Informationen zur Exkursion

Jülich: Eine Reise zur größten künstlichen Sonne der Welt

Eine Station der Exkursionen ist "Synlight" - die größte künstliche Sonne der Welt.
Foto: Markus Hauschild, www.hauschild.biz
Eine Station der Exkursionen ist "Synlight" - die größte künstliche Sonne der Welt.
Foto: Markus Hauschild, www.hauschild.biz

Ziel dieser Exkursion ist zum einen das vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt betriebene Solarthermische Kraftwerk und die größte künstliche Sonne der Welt „Synlight“ in Jülich. An beiden Forschungsanlagen wird zu einer CO2-freien Herstellung von Wasserstoff geforscht.

Das Klima und die Luftqualität stehen auch bei der zweiten Station der Reise im Fokus. Am Institut für Energie- und Klimaforschung untersuchen Wissenschaftler/-innen des Forschungszentrums Jülich physikalische und chemische Prozesse in der Atmosphäre sowie ihre Wechselwirkungen im gesamten Klimageschehen.

Abgerundet wird die Exkursion mit einem Besuch der Jülicher Zitadelle – hier wurde die in der Renaissance viel diskutierte, aber nur selten verwirklichte Bauidee des Palazzo in fortezza, des Fürstensitzes in einer uneinnehmbaren Festung, realisiert.

1. Station: Die größte künstliche Sonne der Welt, Jülich

Synlight-Reaktor im Forschungszentrum Jülich.
Foto: Markus Hauschild, www.hauschild.biz
Synlight-Reaktor im Forschungszentrum Jülich.
Foto: Markus Hauschild, www.hauschild.biz
149 Xenon-Kurzbogenlampen strahlen in der Synlight-Versuchsanlage. Zum Vergleich: In einem großen Kinosaal wird die Leinwand durch eine einzelne Xenon-Kurzbogenlampe bestrahlt. Die Wissenschaftler können die Strahler auf eine Fläche von 20 mal 20 Zentimeter fokussieren. Trifft die Strahlung der Lampen mit einer Leistung von bis zu 350 Kilowatt dort auf, hat sie die bis zu 10.000-fache Intensität der Solarstrahlung auf der Erde. Im Fokus der Lampen entstehen Temperaturen bis zu 3.000 Grad Celsius.

Die Wissenschaftler entwickeln mit Hilfe der künstlichen Sonne in Jülich Verfahren, um aus Sonnenenergie Treibstoffe, wie zum Beispiel Wasserstoff herzustellen. Wasserstoff gilt aufgrund seiner CO2-freien Verbrennung als ein wichtiger Treibstoff der Zukunft.

Sonne auf Knopfdruck

Eine künstliche Sonne ist ein geeignetes Mittel zur Entwicklung von Produktionsverfahren solarer Treibstoffe. Bei den Synlight-Versuchen können Schlechtwetterperioden und schwankende Strahlungswerte die Tests und ihre Auswertung nicht erschweren oder verzögern. Gleichbleibende Testbedingungen, die schnell und exakt reproduziert werden können, sorgen für schnelle Innovationszyklen. Jülich bietet mit seiner Infrastruktur, darunter auch der Solarturm Jülich und das wissenschaftliche Umfeld, ideale Bedingungen für innovative Entwicklungen in der Solartechnik.

Den Wissenschaftlern am DLR-Institut für Solarforschung ist die Herstellung von Wasserstoff mit Hilfe von Solarstrahlung bereits vor Jahren geglückt, allerdings im Labormaßstab. Damit solche Prozesse für die Industrie interessant werden, muss der Maßstab deutlich vergrößert werden. Genau das ist das Ziel von Synlight. Im Fokus der Forschungsarbeiten steht die solare Treibstoffherstellung, dennoch kann die neue Anlage für eine Vielzahl weiterer Anwendungen eingesetzt werden. Da das Spektrum der UV-Strahlung dem der Sonne gleicht, können beispielsweise auch Alterungsprozesse von Materialien zeitlich gerafft dargestellt werden. Ein interessanter Aspekt, sowohl für die Raumfahrt, als auch für die Industrie.

