Wenn die Erdwärme auf kosmische Kälte trifft: Stirlingmotor erzeugt nachts Energie aus dem Nichts

Es ist eine jener Erfindungen, die so elegant wie einfach erscheinen, wenn man das Prinzip erst einmal verstanden hat. Während die Solarenergie längst etabliert ist und tagsüber verlässlich Strom liefert, blieb die Nacht bisher eine Herausforderung für die dezentrale Energieversorgung. Batteriespeicher sind teuer, windabhängige Systeme unzuverlässig. Doch nun haben die Forscher Jeremy Munday und Tristan Deppe von der University of California in Davis einen Weg gefunden, die natürliche Abkühlung der Erde in den Nachtstunden als Energiequelle zu nutzen.

Die Idee klingt zunächst paradox: Wie soll aus Kälte Energie entstehen? Die Antwort liegt in einem physikalischen Prinzip, das bereits über 200 Jahre alt ist. Der Stirlingmotor wurde 1816 von dem damals 26-jährigen schottischen Geistlichen Robert Stirling erfunden, der damit eine sichere Alternative zu den gefährlichen Hochdruckdampfmaschinen seiner Zeit schaffen wollte. Die Besonderheit dieser Wärmekraftmaschine besteht darin, dass sie bereits mit minimalen Temperaturunterschieden funktioniert – etwa dem Unterschied zwischen einer heißen Tasse Kaffee und der Raumluft.

Genau diese Eigenschaft machen sich die kalifornischen Ingenieure zunutze. Ihr System besteht aus zwei Temperaturstufen: der warmen Erde mit etwa 27 Grad Celsius und dem Weltraum mit ungefähr minus 270 Grad Celsius. Doch wie gelingt es dem Motor, mit dieser extremen Kälte zu interagieren, ohne tatsächlich ins All zu fliegen? Die Lösung liegt in der Physik der Wärmestrahlung.

Der Aufbau des Systems ist verblüffend einfach. Eine fünf Zentimeter tief im Boden eingelassene Aluminiumplatte dient als warme Seite und nimmt Wärme aus dem Untergrund auf. Den Gegenpol bildet eine 30 Zentimeter große flache Platte, die mit einer handelsüblichen infrarotabstrahlenden Farbe bestrichen ist. Diese spezielle Beschichtung ermöglicht es der Platte, Wärmestrahlung besonders effizient durch das atmosphärische Transparenzfenster hindurch direkt ins Weltall abzugeben. Sobald es dunkel wird und sich die Luft abkühlt, entsteht zwischen beiden Platten ein Temperaturunterschied.

Das Prinzip der passiven Strahlungskühlung, das hier zum Einsatz kommt, ist bereits aus anderen Anwendungen bekannt. Forscher testen es schon länger zur Kühlung von Gebäuden. Professor Munday erklärt den Vorgang so: „Der Motor muss den Weltraum nicht physisch berühren, sondern kann einfach über Strahlung mit ihm interagieren.“ Es ist derselbe Effekt, den jeder kennt, der in einer klaren, kalten Nacht draußen steht und spürt, wie die Wärme vom Kopf in den Himmel abstrahlt.

Die Forscher ließen ihr System ein ganzes Jahr lang unter realen Bedingungen laufen und dokumentierten akribisch die Ergebnisse. Die Outdoor-Tests ergaben, dass zwischen beiden Platten ein Temperaturunterschied von im Schnitt zehn Grad entsteht. Das mag auf den ersten Blick wenig erscheinen, doch für einen Stirlingmotor ist diese Differenz völlig ausreichend. Die Maschine konnte konstant mindestens 400 Milliwatt mechanischer Energie pro Quadratmeter Abstrahlfläche erzeugen, mit einem Carnot-Wirkungsgrad von rund 13 Prozent für die mechanische Energie.

Was lässt sich mit dieser Leistung anfangen? Die Forscher demonstrierten die praktische Anwendung, indem sie den Rotor des Stirlingmotors durch ein 3D-gedrucktes Ventilatorblatt ersetzten und ihn so in einen Axialventilator umwandelten. Diese Konstruktion erzeugte Luftbewegungen von bis zu 0,3 Meter pro Sekunde. Das reicht zwar nicht aus, um ein ganzes Haus zu kühlen, könnte aber in Gewächshäusern oder kleinen Wohngebäuden in abgelegenen Regionen für nächtliche Belüftung sorgen. Durch Anbringen eines Gleichstrommotors konnten die Ingenieure auch elektrische Energie erzeugen.

Die Anwendungsmöglichkeiten dieser Technologie sind vielversprechend, wenn auch spezifisch. Insbesondere in klimatisch trockenen Regionen, in denen der Tag heiß und die Nacht klar und kühl ist, könnten Stirlingmotoren dieser Generation zur nächtlichen Belüftung von Gewächshäusern, Wohnhäusern oder für Inselsysteme genutzt werden. Gerade dort, wo keine Stromnetze existieren und Dieselgeneratoren zu teuer oder logistisch problematisch sind, könnte diese wartungsarme und skalierbare Technologie einen echten Unterschied machen.

