Zukunftstechnologien im Ozean„Bevor wir ins Weltall gehen, sollten wir das Meer nutzen“
Wenn es an Land zu heiß für Datenzentren und zu eng für Solaranlagen wird, könnten die Meere eine Alternative sein. Sogar unter Wasser funktioniert Photovoltaik, haben Wissenschaftler herausgefunden. Doch die technischen Hürden sind groß.
An Land wird der Platz für Infrastruktur knapp und im Sommer ist es vielfach so heiß, dass sie versagt. Es wird um Platz für neue Straßen, Gewerbegebiete, Solarparks und Datenzentren gekämpft. Das Kühlwasser, das Kernkraftwerke und KI-Server brauchen, um zu funktionieren, kann ausgerechnet in Hitzeperioden versiegen. Gerade bei KI-Datenzentren ist der Energieaufwand für die Kühlung mitunter enorm. Deshalb nehmen nun Wissenschaftler, Ingenieure und Unternehmen die weiten und kühlen Gewässer des Ozeans ins Visier für neue Formen menschlicher Nutzung. Bei Windrädern für die Stromerzeugung passiert dies schon: Offshore-Windparks sollen sich künftig auf weiten Teilen der Nordsee erstrecken.
Folgen nun Solarparks und Datenzentren? Zumindest Pilotprojekte dafür sind schon am Laufen und eine neue, im Journal „Joule“ veröffentlichte Studie besagt nun, dass Photovoltaik sogar unter der Meeresoberfläche funktionieren könnte. Doch die technischen Hindernisse sind groß.
Der IT-Konzern Microsoft hat bereits zwischen 2018 und 2020 im „Projekt Natick“ vor den Orkney-Inseln damit experimentiert, Rechner in einem Metallzylinder zu betreiben, der auf dem Meeresgrund steht. Die Struktur hielt dem Wellengang unter Wasser stand und der mit Stickstoff gefüllte Innenraum blieb dicht. Die Projektverantwortlichen zogen besonders bei der Zuverlässigkeit eine positive Bilanz: „Unsere Ausfallquote im Wasser beträgt ein Achtel dessen, was wir an Land beobachten“, resümierte Projektleiter Ben Cutler. Er nannte als mögliche Gründe, dass Stickstoff weniger Korrosion verursacht als Sauerstoff und dass Schäden durch menschliche Fehler ausbleiben, weil niemand die Kapseln betritt.
Neuer Versuch vor Norwegen
„Der Versuch hat auch gezeigt, dass es praktikabel ist, das Meer zur Kühlung von Rechenzentren einzusetzen und dass das Potenzial besteht, die Energieeffizienz zu verbessern“, sagt Caren Oag vom European Marine Energy Centre, einem öffentlich finanzierten Prüf- und Forschungszentrum für neue Meerestechnologien, der das Microsoft-Projekt begleitet hat. Doch obwohl das Unternehmen sein „Projekt Natick“ als Erfolg feierte, der wichtige Erkenntnisse geliefert habe, wurde es eingestellt.
Nun geht das Startup Aikido Technologies aus San Francisco daran, ein ähnliches Konzept zu erproben. Noch in diesem Jahr soll als Prototyp ein kleines Rechenzentrum, das im unterseeischen Teil einer schwimmenden Offshore-Windplattform verbaut wird, im Meer vor Norwegen in Betrieb gehen, gefolgt 2027 von einem Großprojekt in britischen Gewässern.
„An Land wird es immer schwieriger, Energie, Grundstücke und Wasser für den Bau großer Datenzentren zu beschaffen“, sagt Firmenchef Sam Kanner. Deshalb werde bereits überlegt, KI-Rechenzentren im Erdorbit zu installieren: „Aber bevor wir ins Weltall gehen, sollten wir das Meer nutzen.“ Er nennt als großen Vorteil, dass die Rechenzentren mit den Windturbinen und zusätzlich installierten Batterien ihre eigene sichere Stromversorgung hätten.
Ähnliche Projekte laufen auch in China, wo im Meer vor Shanghai die Vorbereitungen laufen, Unterwasser-Datenzentren mit Windstrom zu betreiben, sowie im Hafengewässer der japanischen Stadt Yokohama. Der Ingenieurwissenschaftler Zhen Li von der Tsinghua-Universität wird in „China Daily“ mit der Einschätzung zitiert, dass Chinas KI-Rechenzentren für ihre Kühlung fast zwei Drittel weniger Energie verbrauchen würden, wenn sie unter Wasser platziert wären.
Solarzelle funktioniert auch in zehn Meter Tiefe
Zusätzlich gibt es Vorhaben und Planungen, im und auf dem Meer Photovoltaikmodule zur Stromerzeugung einzusetzen. Die neueste technologische Front im Ozean macht nun ein Team aus chinesischen Wissenschaftlern von der Yunnan-Universität und dem Schweizer Solarenergieforscher Michael Grätzel von der École Polytechnique Fédérale in Lausanne mit einer Studie auf, die zeigt, dass Photovoltaik sogar unter Wasser funktionieren könnte.
