Walter Kohn (2009) - An Earth Powered Predominantly by Solar and Wind Energy

I shall present and explain the thesis that mankind is on the threshold of a dramatic transition: From an earth, predominantly powered by oil and other fossil fuels, with unsustainable global warming, to a new earth predominantly powered by "clean" solar and wind energy with greatly reduced global warming

Good morning, happy to see many of you again and I look forward to seeing some of you even further this afternoon. You’ve had to restructure things, like these proteins restructure themselves according to needs and so we are going to speak about, and show you something about solar energy mostly. And I’ll make very few introductory remarks. Solar energy is of course an enormous boom to us, there’s a huge amount of energy coming down, many orders of magnitude more than we humans need or claim to need. And so the role of science is obvious, the role of science is to find ways in putting this super abundance of energy to good use in an energy hungry world. There are 2 broad forms of energy, both of which are derived from the sun. Namely solar and wind energy. And many of us believe that mankind’s dependence on fossils which is coming to an end, the so called peak oil moment in history when oil production reaches its peak and begins to decline, everybody is watching for that like for a comet in the sky, when will that come. And there of course is no clear prediction but some things can be said with, well as Professor Kroto said, with whatever near certainty, it’s going to happen before the middle of the century which is practically now. My own study of the data leads me to 2 different results, one of which is related to population that I’ve already mentioned and that is peak oil, the top of the production of oil followed by a very rapid decline in a few decades and the other one is peak oil per person and that’s a different time. Now my estimates based on other people’s work say that peak oil per person should come around in around 7 years. That’s a major and immediate problem. My government, I’m an American, for many years just denied the existence of this problem, I mean very dramatically President Bush a few weeks after coming into office, pulled out of the Kyoto agreement and that was a very dramatic and many of us felt very unfortunate step. We are now in a much better situation but at that time, it’s a long story and we can talk about that this afternoon, I began to become a film maker. And I felt the government is not going to take the initiative, or my government will not take the initiative, so let’s try and build a fire under them by popular pressure. And this film that I’m going to show you now and we can do some more, show you some more things this afternoon, came about this way. And I’m ready to go so can I. Until about 200 years ago we humans largely depended for our energy needs on our own muscles, on animals and on burning wood. When we ran short of wood we discovered a marvellous source of energy stored in fossil fuels. Coal, gas and oil. Fossil fuels are nothing more than the transformed remains of plants and animals that died millions of years ago. When we burn them we release the energy of the ancient sun light that helped create them in the first place. But we have come to be dangerously dependent on fossil fuels, even addicted to them. Not only does that accelerate global warming, we’re likely to run out of cheap oil and gas by mid century. Coal though much more abundant is highly toxic. So we must do something urgently. In the developed world we must learn to use less energy, a 50% reduction may be necessary. And we must turn increasingly to renewable energy sources. One of our most promising solutions may be to turn back to our old friend the sun. Do you know that the solar energy that strikes the earth surface for one hour is enough to feed the world’s current electricity needs for one year? So why haven’t we gone solar already, I mean it’s pollution free, there’s no global warming, there’s no dependence on foreign oil powers, it’s decentralised so it’s virtually terrorist proof and effectively there’s an infinite supply. I mean it sounds like the dream solution doesn’t it. But will it work? This film is all about sun light, what it is, how we are learning to use it and what the future may hold. Our story starts however long ago and far away. Many ancient peoples worshiped the sun, the Egyptian Pharaoh Akhenaton founded the first religion in history to have a single god and that god was the sun. The writers of the bible acknowledged its primacy by having god’s first instruction be ‘let there be light’. But what exactly was this stuff light? No one had any clear idea until the eminent English scientist Isaac Newton took an educated guess about 300 years ago and wrote 'are not the rays of light very small bodies emitted from shining substances’. that as he knew travelled in straight lines. Newton’s guess was a good one as Einstein would later show. But a very different guess was made by a Dutch man Christiaan Huygens, Huygens observed the waves made by a stone dropped in water, he had a brilliant insight, suggesting that light as he said spreads by spherical surfaces and waves. Here’s a drawing that Huygens made to illustrate waves of light flowing from a candle. Huygens had created the wave theory of light but like Newton he couldn’t back up his theory with experimental results. And so things stood until 1803 when a Londoner called Thomas Young was invited to make a presentation on light in the famous lecture theatre at the Royal Institution. people came to be educated, to see, to learn about science, it was almost evidently like a magic show. These physics students at Stanford University are replicating one of Thomas Young’s experiments. Light from a single source must enter 2 narrow slits and eventually hit a screen some distance away. The reason that Young did this experiment was to try to see if light was a wave or a particle. Was Newton right or Huygens? The light from each slit spreads out like waves of water, each wave interferes with the others creating a pattern of light and dark patches. And that could be perfectly naturally explained by the wave theory and couldn’t be explained at all by Newton’s theory. So Christiaan Huygens theory was right, light is a wave. But that’s not the end of the story. In the early 19th century no one thought there was much connection between light, electricity and magnetism, they seemed like 3 very different phenomena. Then