Strom aus Rost und Solarkraftwerke im All: Wie zukünftige Energiegewinnung aussehen könnte

Die Energiewende gilt als das zentrale Menschheitsprojekt des 21. Jahrhunderts – und sie steht an einem Wendepunkt. Solar- und Windkraft sind integrale Bestandteile der Stromversorgung, doch sie allein werden nicht genügen, um in den kommenden Jahrzehnten den weltweiten Energiehunger klimaneutral zu stillen. In den Laboren von Forschungsinstituten, Konzernen und Startups ebenso wie bei den führenden Weltraumorganisationen arbeitet eine neue Generation von Ingenieurinnen, Physikern und Materialforschern an der nächsten Welle fossilfreier Technologien. Sie entwickeln Methoden, die noch vor Kurzem wie Science-Fiction geklungen hätten:

Solarenergie, die aus dem Orbit per Mikrowelle zur Erde gestrahlt wird
Windkraftwerke, die in den Höhenströmen der Atmosphäre schweben
Beton, der Strom speichert
Geothermie, die Energie aus der Tiefe holt und Treibhausgase bindet

Getrieben wird diese Entwicklung nicht nur von den Klimazielen, sondern auch von geopolitischen Realitäten – im Fokus dabei vor allem Europas Abhängigkeit von Energieimporten, der Druck wachsender Schwellenländer sowie der Wettlauf um grüne Industrien. Politisch kippt der Diskurs dabei von der bloßen Dekarbonisierung hin zu Themen wie Energieautonomie und Rohstoffsouveränität. Über allem steht die Frage: Wie lässt sich Energie künftig überall, jederzeit und ohne fossile Grundlage erzeugen und speichern? Welche Ideen derzeit an der Schwelle vom Labor zur Anwendung stehen und welche Verfahren womöglich das Rückgrat der kommenden Energiewende bilden, zeigt der folgende Überblick über den Stand der Forschung und Entwicklung.

Weltraumgestützte Solarkraft: teuer aber effektiv

Verschriftlicht hat den Traum von orbitaler Solarkraft erstmals der US-Autor Isaac Asimov im Jahr 1941 – in seiner Science-Fiction-Kurzgeschichte „Reason“. Darin versorgt eine Raumstation die Erde über Mikrowellen mit Sonnenenergie. Seit Anfang der 2000er Jahre arbeiten die führenden Raumfahrtnationen, allen voran die USA, China und Japan, tatsächlich an konkreten Forschungen zu weltraumgestützter Solarkraft.

Rund die Hälfte der Sonnenenergie geht auf ihrem Weg durch die Erdatmosphäre verloren, weil ein Teil des Lichts reflektiert oder absorbiert wird. Weltraumbasierte Solarkraftwerke könnten dieses Defizit umgehen: Sie fangen das Sonnenlicht mit Solarpaneelen jenseits der Atmosphäre ein, wandeln es dort in Mikrowellen um und senden die Energie gebündelt an Empfangsstationen auf der Erde. So ließen sich sowohl atmosphärische Verluste als auch die tageszeitlichen Schwankungen durch die Erdrotation vermeiden. Der Preis dafür wäre laut aktuellen Studien der US-Weltraumbehörde Nasa allerdings enorm hoch – Aufbau und Betrieb solcher geostationären Solarsatelliten würden Investitionen in dreistelliger Milliardenhöhe erfordern.

Ein Astronaut arbeitet an den Sonnensegeln der Raumstation

Dossier: Zukunft Solar Wo die Sonne immer scheint Sind weltraumgestützte Solarkraftwerke nur eine Vision? Tatsächlich spricht einiges für die riesigen Sonnenkollektoren, die im All Energie einsammeln und zur Erde strahlen. Ob...

