Was mit einer jungen Klimaaktivistin vor dem schwedischen Parlament begann, ist zwei Jahre später zu einer globalen Bewegung geworden: Durch die Proteste von „Fridays for Future“ drücken viele Millionen junge Menschen rund um den Erdball ihre begründete Sorge um den Zustand des Planeten aus. Die Ursache des Klimawandels liegt in der übermäßigen Freisetzung von sogenannten Treibhausgasen – also etwa Kohlenstoffdioxid oder Methan – durch die Verbrennung von Kohle, Öl und Erdgas. Warum dieses Mehr an Treibhausgasen in der Atmosphäre zu einer Erwärmung führt, ist wiederum nur mithilfe der Quantenphysik zu verstehen.
Der Treibhauseffekt beruht darauf, dass Moleküle der genannten Treibhausgase Wärmestrahlung absorbieren und wieder emittieren. Sie absorbieren allerdings nicht beliebige Photonen, sondern nur solche mit ganz bestimmten Wellenlängen. Photonen der kurzwelligen Sonnenstrahlung passen nicht zu den Energieniveaus, den Quantensprüngen, der Moleküle und daher lassen sie diese zum Erdboden passieren. Hingegen ist die Wärmestrahlung, die der Boden in die Atmosphäre abstrahlt, viel langwelliger und damit im sprichwörtlichen Sinn genau auf einer Wellenlänge mit Kohlenstoffdioxid und Co.: Die Photonen bringen die Moleküle zum Schwingen und Rotieren. Dabei geben sie ihre Energie an die Moleküle ab und verschwinden, werden also absorbiert. Fallen die so angeregten Moleküle schließlich in einen niederenergetischen Zustand zurück, senden sie wieder Photonen aus – in alle Richtungen, also auch wieder zurück zur Erde und in die Atmosphäre, wodurch sich beide aufheizen.
Die Intensität der Sonnenstrahlung ist nicht für alle Wellenlängen gleich. Grund ist die unterschiedlich starke Absorption durch verschiedene Gase. Die Grafik zeigt die Bereiche an, in denen bestimmte Spurengase Strahlung absorbieren.
Der Treibhauseffekt ist zunächst ein ganz natürliches Phänomen und macht die Erde erst bewohnbar – ohne Atmosphäre wäre die Nachtseite extrem kalt. Allerdings kommt es auf das richtige Maß an, das durch die menschlichen Einträge jedoch längst überschritten ist.
Ein großes weltumspannendes Netzwerk von Forschungseinrichtungen misst kontinuierlich die Konzentration der Treibhausgase in der Atmosphäre. Eine Methode, dies zu tun, beruht auf genau den beschriebenen quantenmechanischen Eigenschaften der Gase, denn jedes Molekül absorbiert nur Photonen mit ganz bestimmten Wellenlängen. Bestimmt man, wie stark Licht einer solchen charakteristischen Wellenlänge von der Atmosphäre verschluckt wird, kann man auf die Konzentration des Spurenstoffs in der Atmosphäre zurückschließen.
Planet | Temperatur (°C) mit Atmosphäre | Temperatur (°C) ohne Atmosphäre |
|---|---|---|
Erde |
15 |
-19 |
Venus |
464 |
-44 |
Neptun |
-201 |
-233 |
Die Atmosphäre macht den Unterschied: Einige Planeten in unserem Sonnensystem wären ohne den Treibhauseffekt deutlich kälter – darunter auch unser Heimatplanet Erde.
Das Ergebnis der Beobachtungen ist so eindeutig wie besorgniserregend: Die Konzentrationen von Treibhausgasen wie Kohlenstoffdioxid, Methan oder Lachgas in der Erdatmosphäre nehmen immer weiter zu. Weil die Folgen eines ungebremsten Klimawandels dramatisch sein werden, haben sich die Staaten der Erde 2015 in Paris darauf geeinigt, ihre Treibhausgasemissionen zu reduzieren, um die Erwärmung möglichst unter zwei Grad Celsius zu halten. Doch wie soll das gelingen – und welche Rolle spielen dabei Quantentechnologien?
Bei der Umstellung auf erneuerbare Energien setzt Deutschland vor allem auf Wind- und Solarstrom, die beide klimaneutral erzeugt werden können. Solarstrom beruht auf dem photoelektrischen Effekt – also einem Quantenphänomen. Gleichzeitig könnten Quantentechnologien dabei helfen, den Energiebedarf insgesamt zu verringern. Das Konzept „Smart City“ – schlaue Stadt – umfasst intelligente, bedarfsgesteuerte Mobilitäts- und Informationssysteme. [[Box zu BMBF-Förderung zu diesem Bereich, nach Rücksprache mit PT im Detail]]. So werden beispielsweise Häuser nur dann geheizt, wenn es notwendig ist: Sagt das Wettermodell vorher, dass es in einer halben Stunde ohnehin sonnig und warm wird, ist es unnötig, die Heizung einzuschalten. Falls so viel Sonne scheint, dass die Photovoltaikanlage mehr elektrischen Strom produziert als benötigt, dann können Energiespeicher aufgefüllt werden. Durch autonome Fahrzeuge könnte der Individualverkehr so optimiert werden, dass Energie eingespart wird. Damit sich diese Fahrzeuge sicher im Raum orientieren können, kommen zahlreiche Kameras, aber auch weniger offensichtliche Quantensensoren zum Einsatz: etwa Lagesensoren oder laserbasierte Radarsysteme (LIDAR), die Lasertechnik mit Hochgeschwindigkeitselektronik kombinieren. Mithilfe von Künstlicher Intelligenz könnte auch das Thema Stau bald der Vergangenheit angehören – die Rechenleistung, die hierfür nötig ist, könnte von Quantencomputern kommen. Quantentechnologien werden also auch in Zukunft nicht alt.