here at the Royal Institution a young scientist called Michael Faraday started doing experiments with an electro magnet and he discovered that electricity and magnetism were 2 sides of the same coin. Another British scientist, James Clark Maxwell then set out to formulate Faraday’s findings mathematically. And his equations predicted the existence of electro magnetic waves. He calculated the speed of these waves and he noticed that it was exactly the same as the speed of light that had previously been measured. So suddenly he finds himself confronted with the fact that light is a wave phenomenon and it is an electro magnetic wave phenomena. One of the great insights of natural science. German scientist Heinrich Hertz experimented by shining lights on electrical circuits and results seem to confirm Maxwell’s theory. Our knowledge is complete said Hertz, a refutation of these views is unthinkable, the wave theory of light is a certainty. However Hertz assistant, Philip Lenard decided to look more closely at one of the experiments where there was a gap in the electrical circuit. let’s go ahead and fire up the high voltage. Lenard found that if you shown light at low frequencies, red, green or blue, on these 2 metal balls, nothing happened but if the light was above a certain frequency, into the ultra violet, electrons escaped from the metal and jumped across the gap, completing the circuit and creating a spark. Now that didn’t sound like the action of a wave. a threshold, a sudden change going from violet to ultra violet if light is a wave, smooth and continuous in how it delivers its energy. But if light is a particle, a threshold makes a lot more sense. but here there was this new class of experiment that could very easily be explained by a particle theory but not by the wave theory, what to do with this. No one could have predicted the problem would be solved by a patent office clerk in Switzerland but that’s what Albert Einstein was when he came up with the answer. In 1905 Einstein had the revolutionary insight that light had a dual nature. In some context as Maxwell and Hertz had shown it was a wave, but in others as in Lenard’s measurements it consisted of discrete quanta of energy or photons. The higher the frequency the greater their energy. Amazingly Newton and Huygens had both been correct. An experiment using modern equipment at Stanford shows very clearly that Einstein was right. so what we have here is we have a very sensitive photo detector and its connected to these optics through this fibre optic cable which basically just funnels light into the detector. So we actually need to cover up these optics and we need to actually shut the room lights off and I’ll use this flash light as a light source to get photons into the detector. In darkness you hear no evidence of photons striking the detector, as the light becomes stronger you hear a growing rush of photons, when the light is dimmed there are fewer and fewer photons reaching the detector until you begin to hear the photons one by one. But nobody else could understand how light could be both a wave and a particle, not even the famous physicist Max Planck. and in this letter he says many complementary things about Einstein and then he comes to Einstein’s theory of a photon and he says you should forgive Einstein, even a very great man can make a big mistake occasionally. And of course eventually Einstein got his Nobel Prize for that work. It wasn’t relatively that won him his Nobel Prize, it was what he called the photo electric effect. and this genius touch, as I emphasise again, that transcends the simple analysis and the major logic and that is what is truly great about this great mind. The entire history and development of modern work on solar electricity depends on Einstein’s understanding of this photo electric effect. In this context light consists of lots of individual packets of energy, ready to react with what ever they strike. Einstein’s insight had set the stage for the future advent of solar power. In the mid 20th century some of the greatest developments in applied technology were made at Bell Labs, the Bell telephone laboratories in New Jersey. Here in 1947 William Shockley, John Bardeen and others developed the transistor, the most important electronic discovery of the century. It was both a switch and an amplifier and it transformed everything from telephones to computing. You can really speak of the world before the transistor and the world after the transistor. Doctor Walter Kohn worked here as a young man in the 1950’s. it was known to everybody in physics as the number one laboratory in the world. My recollection is that there were approximately 3,000 people working there, you know everybody was doing his thing but everybody was connected to other people who were doing their things. It was this connection that brought together the work of 3 scientists to create the world’s first practical solar cell. Daryl Chapin was an electrical engineer, he’d been experimenting with early selenium cells for powering telephone lines in remote areas. A physicist Gerald Pearson was trying to develop a rectifier to replace mechanical telephone switching devices and a chemist, Calvin Fuller was working with the semi conductor silicon as part of the transistor project. Bell scientists liked silicon because of its electronic characteristics and because it was abundant, it’s basically sand and makes up more than ¼ of the earths surface. A single atom of silicone has 4 active electrons which are called valence electrons. In a crystallise silicon each of these valence electrons, together with a valence electron of a neighbouring silicon atom forms a bond adjoining those 2 atoms. However perfect it looks solid silicon like all semi conductors doesn’t work electronically unless a small fraction of the silicon atoms are replaced by foreign atoms called impurities. you introduce these miniscule fractions of impurities, I say miniscule part in a million, part in a billion atoms, suddenly all kinds of exciting things can be made to happen. The chemist Kelvin Fuller developed a highly controlled process for diffusing impurities into silicon, I’m interrupting here quickly, we are short of time, partly because we’ve run late, there have been problems here and partly because the film runs a little longer than the time that was assigned to me. So what we have decided to do in discussion is we will show you a few more sections of this film, so please excuse the abruptness of the transition and we will show some more