Erste Pilotprojekte gibt es bereits: Das U.S. Naval Research Laboratory startete 2023 einen Satelliten, der mit einem Laser etwa 1,5 Watt übertrug – allerdings legte der Strahl weniger als zwei Meter zurück, und das System hatte einen Wirkungsgrad von lediglich elf Prozent. Ein Team am California Institute of Technology, besser bekannt als Caltech, schloss Anfang 2024 eine Mission ab, bei der ein Satellit im erdnahen Orbit zum Testen von Dünnschicht-Solarzellen, flexiblen Mikrowellen-Stromkreisen und einem kleinen zusammenklappbaren Entfaltungsmechanismus eingesetzt wurde. Und die Europäische Weltraumorganisation (ESA) stellte 2022 ein eigenes weltraumgestütztes Solarenergieprogramm namens Solaris vor. Das Ziel des Programms bestehe jedoch nicht darin, ein Kraftwerk für den Weltraum zu entwickeln, betont der Direktor des Programms, Sanjay Vijendran. Mit dem rund 60 Millionen Euro teuren Programm solle erst einmal herausgefunden werden, „ob Solarzellen, Gleichstrom-Hochfrequenz-Wandler, Montageroboter, strahlungssteuernde Antennen und andere unverzichtbare Technik in den kommenden zehn bis 20 Jahren so weit verbessert werden können, dass Solarenergie im Weltraum realisierbar und wettbewerbsfähig wird“.

Geothermische Energie: saubere, konstante und erneuerbare Elektrizität und Wärme

Neben der Sonne ist das Erdinnere eine naheliegende Energiequelle, mit beinahe unendlichem Potenzial: Geothermische Energiesysteme nutzen das Erdwärmepotenzial in tiefen, normalerweise nicht durchlässigen Gesteinsschichten – etwa durch hydraulische oder chemische Stimulation. Bislang war die Nutzung geothermischer Energie auf Standorte mit ausreichender Untergrundwärme und Flüssigkeitsströmung beschränkt. Verbesserte geothermische Systeme (Enhanced Geothermal Systems, EGS) ermöglichen die Nutzung von Geothermie in vielen weiteren Gebieten, indem sie die Durchlässigkeit des Untergrunds verbessern und die Fließkraft der unterirdischen Wasseradern erhöhen, aus denen die Wärmeenergie gewonnen wird.

Strom aus Rost und Solarkraftwerke im All: Wie zukünftige Energiegewinnung aussehen könnte

„Geothermische Energie liefert saubere, konstante und erneuerbare Elektrizität und Wärme“, schrieben Forschende in einer Anfang 2025 im Wissenschaftsportal Nature veröffentlichten Studie. Die Bestandsaufnahme darin klingt optimistisch: „Einige EGS werden in Europa kommerziell betrieben und liefern Wärme und/oder Strom, aber technische Probleme und Bedenken hinsichtlich induzierter Seismizität haben in der Vergangenheit eine breitere Expansion behindert. Die Anpassung fortschrittlicher Bohrtechniken (einschließlich der Verwendung von polykristallinen Diamantkompaktbohrern, Mehrfachbohrplattformen, Horizontalbohrungen und mehrstufiger Stimulation) ermöglicht eine Vergrößerung des Umfangs und eine Senkung der Kosten von EGS-Projekten.“ „Insbesondere Fortschritte im Bereich der Bohrtechnik dürften die Kosten bald senken und die Wiederholbarkeit der Erschließung von Bohrungen und damit die Skalierbarkeit von EGS-Projekten erhöhen“, heißt es in der Studie.

Gezeiten- und Wellenenergie: günstiger Strom ab 2030

Dass die Ozeane riesige Mengen an Energie freisetzen, ist offensichtlich – Technologien zur Nutzung der Kraft der Meere befinden sich allerdings noch in einem relativ frühen Entwicklungsstadium. „Die Meeresenergiebranche hat in den vergangenen Jahren gleichwohl bedeutende Fortschritte erzielt, und derzeit werden einige neue Prototypen getestet“, so lautet das Fazit einer in Science Direct veröffentlichten Übersichtsstudie, die den Stand der Entwicklung zusammenfasst. Doch selbst die fortschrittlichsten Technologien, die die Kraft von Gezeitenströmung und Meereswellen nutzen, stünden demnach noch vor erheblichen Herausforderungen. Forschende an der LUT University School of Energy Systems in Finnland und dem Marine Renewable Energies Lab der Delft University of Technology in den Niederlanden kommen indes zu dem Ergebnis, dass Wellenkraftanlagen ab etwa 2030 günstigeren Strom liefern könnten als Offshore-Windparks. Wellenkraft würde so zu einer wichtigen Energiequelle für Küstenländer und Regionen mit hoher Bevölkerungsdichte werden, die ihr Potenzial für erneuerbare Energien an Land einschränken und die sonst auf Energieimporte angewiesen wären, so die Forschenden.