Ein besonders interessanter Aspekt ist die Komplementarität zur Solarenergie. Tagsüber liefert die Sonne Strom, nachts könnte die Anlage automatisch auf Stirling-Kälteversorgung umschalten. Dieses Zusammenspiel würde eine durchgehende, wenn auch bescheidene Energieversorgung ermöglichen, ohne auf Batteriespeicher angewiesen zu sein. In Entwicklungsländern, wo viele Menschen immer noch keinen Zugang zu Elektrizität haben, könnte diese Technologie grundlegende Bedürfnisse decken – von der Beleuchtung über die Kühlung von Medikamenten bis zur Versorgung kleiner elektronischer Geräte.

Allerdings hat das System auch klare Grenzen. Die Technologie funktioniert ausschließlich nachts, da nur dann genügend Infrarotstrahlung ans Weltall abgegeben werden kann, ohne durch die Sonnenstrahlung überlagert zu werden. Zudem arbeitet der Motor am besten bei wolkenlosem Himmel und trockener Luft, denn Wasserdampf und Wolken blockieren die Wärmestrahlung ins All. In feuchten, bewölkten Regionen würde die Leistung deutlich sinken.

Die geringe Leistungsdichte von 400 Milliwatt pro Quadratmeter bedeutet auch, dass für nennenswerte Energiemengen große Flächen benötigt werden. Für einen Ventilator mit fünf Watt Leistung wären bereits über zwölf Quadratmeter Abstrahlfläche nötig. Eine Skalierung ist zwar prinzipiell möglich, aber der Flächenbedarf macht das System für urbane Anwendungen unpraktisch. Seine Stärke liegt eindeutig in netzfernen, sonnenreichen und trockenen Regionen.

Die Forschungsarbeit, die in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht wurde, zeigt dennoch einen bemerkenswerten Ansatz. In einer Zeit, in der die Energiewende vor allem durch große Photovoltaikanlagen und Windparks vorangetrieben wird, erinnert diese Erfindung daran, dass auch kleine, dezentrale Lösungen ihren Platz haben. Nicht jedes Energieproblem lässt sich mit Gigawatt-Kraftwerken lösen – manchmal braucht es einfach einen zuverlässigen Ventilator in einem abgelegenen Gewächshaus oder eine kleine Beleuchtung in einer netzfernen Hütte.

Der Stirlingmotor selbst erlebt damit eine Renaissance. Nach einer ersten Blütezeit Ende des 19. Jahrhunderts, als kleine Stirlingmotoren als Massenprodukt zur Verfügung standen und beispielsweise Ventilatoren antrieben, wurden sie durch Elektromotoren verdrängt. In den vergangenen Jahrzehnten fanden sie hauptsächlich in Nischenanwendungen Verwendung, etwa in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen oder in der Raumfahrt. Die NASA erforscht seit Jahren den Einsatz von Stirlingmotoren für die Energieversorgung von Raumsonden und zukünftigen Mondbasen.

Die Arbeit des Teams um Jeremy Munday zeigt, dass es noch ungenutzte Potenziale in der Umgebung gibt – buchstäblich über unseren Köpfen. Die eisige Leere des Weltraums, die nur wenige Kilometer von uns entfernt beginnt, stellt einen nahezu idealen Kältespeicher dar, der permanent verfügbar ist. Diese Ressource zu nutzen, ohne physisch dorthin reisen zu müssen, ist eine elegante technische Lösung.

Ob sich diese Technologie tatsächlich durchsetzen wird, hängt von vielen Faktoren ab. Die Kosten für Produktion und Installation müssen wettbewerbsfähig sein, die Wartungsintervalle minimal bleiben und die Zuverlässigkeit über Jahre hinweg gewährleistet sein. Professor Munday formuliert die Vision so: „Unser Ansatz nutzt eine praktisch unbegrenzte Ressource – die nächtliche Abkühlung durch ausstrahlende Wärme in den Weltraum.“ Gerade dort, wo keine anderen Energiequellen verfügbar sind, könnten solche Geräte die Lebensqualität deutlich verbessern.

Die Erfindung aus Kalifornien ist kein Durchbruch, der die Energieversorgung von Industrienationen revolutionieren wird. Aber sie ist ein beeindruckendes Beispiel dafür, wie fundamentale physikalische Prinzipien auf kreative Weise genutzt werden können, um praktische Probleme zu lösen. In einer Welt, in der über eine Milliarde Menschen ohne verlässliche Stromversorgung leben, könnte ein Motor, der nachts aus dem Temperaturunterschied zwischen Erde und Weltraum Energie gewinnt, für manche einen spürbaren Unterschied machen.

Der Stirlingmotor, der vor über 200 Jahren erfunden wurde, um die gefährlichen Dampfmaschinen zu ersetzen, erweist sich damit erneut als technische Lösung für eine Zeit, die nach sicheren, wartungsarmen und umweltfreundlichen Energiequellen sucht. Dass diese Energie ausgerechnet aus der Kälte des Weltalls kommen soll, hätte sich Robert Stirling wohl nicht träumen lassen, als er 1816 sein Patent anmeldete.