depending on interest this afternoon when the students will meet with me as has been the case the last few days. Ok so can I see the list of chapters. But will it become a major part of the world’s energy mix. That depends on people like Terry Jester, she’s worked in photovoltaic’s since the 1970’s feeling so committed and feeling like what we were doing and what we could do would change the world and change the future. Terry Jester is director of operations at this factory which is now owned by Shell. It has been making solar panels for more than 25 years. The whole time the primary target has been to cut costs, to increase the efficiency of the solar panels or to make them in a cheaper way. Shell is one of the oil companies that appear to take solar power seriously. They recently unveiled a large installation to power water pumps near Bakersfield California. The reliability of this product is one major technical reason to do something like this. As you can hear you don’t hear anything, there’s no moving parts. In terms of environment, apart from no noise, it is also not polluting, it doesn’t need any fuel and the fuel is currently coming from above. California and some other states have offered subsidies to business and home owners to encourage the development of the industry. But it was in Japan that this idea really took off. In some ways Japan is an extremely traditional society, it treasures beauty in everything it creates. This has been home to the same family for over 200 years, they still serve tea in the time honoured way but Japan has other tastes too. Spend a few minutes in down town Tokyo or Osaka and you’ll realise how deep is the Japanese love affair with technology and how much energy is required by this industrial super power. It is very important, we don’t have so many coals, petroleum, natural gasses and other, uranium etc, therefore we should create the energy by ourselves. they had a large will to invest in solar power. Sharp started researching in solar cell technology in 1959, and were the first to produce a solar cell in Japan. In 1961, Sharp became the first to apply solar technology to a consumer product by producing the solar powered radio. As with cars, Japanese companies came from nowhere and soon became world class in electronics. Subsidies drove the market. This traditional Japanese house is now powered by solar panels. For our children’s generation to keep a clean environment is very important. This year Kyoto protocol will become effective, so from now on this becomes a more important issue. Our dream is to install solar systems for all Japanese houses. All across Japan modern apartment blocks and factories are sprouting solar panels. The secret of success in Japan was wholehearted government encouragement and subsidy. that they wanted to stimulate the growth of solar power in Japan to actually be an important part of the electrical distribution in the country. But because the price of all electricity in Japan is so high, solar power is now almost competitive on price alone. as opposed to the 75% originally but the number of people wanting to buy the systems continues to increase. So the systems are very close to being economic now. and they’ve both taken a truly leading visionary role in driving the technology, in supporting the technology. Both countries have tremendous political support for clean energy. And to me it’s a little bit ironic in that we could be looking in the future at importing solar panels, just as we import oil today because as a result of the markets being both in Germany and Japan, the industry, the centres of excellence have generally gravitated towards those 2 countries. The Germans have embraced solar power as enthusiastically as the Japanese. What's called the world’s largest solar installation was dedicated in June 2005 at Mühlhausen in Bavaria. It spreads over several acres and provides up to 10 megawatts of power for the electricity grid... So you notice there was a little pow wow here and my time is up but I wanted to tell you a very important section is coming right after this, it’s about solar energy in the developing world and we’ll start at that point this afternoon, for those who would like to come over and see it there. And we’ll hopefully make arrangements for people to be comfortable and maybe even sit on chairs. In any case to close for the moment I’ve been very optimistic, become very optimistic about the real possibility of a kind of, after a certainly somewhat turbulent transition from fossil fuels to renewable fuels, that the world can manage on solar and wind energy alone. I’m not saying it should do that but I would not be at all surprised if those would be the 2 principle sources of energy after the transition away from fossil fuels. This is not totally a fantasy, if you look at the fraction of total energy now produced by sun and wind you would say this is an absolute madness of Walter Kohn. But if you look a little more closely you’ll see that over the last 5 years, every year solar energy and wind energy similarly has grown by about 30%. Now everybody here has had experience with exponential functions and 30%, even if you start with a tiny amount, now if you take solar and wind together, it’s something like a few percent of the world’s energy. But already in 10 years it will have grown by a factor of perhaps 5 or 6. In 20 years by a factor of 25 and in 30 years, this is exponential growth, by a factor of over 100. There are no physical limitations to this growth, I mean there’s enough, plenty of area, I mentioned to you, I think somebody else mentioned that earlier, perhaps Professor Kroto, the amount of sunlight falling on the earth is thousands of times more than we need for electricity production. Even wind which has more limitations because of the structural demands on large turbines, even wind in principle can produce more than the entire energy needed by the world. Together in practice and if you look at the record, recent record, I believe that this is a possibility. Do not misunderstand me, I’m not here contradicting Professor Molina’s thesis which he accredited to a couple of people in Princeton, the so-called wedge picture, it’s not really a theory, it’s just if you have several sources of energy you add the energies. But we wanted to be very concrete and just look at what seems to us the most probable main sources of energy in the future and we were surprised and pleased by these results. So now it’s up to us and especially up to you to really do it. Thank you very much.