Zementbasierte Elektroden: alternative Speicher

In einer ersten Pilotstudie wurde eine Betonbatterie mit Elektroden auf Zementbasis entwickelt." Forschende in Science Direct

Die Entwicklung innovativer Stromspeicher macht derzeit große Fortschritte. Erste Studien bescheinigen beispielsweise der Speicherung von Strom in Beton großes Potenzial. Die derzeit in Erprobung befindliche Technik könnte laut einer Anfang 2025 in Science Direct veröffentlichten Arbeit nicht nur die Selbstversorgung ziviler Infrastrukturen fördern, ohne dass sie auf eine externe Stromversorgung angewiesen sind, sondern könnte auch andere Stromverbraucher wie Straßenbeleuchtung, Ampeln und Elektrofahrzeuge mitversorgen. „Zementbasierte Elektroden erfordern leitfähige Mittel, die durch Mischen, Beschichten oder Einbetten leitfähiger Füllstoffe in die nichtleitende Zementmatrix hergestellt werden können“, berichten die Forschenden. „In einer ersten Pilotstudie wurde eine Betonbatterie mit Elektroden auf Zementbasis entwickelt.“ Obwohl die Energiedichte mit etwa 200 Wattstunden pro Liter deutlich geringer sei als die von handelsüblichen Batterien, wäre die gespeicherte Energiekapazität in Beton aufgrund des enormen Volumens von Betonkonstruktionen – Speicher in Form von Wolkenkratzern oder Autobahnen in Originalgröße – beträchtlich. Vor allem aber würden wesentlich weniger gewöhnliche Batterien benötigt, wodurch die mit dem Recycling von Altbatterien verbundene Wasser- und Umweltverschmutzung vermieden würde.

Am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston wurden Experimente mit leitfähigem Beton jüngst erfolgreich abgeschlossen. Forschende nutzten eine Form von pulverförmigem Kohlenstoff – bekannt als Carbon Black –, der seit der Antike als schwarzes Pigment verwendet wird. Dieses Material ist billig, weltweit verfügbar und zudem hochleitfähig. In der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences rechnete das MIT-Forschungsteam in der Folge aus, dass mit einem Betonvolumen von 45 Kubikmetern Carbon-Black-Zement – etwa die Menge, die für das Fundament eines durchschnittlichen Wohnhauses benötigt wird – rund zehn Kilowattstunden Energie gespeichert werden könnte. Das entspräche dem Strombedarf eines typischen Haushalts für einen Tag.

Eisen-Luft-Batterie: Strom aus Rost

Als weitere Alternative zu herkömmlichen Energiespeichern erlebt derzeit die sogenannte Eisen-Luft-Batterie ein Comeback, vor allem im Bereich Solar- und Windstrom. Ihr Funktionsprinzip ist einfach, aber effektiv: Sie besteht aus einer Eisen- und einer Luftelektrode. Beim Entladen reagiert das Eisen mit Sauerstoff aus der Umgebung zu Eisenoxid – es rostet. Beim Laden wird dieser Prozess umgekehrt, das Oxid wird wieder zu metallischem Eisen reduziert. Elektronen fließen dabei über den angeschlossenen Verbraucher und verrichten Arbeit. Der größte Vorteil der Eisen-Luft-Batterie liegt in den Materialkosten und der Rohstoffverfügbarkeit: Eisen ist günstig, reichlich vorhanden – auch in Europa. Die Batterie ist zudem robust, sicher und langlebig – bis zu 10.000 Ladezyklen und rund 30 Jahre Einsatzdauer sind möglich. Ihre hohe Energiedichte macht sie ideal für stationäre Speicher, während sie aufgrund ihrer geringen Leistungsdichte für mobile Anwendungen weniger geeignet ist.

Forschende am Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (Umsicht) und an der Hochschule Ruhr West arbeiten im Projekt Elustat an der Weiterentwicklung dieser Batterietechnik. Sie stellen kohlenstofffreie Luftelektroden auf Nickelbasis her, die nicht korrodieren, und untersuchen Elektrolytzusätze, die eine unerwünschte Wasserstoffbildung beim Laden vermeiden sollen. Zudem prüfen sie, ob sich recycelte eisenhaltige Industrieabfälle für die Elektrodenfertigung nutzen lassen. Ziel: eine kostengünstige, ressourcenschonende und langlebige Alternative zu Lithium-Ionen-Speichern – „eine Batterie, die buchstäblich aus Rost Energie gewinnt“, wie Marvin Kosin aus der Abteilung Elektrochemische Energiespeicher bei Fraunhofer Umsicht betont.

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