2. Station: Solarthermisches Kraftwerk, Jülich

Das solarthermische Versuchskraftwerk des Instituts für Solarforschung beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Jülich.
Foto: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
Das solarthermische Versuchskraftwerk des Instituts für Solarforschung beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Jülich.
Foto: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
2.000 bewegliche Spiegel (Heliostate) lenken die einfallenden Sonnenstrahlen auf die Spitze des 60 Meter hohen Solarturms. Dort werden die konzentrierten Strahlen von einem 22 m² großen Solar-Receiver aufgenommen und in Wärme umgewandelt. Die angesaugte Luft erhitzt sich dabei auf bis zu 700°C und erzeugt so Wasserdampf, der eine Turbine antreibt. Diese Turbine produziert dann über einen Generator Strom. Das solarthermische Versuchskraftwerk des Instituts für Solarforschung beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt befindet sich in Jülich, etwa 60 Kilometer westlich von Köln auf einem zirka zehn Hektar großen Gelände. Mit Hilfe der Anlage entwickeln Forscher Kraftwerksteile weiter und testen ihre Eigenschaften. Ziel ist es, mit neuen Komponenten die Stromerzeugung von Solarkraftwerken effizienter und kostengünstiger zu machen. Zudem entwickeln die Wissenschaftler neue Herstellungsverfahren von solaren Treibstoffen, wie zum Beispiel Wasserstoff, die langfristig fossile Treibstoffe ersetzen und damit wesentlich zum Klimaschutz beitragen können.

Erneuerbarer Strom rund um die Uhr

Angeschlossen an das Solarkraftwerk ist ein Hochleistungs-Wärmespeicher. Damit kann die Anlage auch bei Wolkendurchgängen oder nach Sonnenuntergang Strom erzeugen. Kommerzielle Solarkraftwerke, wie sie in den USA oder Spanien in Betrieb sind, verfügen in der Regel über einen  Wärmespeicher, in dem die Sonnenenergie effizient und kostengünstig gespeichert werden kann. Damit sind solarthermische Kraftwerke in der Lage, Strom nahezu rund um die Uhr und bedarfsgerecht zu erzeugen – auch in den Abendstunden, wenn der Strombedarf besonders hoch ist.

Technologie für sonnenreiche Regionen

Das solarthermische Versuchskraftwerk Jülich dient als Pilotanlage und Referenz für angestrebte künftige kommerzielle Kraftwerke an geeigneten Standorten, zum Beispiel in Südeuropa, Nordafrika, auf der Arabischen Halbinsel oder auch in solarstrahlungsintensiven Zonen der Südhalbkugel. Ein nach demselben Prinzip arbeitendes Kraftwerk befindet sich derzeit in Süditalien und Brasilien in der Projektentwicklung. Hier arbeitet das DLR eng mit dem Kooperationspartners Kraftanlagen München GmbH zusammen. Die in Deutschland entwickelte Technologie hat damit die Chance in den sonnenreichen Regionen der Erde zum Einsatz zu kommen. Dort haben solarthermische Kraftwerke ihr größtes Potenzial.

3. Station: Atmosphärensimulationskammer, Jülich

Die 20 Meter lange Atmosphärensimulationskammer SAPHIR des Forschungszentrum Jülich GmbH.
Foto: Forschungszentrum Jülich GmbH
Die 20 Meter lange Atmosphärensimulationskammer SAPHIR des Forschungszentrum Jülich GmbH.
Foto: Forschungszentrum Jülich GmbH
Die Zusammensetzung der Atmosphäre spielt eine große Rolle in der Bestimmung der Luftqualität und des Klimas. Spurengaskonzentrationen gelangen durch Menschen und natürliche Emissionen in die Atmosphäre und werden dort durch die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre abgebaut. Dies könnte den Anstieg von sekundären Schadgasen wie Ozon und Partikeln (so genannte Aerosolen), die als kurzlebige Klimaschadstoffe wirken und einen ungünstigen Effekt auf die Luftqualität haben, begünstigen.

Um die Situation in der Atmosphäre im Detail zu untersuchen, ist es wichtig die Prozesse, die in der Luft stattfinden in einer kontrollierten Umgebung zu untersuchen, damit sie verstanden und nachvollzogen werden können. Für diesen Zweck hat das Forschungszentrum Jülich die 20 Meter lange Atmosphärensimulationskammer SAPHIR erbaut. Auf ihrer Innenseite hat sie einen doppelwandigen Teflonfolienzylinder mit fünf Metern Durchmesser, in den rund 300.000 Liter Luft geblasen werden können. Die Blenden von SAPHIR können angehoben oder heruntergelassen werden, je nachdem wie viel Licht benötigt wird. In diesem ungewöhnlichen Labor können die Wissenschaftler eine künstliche Atmosphäre erschaffen und diese mit Reinstgasen zur Simulation von unbelasteter Hintergrund-Atmosphäre versorgen. Dadurch ist es möglich zu überwachen, wie sekundäre Schadgase und Partikel entstehen.