Guten Morgen, ich freue mich, dass ich viele von Ihnen wiedersehe und den einen oder anderen vielleicht heute Nachmittag nochmal treffe. Sie mussten ein bisschen umorganisieren, genau wie sich diese Proteine entsprechend den Anforderungen neu strukturieren. Ich werde heute hauptsächlich über Sonnenenergie sprechen und Ihnen dazu Einiges zeigen. Zunächst aber ein paar einführende Anmerkungen. Sonnenenergie bedeutet für uns natürlich einen enormen Vorteil, denn diese auf die Erde treffende Energiemenge ist um viele Größenordnungen größer als das, was wir Menschen benötigen oder beanspruchen. Die Rolle der Wissenschaft ist daher offensichtlich: Wir müssen Wege finden, diese unglaubliche Energiefülle in unserer energiehungrigen Welt sinnvoll zu nutzen. Von der Sonne stammen zwei Hauptenergieformen, die Sonnenenergie und die Windenergie. Viele von uns sind der Ansicht, dass die Abhängigkeit des Menschen von den zur Neige gehenden fossilen Brennstoffen... Der Zeitpunkt des sogenannten Ölfördermaximums, wenn die Ölproduktion ihren Höhepunkt erreicht und zu sinken beginnt - jeder hält danach Ausschau wie nach einem Kometen am Himmel, doch wann wird dieser Zeitpunkt kommen? Natürlich gibt es noch keine klare Vorhersage, doch eines lässt sich, wie Sie von Professor Kroto gehört haben, mit fast hundertprozentiger Sicherheit sagen, dass nämlich dieser Zeitpunkt noch vor der Mitte dieses Jahrhunderts eintreten wird, also im Prinzip jetzt. Mein eigenes Studium der Daten führt mich zu zwei unterschiedlichen Ergebnissen. Das eine, das ich bereits erwähnt habe, bezieht sich auf die Gesamtbevölkerung, nämlich das Ölfördermaximum, das von einem sehr raschen Rückgang innerhalb einiger Jahrzehnte gefolgt wird, das andere auf das Ölfördermaximum pro Person - hier gilt eine andere Zeitrechnung. Meine auf den Arbeiten anderer Leute beruhenden Schätzungen besagen, dass das Ölfördermaximum pro Person in etwa 7 Jahren erreicht sein wird. Das stellt ein ernstes und unmittelbares Problem dar. Meine Regierung - ich bin Amerikaner - leugnet seit vielen Jahren einfach die Existenz dieses Problems. Kaum einige Wochen im Amt, stieg Präsident Bush aus dem Kyoto-Abkommen aus, ein äußerst dramatischer und nach Ansicht vieler von uns sehr bedauernswerter Schritt. Wir sind jetzt in einer sehr viel besseren Situation, doch damals... Das ist eine lange Geschichte und wir können heute Nachmittag darüber reden. Ich wurde also Filmemacher. Da ich den Eindruck hatte, dass die Regierung - also meine Regierung - die Initiative nicht übernehmen wird, wollte ich versuchen ihnen durch öffentlichen Druck ein wenig Feuer unter dem Hintern zu machen. Auf diese Weise kam dieser Film zustande, den ich Ihnen jetzt präsentieren werde. Ich zeige Ihnen heute Nachmittag auch gerne noch mehr davon. Ich bin jetzt soweit, kann ich bitte anfangen? Bis vor etwa 200 Jahren waren wir Menschen hauptsächlich von unserer eigenen Muskelkraft, Tieren und dem Verbrennen von Holz abhängig, um unseren Energiebedarf zu decken. Als das Holz knapp wurde, entdeckten wir eine wunderbare Energiequelle, die in fossilen Brennstoffen gespeichert war: Kohle, Gas und Öl. Fossile Brennstoffe sind nichts weiter als umgewandelte Reste von Pflanzen und Tieren, die vor Millionen von Jahren starben. Bei ihrer Verbrennung wird die Energie des urzeitlichen Sonnenlichts freigesetzt, das überhaupt erst zu ihrem Entstehen geführt hat. Doch unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen hat ein gefährliches Ausmaß erreicht, wir sind regelrecht süchtig. Nicht nur beschleunigt sie die globale Erwärmung, billiges Öl und Gas werden wahrscheinlich bis zur Jahrhundertmitte zur Neige gehen. Kohle liegt zwar in weitaus größerer Menge vor, ist aber hochtoxisch. Wir müssen also dringend etwas tun. In den Industrieländern müssen wir lernen weniger Energie zu verbrauchen; möglicherweise ist eine Reduktion um 50% notwendig. Zudem müssen wir uns verstärkt erneuerbaren Energiequellen zuwenden. Eine der vielversprechendsten Lösungen könnte die Rückkehr zu unserer alten Freundin, der Sonne sein. Wussten Sie, dass die Sonnenenergie, die in einer Stunde auf die Erdoberfläche trifft, ausreicht, den aktuellen Stromverbrauch der ganzen Welt für ein Jahr zu decken? Warum haben wir nicht längst auf Solarenergie umgestellt? Diese Energie ist schadstofffrei, führt nicht zur globalen Erwärmung oder Abhängigkeit von fremden Ölmächten, ist dezentralisiert und damit praktisch terroristensicher und zudem eine niemals versiegende Quelle. Ich finde, das klingt nach einer Traumlösung, oder? Aber wird es funktionieren? Dieser Film handelt vom Sonnenlicht, was es ist, wie wir lernen es zu nutzen und was die Zukunft bereithält. Unsere Geschichte beginnt jedoch vor langer Zeit an einem fernen Ort. Viele Urvölker verehrten die Sonne. Der ägyptische Pharao Echnaton gründete die erste Religion in der Geschichte, in der es nur einen Gott