Kilowattstunden pro Jahr und Quadratmeter erreicht.

Quellen:

http://www.neunplaneten.de/nineplanets/sol.html (18.01.2011)
https://dpg-physik.de/veroeffentlichung/physik_konkret/pix/Physik:Konkret_04.pdf (18.12.2010)
http://www.solarviews.com/germ/sun.htm (18.01.2011)
www.schuelerlexikon.de (18.01.2011)
http://www.astronomie.de/das-sonnensystem/die-sonne/basiswissen/(18.01.2011)