Wovon hängt die Anzahl eingestrahlter Sonnenenergie auf die Erde ab?
von Uhrzeit, Jahreszeit und Breitengrad
Sonnenenergie
Sonnenenergie

== Potenzial der Sonnenenergie ==
Als die größte Energiequelle liefert die Sonne pro Jahr eine Energiemenge von etwa 1,5 · 1018 kWh auf die Erdoberfläche. Diese Energiemenge entspricht mehr als dem 10.000fachen des Weltenergiebedarfs der Menschheit im Jahre 2010 (1,4 × 1014 kWh/Jahr).
Die Zusammensetzung des Sonnenspektrums, die Sonnenscheindauer und der Winkel, unter dem die Sonnenstrahlen auf die Erdoberfläche fallen, sind abhängig von Uhrzeit, Jahreszeit und Breitengrad. Damit unterscheidet sich auch die eingestrahlte Energie. Diese beträgt beispielsweise etwa 1.000 kWh pro Quadratmeter und Jahr in Mitteleuropa und etwa 2.350 kWh pro Quadratmeter und Jahr in der Sahara. Es gibt verschiedene Szenarien, wie eine regenerative Energieversorgung der EU realisiert werden kann, unter anderem auch mittels Energiewandlung in Nordafrika und Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung. So ergaben zum Beispiel satellitengestützte Studien des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), dass mit weniger als 0,3 Prozent der verfügbaren Wüstengebiete in Nordafrika und im Nahen Osten durch Thermische Solarkraftwerke genügend Energie und Wasser für den steigenden Bedarf dieser Länder sowie für Europa erzeugt werden kann. Die Trans-Mediterranean Renewable Energy Cooperation, ein internationales Netzwerk von Wissenschaftlern, Politikern und Experten auf den Gebieten der erneuerbaren Energien und deren Erschließung, setzt sich für eine solche kooperative Nutzung der Solarenergie ein. Eine Veröffentlichung aus den USA namens Solar Grand Plan schlägt eine vergleichbare Nutzung der Sonnenenergie in den USA vor.
Es wurde auch darüber nachgedacht, Solarenergie per Satellit einzufangen und auf die Erde zu übermitteln. Der Vorteil läge in einer höheren Energiedichte am Boden und in der Vermeidung von Tag-Nacht-Schwankungen. Auf Grund des großen dafür nötigen Aufwands, weit oberhalb von aller bisherigen Raumfahrttechnik, wurde jedoch keines dieser Projekte bisher realisiert.
Wasserkreislauf Photokatalytische_Wasserspaltung Optischer_Resonator
Wasserkreislauf

== Allgemeines Schema eines Wasserkreislaufes ==
Die Ozeane sind die größten Wasserspeicher der Erde, sie bedecken den größten Teil der Erdoberfläche.
Sonnenenergie erwärmt das Wasser. Durch Verdunstung, vor allem an der Meeresoberfläche, in geringerem Umfang auch auf dem Festland, entsteht Luftfeuchtigkeit. Der Wind transportiert die feuchte Luft zum Festland. Wenn die feuchte Luft auf kalte Luftschichten trifft, so schiebt sie sich darüber und steigt auf (Warmfront), ebenso wenn sie auf Bergflanken trifft oder über warmem Untergrund erwärmt wird (Konvektion). Wenn die Luft aufsteigt, kühlt sie sich ab. Kalte Luft kann aber weniger Wasserdampf aufnehmen als wärmere, daher kondensiert der in der Luft enthaltene Wasserdampf ab einer gewissen Höhe. Dabei entstehen Wolken. Werden die Wassertröpfchen groß genug, kommt es zu Niederschlägen, und das Wasser fällt in Form von Regen, Schnee oder Hagel zur Erde zurück. Die Form des Niederschlags hängt von der Temperatur ab. Wenn die Niederschläge direkt in die Gewässer fallen, schließt sich der Kreislauf und kann wieder von vorn beginnen. Fällt das Wasser auf die Erde, versickert es ins Grundwasser. Über den Grundwasserfluss oder über Quellen und Flüsse fließt es dann in die Ozeane ab. Auch Schmelzwasser von Gletschern und Schnee und oberflächlich abgeführtes Regenwasser wird über Flüsse in die Ozeane transportiert. In den Polargebieten und in Hochgebirgen wird ein Teil der Niederschläge in fester Form als Eis gespeichert, wo es über Schmelzwasser wieder in die Ozeane gelangt. Photokatalytische_Wasserspaltung