Der Einfluss von Pflanzen auf die Atmosphäre

Die dynamische Pflanzenklimakammer SAPHIR-PLUS liefert eine natürliche Mischung biogener Kohlenwasserstoffe für Experimente in SAPHIR. Pflanzen emittieren eine Vielzahl von flüchtigen Kohlenwasserstoffen (VOCs), die in der Atmosphäre photochemisch abgebaut werden und damit zur Bildung von Schadstoffen wie Ozon und Feinstaub beitragen. Die Emissionsstärke und Zusammensetzung des Kohlenwasserstoffgemisches hängen von Pflanzentypen und Umweltbedingungen ab. In der SAPHIR/SAPHIR Plus Kombination können Forscher untersuchen, was mit diesen flüchtigen Kohlenwasserstoffen passiert, die von Pflanzen in die Luft abgegeben werden. Dann beobachten sie, welchen Einfluss diese Emissionen auf die Selbstreinigungskraft der Atmosphäre und die Luftqualität haben.

4. Station: Simulationslabor für Klimaforschung, Jülich

Ein Großteil der Klimaforschung am Forschungszentrum Jülich findet am Computer statt: Gemessene Daten müssen analysiert werden, numerische Modelle für mathematische Berechnungen entwickelt und Modellprozesse simuliert und grafisch dargestellt werden.

Für Einsatzbereiche, die eine größere Rechenkapazität benötigen, um rechenintensiven Simulationen und Analysen großer Datenmengen zu begegnen, können sich Forscher an die Experten des Jülicher Supercomputing Centre (JSC) oder vielmehr an das Team des Klimaforschungs-Simulation Laboratory (Simlab), wenden. Die Softwareentwickler und Datenanalysten sind auf die Anpassung und Optimierung von Berechnungen auf Supercomputern spezialisiert. Sie sind in der Lage Anforderungen von hochspezialisierten Algorithmen und die hohen Anforderungen bezüglich des Datentransfers und der Datenspeicherung zu erfüllen. Das JSC betreibt mehrere Simulation Laboratories. Die SimLab-Experten kommen häufig aus dem wissenschaftlichen Bereich für den sie verantwortlich sind. Sie führen ihre eigene Forschung weiter, um ihrem wissenschaftlichen Klientel die besten Antworten auf aktuelle Fragestellungen geben zu können.

Das Team des SimLabs für Klimaforschung bietet seine Dienste nicht nur für Atmosphärenforscher auf dem Campus an, sondern unterstützt zudem die wissenschaftliche Gesellschaft der Klimaforscher jenseits von Jülich. Die Computerspezialisten tragen in verschiedenen Wegen zu deutschen, europäischen und internationalen Projekten bei, zum Beispiel innerhalb des Rahmens der BMBF-geförderten Initiative HD(CP)2 oder in Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumorganisation. Es gibt zudem eine enge Zusammenarbeit mit dem SimLab für Klima und Umwelt des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT).

Glücksfall mit Gravitationswellen

Ein internationales Team von Forschern, inklusive Experten des Jülicher SimLabs für Klimaforschung, war überrascht, als sie plötzlich Gravitationswellen in der oberen Atmosphäre mit dem NASA Satelliten „Suomi National Polar-orbiting Partnership“ messen konnten – ein Glücksfall für die Klimaforscher. Gravitationswellen sind Luftvibrationen, verursacht durch Wetterphänomene wie Stürme, die sich seitlich und nach oben in den höheren Schichten der Erdatmosphäre ausbeiten. Es ist bekannt, dass sie selbst Wetterphänomene, wie Fluktuationen im Monsun, die El-Nino-Erscheinungen oder die Formierung stratosphärischer Wolken beeinflussen können. Wenn es möglich wäre ihre Auswirkungen detaillierter nachzuvollziehen, dann wären Experten in der Lage, präzisere Modelle zu erstellen.

Zeit

10.11.2017, Bonn – Jülich

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