gab, die Sonne. Die Verfasser der Bibel würdigten ihre vorrangige Stellung, indem sie Gottes erste Anweisung 'Es werde Licht' sein ließen. Aber was genau ist Licht eigentlich? Niemand hatte eine klare Vorstellung davon, bis der berühmte englische Wissenschaftler Isaac Newton vor etwa 300 Jahren eine wohlbegründete Vermutung niederschrieb: Nun, Newtons Vorstellung von Licht war wirklich recht simpel; er fand heraus, dass Licht aus einem Strom von Teilchen bestand, die sich seines Wissens nach auf geraden Linien bewegten. Wie Einstein später beweisen würde, war Newtons Annahme nicht so falsch. Der Niederländer Christiaan Huygens ging jedoch von einer ganz anderen Vermutung aus; er beobachtete die Wellen, die ein ins Wasser geworfener Stein erzeugte, und hatte eine brillante Idee, nämlich dass sich Licht in Form von Kugelflächen und -wellen ausbreitet. Hier sehen Sie eine von Huygens angefertigte Skizze, die von einer Kerze ausgehende Lichtwellen darstellt. Huygens hatte die Wellentheorie des Lichts aufgestellt, doch wie Newton konnte er seine Theorie nicht mit experimentellen Ergebnissen untermauern. So lagen die Dinge, bis 1803 ein Londoner namens Thomas Young gebeten wurde, im berühmten Vorlesungssaal an der Royal Institution einen Vortrag über Licht zu halten. Die 1799 gegründete Royal Institution wurde sofort ein großer Erfolg. Die Leute kamen, um etwas zu lernen, zu schauen, etwas über die Wissenschaft zu erfahren; es war offensichtlich beinahe wie eine Zaubervorstellung. Diese Physikstudenten an der Stanford University wiederholten eines von Thomas Youngs Experimenten. Licht aus einer einzelnen Quelle muss durch zwei schmale Schlitze hindurchtreten und schließlich in einem gewissen Abstand auf einen Schirm treffen. Der Grund warum Young dieses Experiment durchführte, war, dass er sehen wollte, ob es sich bei Licht um eine Welle oder ein Teilchen handelt. Hatte Newton Recht oder Huygens? Das Licht aus den beiden Schlitzen breitete sich wie Wasserwellen aus, wobei jede Welle mit den anderen interferierte, so dass ein Muster aus hellen und dunklen Stellen entstand. Auf dem zweiten Schirm schwankte die Lichtintensität überall sehr regelmäßig. Das ließ sich durch die Wellentheorie auf perfekt natürliche Weise erklären, nicht aber durch Newtons Theorie. Christiaan Huygens Theorie war also richtig, Licht besitzt Wellenform. Doch das ist noch nicht das Ende der Geschichte. Anfang des 19. Jahrhunderts hielt es niemand für möglich, dass es eine Verbindung zwischen Licht, Elektrizität und Magnetismus gibt; sie schienen drei ganz unterschiedliche Phänomene zu sein. Dann begann hier an der Royal Institution ein junger Wissenschaftler mit Namen Michael Faraday Experimente mit einem Elektromagneten durchzuführen und entdeckte, dass Elektrizität und Magnetismus zwei Seiten einer Medaille sind. Ein anderer britischer Wissenschaftler, James Clark Maxwell, machte sich an die mathematische Formulierung von Faradays Ergebnissen. Seine Gleichungen sagten die Existenz elektromagnetischer Wellen vorher. Maxwell entdeckte also auf mathematischem Wege die elektromagnetischen Wellen und berechnete ihre Geschwindigkeit. Er stellte fest, dass sie genau der Geschwindigkeit des Lichts entsprach, die zuvor gemessen worden war. Plötzlich sah er sich also mit der Tatsache konfrontiert, dass Licht ein Wellenphänomen ist, und zwar ein elektromagnetisches Wellenphänomen. Eine der großen Erkenntnisse der Naturwissenschaften. Der deutsche Wissenschaftler Heinrich Hertz bestrahlte in einem Experiment elektrische Stromkreise mit Licht; die Ergebnisse schienen Maxwells Theorie zu bestätigen. Für Hertz war der Erkenntnisprozess abgeschlossen, eine Anfechtung der Ergebnisse undenkbar und die Wellentheorie des Lichts eine Gewissheit. Doch Hertz' Assistent Philip Lenard beschloss, sich eines der Experimente, bei dem der Stromkreis eine Lücke aufwies, noch einmal etwas genauer anzuschauen. Momentan liegt keine hohe Spannung an, weswegen nichts passiert. Fahren wir also fort und erhöhen die Spannung. Lenard fand heraus, dass bei Bestrahlung dieser beiden Metallkugeln mit Licht einer niedrigen Frequenz, also rot, grün oder blau, nichts geschah; bei Bestrahlung mit Licht oberhalb einer bestimmten Frequenz, also im Ultraviolett-Bereich, entwichen jedoch Elektronen aus dem Metall und übersprangen die Lücke. Dadurch schloss sich der Stromkreis und ein Funke wurde erzeugt. Nun, das hörte sich nicht nach dem Verhalten einer Welle an. Wenn Licht Wellenform besitzt und seine Energie gleichmäßig und kontinuierlich abgibt, ergibt eine Schwelle, ein plötzlicher Wechsel von Violett zu Ultraviolett keinen Sinn. Wenn Licht aber ein Teilchen ist, ergibt eine Schwelle schon viel mehr Sinn. Hier lag ein unglaubliches Paradoxon vor. So viele Experimente konnten scheinbar nur durch die Wellentheorie erklärt werden, doch diese neue Klasse von Experimenten ließ sich ganz