== Effizienzdefinition ==
Die Effizienz der photokatalytischen Wasserspaltung ist über das Verhältnis von eingestrahlter Sonnenenergie zur produzierten, nutzbaren chemischen Energie definiert. Für die genaue Definition der nutzbaren Energie pro umgesetztem Elektron (Wasserstoffatom) gibt es jedoch mehrere Ansätze, so kann der Brennwert oder die gibbssche freie Energie angesetzt werden. Letzterer Wert ist mit 1,23 eV pro reduziertem Proton der konservativere Wert und wird daher in der Regel verwendet. Die Prognosen, ab welcher Effizienz – Stabilität vorausgesetzt – der Prozess wirtschaftlich interessant werden könnte, sind bisher noch vage und gehen von 5–10 % für den Ansatz mit suspendierten Partikeln und mindestens 15 % für Hocheffizienz-Systeme aus.
Die bisher im Labor erzielten Effizienzen hängen stark vom verwendeten Materialsystem ab und reichen von 5 % für Metalloxid-Systeme bis zu 14 % für die teureren III-V-Verbindungshalbleiter. Eine Effizienz von über 12 % mittels Perovskit wurde 2014 dokumentiert, was im Vergleich zur Gesamteffizienz photovoltaischer Elektrolyse, mit Wasserstoff als Langzeit-Energiespeicher einen sehr hohen Wert darstellt. Gleichzeitig stellen diese Systeme eine attraktive Option für den Einstieg in eine wasserstoffbasierte Energieinfrastruktur dar, indem sie durch kompakte Erzeugungszentren mit Zugang zu hoher Sonnenleistung und Salzwasser eine hohe Wirtschaftlichkeit versprechen. Optischer_Resonator

== Berechnung ==
Die einfachste und wichtigste Bauform ist der Fabry-Pérot-Resonator, bestehend aus zwei parallelen ebenen Spiegeln im Abstand . Die Resonanzbedingung für die Ausbildung stehender Wellen lautet dann , mit , ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge muss also zwischen die Spiegel passen.
Der Abstand zwischen zwei Resonanzfrequenzen wird bezeichnet als freier Spektralbereich (FSR, von engl. ''free spectral range''):
mit der Lichtgeschwindigkeit  im Resonator.
Die Transmission des Resonators, also das Verhältnis aus eingestrahlter und austretender Intensität, hängt von der Frequenz ab und wird durch die Airy-Formel beschrieben. Dabei sind die Transmissionsmaxima umso schärfer ausgeprägt bzw. ihre Halbwertsbreiten umso geringer, je besser die Spiegel reflektieren, d. h. je höher ihre Reflektivität ist.
Die Halbwertsbreite  der Maxima ist
Der dabei auftretende Faktor  wird als ''Finesse'' bezeichnet und ist die entscheidende Kennzahl für Resonatoren, die das spektrale Auflösungsvermögen angibt. Die Finesse hängt – bei Vernachlässigung der Verluste im Resonator – nur von der Reflektivität  der Spiegel ab (hohe Reflektivität -> hohe Finesse -> hohes spektrales Auflösungsvermögen bzw. geringe Halbwertsbreite):
Je nach verwendeten Spiegeln kann die Finesse Werte von etwa 10 bis zu mehreren 100.000 annehmen.