Dabei kommen mit synthetisch hergestellten Perowskiten kristalline Verbindungen zum Einsatz, die als interessante Alternative oder Ergänzung zum handelsüblichen Silizium beim Einfangen von Sonnenenergie gehandelt werden. Bei ihnen läßt sich nämlich chemisch justieren, für welche Wellenlängen sie besonders empfänglich sind. Silizium ist im blauen Bereich des Lichts nicht besonders leistungsfähig, kann es also schlechter verwerten als rotes Licht. Perowskite können dagegen auch im grünen und blauen Spektrum effektiv arbeiten, was ihren Einsatz unter Wasser interessant erscheinen lässt. Wasser absorbiert rotes Licht nämlich stark, grünes und blaues dominiert.
Den Autoren der Veröffentlichung in „Joule“ gelang es, Solarzellen zu konstruieren, die selbst in zehn Metern Tiefe genug grünes und blaues Licht einsammeln, um damit kleine Geräte laden zu können. Während die Effizienz, also der Anteil der eingefangenen Lichtenergie, bei der Perowskitzelle unter Standardbedingungen mit 17 Prozent unter den Werten für Siliziumzellen liegt, hebt das Team für zehn Meter Wassertiefe eine deutlich höhere Ausbeute von 35 Prozent hervor. Es spricht von einer „belastbaren Strategie für Materialien und Geräten bei der Solarenergiegewinnung unter Wasser“.
Experten, die nicht an der Studie beteiligt waren, halten sie für methodisch sauber und originell. Doch zugleich hebt Ulrich Paetzold, Professor für Next Generation Photovoltaics am Karlsruher Institut für Technologie, hervor, dass die beeindruckend wirkende Effizienz sich nur auf Anteile an Lichtwellen im blauen und grünen Spektrum bezieht, die in zehn Meter Tiefe dominieren, nicht auf das gesamte Spektrum des Sonnenlichts an der Oberfläche. „Man hat eine Solarzelle entwickelt, die nicht für die Erdoberfläche geeignet ist, aber die wenige im Wasser übriggebliebene Lichtenergie relativ gut nutzt“, sagt er.
China hat unter Wasser einen Vorsprung
Michael Saliba, Leiter des Instituts für Photovoltaik an der Universität Stuttgart, hält es für denkbar, dass die neuartigen Solarzelle den Weg zur Anwendung findet, wie es die Autoren beschreiben: für autonome Roboter, Beleuchtungssysteme im Wasser und wissenschaftliche Geräte etwa. „Da die Nutzung der Meere voranschreitet, ist das keine schlechte Idee“, sagt er. Nicht geeignet halten die Wissenschaftler diese Solarzellen für Photovoltaikparks im Meer. „Diese sollten wenn, dann an der Oberfläche gebaut werden“, sagt Paetzold. Saliba gibt zu Bedenken, dass Perowskite in geringen Konzentrationen Blei enthielten, das bei einem Bruch der Hülle freiwerden könnte. „Die Meeresumwelt ist schon genug mit Blei belastet“, sagt er.
Ein deutsch-niederländisches Vorhaben, einen Solarpark mit Siliziumzellen auf der Oberfläche der Nordsee zu erproben, hat wiederum mit großen Problemen zu kämpfen. Während sogenannte schwimmende Photovoltaikanlagen auf Seen schon weit verbreitet sind, verkomplizieren auf dem Meer Wellen, starke Stürme und Korrosion durch das Salz im Wasser die Anwendung. Das hinter dem Projekt stehende Startup Oceans of Energy hat schwimmende Solarflächen zwar schon seit 2019 vor der niederländischen Küste erprobt und Juni stolz einen neuen Großversuch in einem 18,5 Kilometer von der Küste entfernten Windpark angekündigt, zu dem die Solarzellen geschleppt worden seien.
Doch im August gab das Unternehmen eher kleinlaut bekannt, es sei zu einem „thermischen Zwischenfall“ gekommen, man habe die Solarpanele wieder an Land schleppen müssen. Ein größeres Konsortium, an dem auch das Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik in Halle beteiligt ist, steht allerdings gegenüber der EU-Kommission im Wort, eine Testfläche auf dem Meer zu installieren, die einen Quadratkilometer groß ist.
Wie bei Unterwasser-Datenzentren und Unterwasser-Solarzellen hat auch bei Photovoltaikmodulen, die auf dem Meer installiert sind, derzeit China die Nase vorne. Anfang des Jahres ging in der Provinz Shandong mehrere Kilometer von der Küste entfernt der mit 12 Quadratkilometern Ausdehnung größte marine Solarpark der Welt in Betrieb.