leicht durch eine Teilchentheorie, nicht aber durch die Wellentheorie erklären. Was also tun? Niemand hätte vorhersagen können, dass das Problem von einem Schweizer Patentprüfer gelöst werden würde, doch genau das war Albert Einstein, als er mit der Antwort aufwartete. In manchen Zusammenhängen handelt es sich bei Licht, wie Maxwell und Hertz gezeigt hatten, um eine Welle, in anderen Zusammenhängen - wie z.B. bei Lenards Messungen - besteht es aus einzelnen Energiequanten oder Photonen. Mit steigender Frequenz nimmt auch seine Energie zu. Erstaunlicherweise waren sowohl Newton als auch Huygens beide im Recht. Ein in Stanford durchgeführtes Experiment mit moderner Ausstattung zeigte ganz eindeutig, dass Einstein richtig lag. Wir möchten gerne einzelne Photonen beobachten. Das hier ist ein hochempfindlicher Photodetektor, der über dieses Glasfaserkabel, das im Grunde genommen das Licht nur in den Detektor weiterleitet, an dieses optische System angeschlossen ist. Wir müssen die Optik abdecken und die Zimmerbeleuchtung ausschalten. Ich werde diese Taschenlampe als Lichtquelle benutzen, um Photonen in den Detektor zu leiten. Im Dunkeln gibt es keinen akustischen Hinweis darauf, dass Photonen auf den Detektor treffen, doch wenn das Licht stärker wird, hört man die zunehmend herandrängenden Photonen. Dimmt man das Licht, erreichen immer weniger Photonen den Detektor, bis man allmählich die einzelnen Photonen hören kann. Das zeigt, dass Einstein Recht hatte und Licht in der Tat aus Teilchen besteht. Doch niemand sonst konnte verstehen, warum Licht gleichzeitig eine Welle und ein Teilchen sein konnte, nicht einmal der berühmte Physiker Max Planck. Wir kennen heute das Empfehlungsschreiben, das Max Planck für Einstein verfasste. Es enthält zahlreiche ergänzende Kommentare. Bezüglich Einsteins Photonentheorie merkte Planck an, man solle Einstein vergeben, auch dem größten Mann könnte gelegentlich ein großer Irrtum unterlaufen. Natürlich erhielt Einstein letztendlich für diese Arbeit den Nobelpreis. Er erhielt den Nobelpreis nicht für die Relativitätstheorie, sondern für den von ihm so bezeichneten photoelektrischen Effekt. Der photoelektrische Effekt ist wirklich ein Geniestreich. Es brauchte Mut und natürlich auch Wissen, aber vor allem, ich betone es nochmal, diesen genialen Ansatz, der die simple Analyse und grundlegende Logik transzendiert. Das ist das wahrlich Erhabene an diesem großen Geist. Die gesamte Geschichte und Entwicklung der modernen Errungenschaften im Solarstrombereich hängt von Einsteins Verständnis dieses photoelektrischen Effekts ab. In diesem Zusammenhang besteht Licht aus vielen einzelnen Energiepaketen, die mit allem reagieren, auf das sie treffen. Einsteins Erkenntnis hat die Voraussetzungen für das kommende Zeitalter der Solarenergie geschaffen. Mitte des 20. Jahrhunderts erfolgten einige der größten Entwicklungen im Bereich der angewandten Technik in den Bell Labs, den Laboratorien der Bell-Telefongesellschaft in New Jersey. Hier entwickelten 1947 William Shockley, John Bardeen und andere den Transistor, die bedeutendste elektronische Errungenschaft des Jahrhunderts. Der Transistor bestand aus einem Schalter und einem Verstärker und transformierte alles vom Telefon bis zum Computer. Er revolutionierte alles. Man kann von einer Welt vor und einer nach dem Transistor sprechen. Walter Kohn arbeitete hier als junger Mann in den 50er Jahren. Als ich die Bell Labs das erste Mal betrat, war ich von dem Ort sehr eingeschüchtert. Jeder in der Physik wusste, dass dieses Labor die Nummer Eins weltweit war. Meiner Erinnerung nach arbeiteten hier damals etwa 3000 Menschen. Jeder kümmerte sich um seine Arbeit, trotzdem waren alle irgendwie vernetzt. Es war diese Vernetzung, die die Arbeit von drei Wissenschaftlern zusammenbrachte, so dass die weltweit erste praxistaugliche Solarzelle entstand. Daryl Chapin war Elektroingenieur und hatte mit den ersten Selenzellen für die Stromversorgung von Telefonleitungen in abgelegenen Gegenden experimentiert. Der Physiker Gerald Pearson versuchte einen Gleichrichter als Ersatz für mechanische Telefonvermittlungsanlagen zu entwickeln und der Chemiker Calvin Fuller arbeitete im Rahmen des Transistorprojekts mit dem Halbleiter Silizium. Die Wissenschaftler bei Bell schätzten Silizium aufgrund seiner elektronischen Eigenschaften und der Tatsache, dass es reichlich vorhanden ist; es besteht im Wesentlichen aus Sand und macht mehr als 1/4 der Erdoberfläche aus. Ein einzelnes Siliziumatom besitzt vier aktive Elektronen, die als Valenzelektronen bezeichnet werden. In einem kristallisierten Silizium bilden diese Valenzelektronen jeweils zusammen mit einem Valenzelektron eines benachbarten Siliziumatoms eine Bindung und verknüpfen so diese beiden Atome. Doch wie perfekt es auch aussehen mag, Silizium in fester Form hat wie alle Halbleiter erst dann einen elektronischen Effekt, wenn ein kleiner Anteil der Siliziumatome durch Fremdatome, sogenannte Verunreinigungen ersetzt worden ist. Reines Silizium ist eine der langweiligsten Substanzen, die man sich vorstellen kann, und verhält sich meist sehr unspektakulär. Führt man aber diese winzigen Mengen an Verunreinigungen ein, 1 ppm oder 1 ppb, lassen sich auf einmal alle möglichen aufregenden Sachen damit anstellen. Der Chemiker Kelvin Fuller entwickelte einen hochgradig gesteuerten Prozess zur Diffusion von Verunreinigungen in Silizium. Nehmen Sie z.B. Phosphor... Ich unterbreche hier rasch, wir haben keine Zeit mehr, teilweise weil wir zu spät dran sind - es gab Probleme - und teilweise weil der Film etwas länger dauert, als die mir zugestandene Zeit. Wir haben deshalb gerade beschlossen, Ihnen noch einige Ausschnitte aus diesem Film zu zeigen - bitte entschuldigen Sie diesen abrupten Übergang - und Ihnen heute Nachmittag, wenn ich mich so wie in den letzten Tagen mit den Studenten treffe, je nach Interesse noch weitere zu präsentieren. Ok, kann ich bitte die Aufzählung der Kapitel haben? Sie wird jedoch einen großen Anteil am weltweiten Energiemix darstellen. Das hängt von Menschen wie Terry Jester ab; sie arbeitet seit den 70er Jahren in der Photovoltaikbranche. Es war einfach eine tolle Sache zu dieser Gruppe von Menschen zu gehören, 80/90 Stunden die Woche zu arbeiten, so ein Engagement zu verspüren und das Gefühl zu haben, dass das, was wir taten oder tun könnten, die Welt und die Zukunft vielleicht verändert. Terry Jester ist Technische Leiterin in diesem Werk, das heute Shell gehört. Dort werden seit mehr als 25 Jahren Sonnenkollektoren hergestellt. Hauptziel war stets die Senkung der Kosten und die Steigerung der Effizienz bzw. die günstigere Herstellung der Sonnenkollektoren. Shell ist eine der Ölfirmen, die Sonnenenergie anscheinend ernst nehmen. Vor kurzem nahmen sie in der Nähe von Bakersfield, Kalifornien eine riesige Anlage zur Stromversorgung von Wasserpumpen in Betrieb. Bei dieser Anlage des Semitropic Water Storage District handelt es sich um ein 1 Megawatt-System. Die Zuverlässigkeit dieses Produktes ist einer der wichtigsten technischen Gründe für die Installation einer solchen Anlage. Wie Sie hören, hören Sie nichts, keine sich bewegenden Teile. Was die Umwelt angeht, verursacht die Anlage nicht nur keinen Lärm, sondern emittiert auch keine Schadstoffe. Außerdem benötigt sie keinen Kraftstoff, da dieser ja derzeit von oben kommt. Kalifornien und einige andere Bundesstaaten haben der Solarindustrie und den Eigenheimbesitzern Zuschüsse angeboten, um die Entwicklung dieser Branche zu fördern. Der eigentliche Boom begann jedoch in Japan. In gewisser Weise ist Japan eine außerordentlich traditionelle Gesellschaft, die bei allem, was sie erzeugt, die Schönheit schätzt. Dieses Haus ist seit mehr als 200 Jahren im Besitz ein- und derselben Familie; hier wird der Tee immer noch in altehrwürdiger Weise serviert. Doch Japan mag es auch anders: Wenn Sie sich einige Minuten in der Innenstadt von Tokio oder Osaka aufhalten, wird Ihnen klar, wie tief die Liebe der Japaner zur Technologie ist und wie viel Energie diese industrielle Supermacht benötigt. In Japan gibt es nur sehr wenige natürliche Energieressourcen. Das ist sehr wichtig, wir haben nicht so viel Kohle, Erdöl, Erdgas oder z.B. Uran usw., deswegen müssen wir selbst Energie erzeugen. Da Japan bezüglich Strom- und Energieversorgung unabhängig sein wollte, war es willens in Solarenergie zu investieren. Sharp begann 1959 mit der Solarzellforschung und produzierte als erstes Unternehmen eine Solarzelle in Japan. Wie bei den Autos kamen die japanischen Unternehmen aus dem Nichts und gehörten bei der Elektronik schon bald zur Weltspitze. Der Markt wurde von Fördermitteln bestimmt. Dieses traditionelle japanische Haus erhält seine Energie heute von Sonnenkollektoren. Für die Generation unserer Kinder ist es sehr wichtig, die Umwelt sauber zu halten. Dieses Jahr tritt das Kyoto-Protokoll in Kraft; ab sofort wird das also ein noch wichtigeres Thema. Unser Traum ist es, Solarsysteme in allen japanischen Häusern zu installieren. In ganz Japan sprießen moderne Wohnblöcke und Fabriken mit Sonnenkollektoren aus dem Boden. Das Geheimnis des Erfolgs in Japan bestand in der rückhaltlosen Unterstützung der Regierung und den Fördermitteln. Zu einer wirklichen Veränderung kam es 1994, als die japanische Regierung entschied, dass sie das Wachstum der Solarenergie in Japan so fördern möchte, dass diese Technik zu einem wichtigen Bestandteil der Stromversorgung im Land wird. Da der Strompreis grundsätzlich in Japan sehr hoch ist, ist die Solarenergie heute schon allein wegen des Preises beinahe wettbewerbsfähig. In der ersten Phase bezahlt die japanische Regierung einen Zuschuss von 5% für das Solarsystem im Gegensatz zu den ursprünglichen 75%; dennoch steigt die Anzahl der Personen, die diese Systeme erwerben möchte, weiter. Damit rechnen sich die Systeme mittlerweile fast. Heute wird dieser Markt de facto von zwei Ländern beherrscht, Deutschland und Japan. Beide nehmen eine wahrhaft führende und visionäre Rolle bei der Entwicklung und Förderung dieser Technologie ein und verfügen beim Thema saubere Energie über enorme politische Unterstützung. Mir kommt es ein bisschen ironisch vor, dass wir in Zukunft vielleicht Sonnenkollektoren importieren wie heute Öl, weil sich die Branche, die Exzellenzzentren infolge dessen, dass sich die Märkte in Deutschland und Japan befinden, hauptsächlich auf diese beiden Länder konzentrieren werden. Die Deutschen haben die Sonnenenergie genauso begeistert angenommen wie die Japaner. Im Juni 2005 wurde im bayerischen Mühlhausen die weltweit größte Solaranlage in Betrieb genommen. Sie bedeckt eine Fläche von mehreren Hektar und erzeugt bis zu 10 Megawatt Elektrizität für das Stromnetz... Sie haben gemerkt, es gab eine kleine Diskussion hier und meine Zeit ist um, aber ich wollte Ihnen noch sagen, dass direkt im Anschluss ein sehr wichtiger Abschnitt über Solarenergie in den Entwicklungsländern kommt. Wir werden heute Nachmittag an dieser Stelle weitermachen, für diejenigen, die vorbeikommen und den restlichen Film sehen möchten. Ich hoffe, wir können es den Leuten dann auch gemütlicher machen, so dass sie vielleicht sogar auf Stühlen sitzen können. In jedem Fall möchte ich aber für den Moment damit schließen, dass ich nach einem sicherlich in gewisser Weise turbulenten Übergang von fossilen Brennstoffen zu erneuerbaren Energien bezüglich der realen Möglichkeit, dass die Welt mit Sonnen- und Windenergie alleine gut zurechtkommt, inzwischen sehr optimistisch bin. Ich sage nicht, dass das so sein muss, aber ich wäre in keiner Weise überrascht, wenn Sonne und Wind nach dem Übergang von den fossilen Brennstoffen die beiden wichtigsten Energiequellen wären. Das ist absolut kein Hirngespinst, betrachtet man den Anteil der heute durch Sonne und Wind erzeugten Gesamtenergie. Sie sagen vielleicht, Walter Kohn ist total verrückt, aber wenn Sie etwas genauer hinschauen, sehen Sie, dass Sonnen- und Windenergie in den letzten 5 Jahren jährlich um etwa 30% gestiegen sind. Nun, jeder von Ihnen hat schon einmal etwas von Exponentialfunktionen gehört. Selbst wenn man mit einer winzigen Menge anfängt, sind 30%... Sonnen- und Windenergie zusammengenommen machen zwar nur ein paar Prozent der weltweiten Energie aus, aber schon in 10 Jahren kann diese Zahl um vielleicht den Faktor 5 oder 6 gestiegen sein, in 20 Jahren um den Faktor 25 und in 30 Jahren - das ist exponentielles Wachstum - um einen Faktor von mehr als 100. Diesem Wachstum sind keine physikalischen Grenzen gesetzt. Es gibt genügend Platz und die Menge des auf die Erde fallenden Sonnenlichts ist das Tausendfache dessen, was wir für die Stromerzeugung benötigen. Das habe ich ja bereits erwähnt oder jemand anderer hat es erwähnt, vielleicht Professor Kroto. Selbst der Wind unterliegt infolge der strukturellen Anforderungen an große Turbinen mehr Beschränkungen, obwohl auch er im Prinzip mehr Energie erzeugen kann, als die gesamte Welt benötigt. In Anbetracht der jüngsten Bilanz halte ich Sonnen- und Windenergie somit für eine konkrete Möglichkeit. Bitte missverstehen Sie mich nicht, ich möchte Professor Molinas These, die er einigen Leuten aus Princeton zuschreibt, dem sogenannten Keildiagramm, nicht widersprechen. Es handelt sich ja nicht wirklich um eine Theorie, sondern bedeutet nur, dass man bei mehreren Energiequellen die Energien addiert. Wir wollten aber ganz konkret werden und einen Blick darauf werfen, was wir für die wahrscheinlichsten Hauptenergiequellen der Zukunft halten. Die Ergebnisse waren für uns überraschend und erfreulich. Jetzt liegt es an uns und vor allem an Ihnen, sie auch wirklich umzusetzen. Ich danke Ihnen vielmals.

Walter Kohn (2009)

An Earth Powered Predominantly by Solar and Wind Energy

Walter Kohn (2009)

An Earth Powered Predominantly by Solar and Wind Energy

Abstract

I shall present and explain the thesis that mankind is on the threshold of a dramatic transition: From an earth, predominantly powered by oil and other fossil fuels, with unsustainable global warming, to a new earth predominantly powered by "clean" solar and wind energy with greatly reduced global warming. A common choice for the transition point is "peak oil", when global oil-production peaks and begins to decline. I suggest that "peak-oil per capita" is more useful. While "peak-oil" may be 15 or more years in the future, "peak-oil per capita" is practically upon us because of the still rapidly rising world population. My best estimate is 2015 with an uncertainly of a few years. I shall discuss the great urgency for preparing as best as possible for this impending global transformation.

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