Klima und Energietechnologien

Klima und Energietechnologien
Was ist Strahlung? Wie funktioniert eine Brennstoffzelle? Was passiert wenn sich
Luftströmungen ändern? Welche Auswirkungen hat das Ozonloch auf unser Klima? Wie
entstehen Sonnenflecken und wie Eiszeiten?
Diese und viele weitere Fragen stellten wir uns während der zwei Wochen Europäische Talent
Akademie Lindau 2009. Nahezu alle davon konnten wir auch erfolgreich beantworten.
Mit unseren Kursleitern Gerd und Matthias haben wir viele Versuche ausprobiert und
dokumentiert. Dabei mussten wir ziemlich extremen Bedingungen standhalten, wie
beispielsweise stundenlang in der Sonne schmoren. Auch unsere Geduld (und vor allem die
unserer Kursleiter =)) wurde des Öfteren auf die Probe gestellt. Anspruchsvolle Themen
hielten uns immer auf Trab. Diese haben wir im Folgenden noch mal zusammengetragen.
Die verschiedenen Themengebiete:
Astronomie
Physik der Strahlung
Klimaphysik
Energie allgemein
Solarenergie, Photovoltaik und thermische Solarenergie
Brennstoffzellen
Geothermie
Kernfusion
Astronomie
Zum Themengebiet Astronomie haben wir folgende Experimente durchgeführt und analysiert:
1. Messung der Solarkonstante mithilfe einer Herdplatte
2. Untersuchung der Sonnenflecken
3. Konstruieren eines Sonnenscheinautographs
4. Beobachtung der Sonne, des Mondes und des Jupiters mit dem Spiegelteleskop
5. Drehbewegung der Erde und Achsenverschiebung
Im folgenden Text werden wir die oben genannten Versuche näher beschreiben und
erläutern.
1. Solarkonstante
Bereits am Vorbereitungswochenende versuchten wir mithilfe einer gewöhnlichen
Herdplatte die Solarkonstante, das ist die durchschnittliche Strahlungsleistung der
Sonne auf einen Quadratmeter, näherungsweise zu bestimmen. Dazu versammelten
wir uns im Pausenhof des Bodenseegymnasiums, wo wir zunächst die Erwärmung der
Herdplatte nur durch die senkrechte Einstrahlung der Sonne mithilfe von
Wärmeleitpaste und eines Thermometers ermittelten. Anschließend erhitzten wir die
Herdplatte mit Strom um die benötigte Leistung für das Erwärmen auf die vorher
gemessene Temperatur herauszufinden. Über die Fläche der Herdplatte konnten wir
dann die Solarkonstante ermitteln. Unser Ergebnis von 900 W/m² kam dem
tatsächlichen Wert von 1000 W/m² erstaunlich nahe.
2. Sonnenflecken
Im Anschluss an ein Referat über die Sonne
im Allgemeinen, beschäftigten wir uns
genauer
mit
dem
Phänomen
der
Sonnenflecken. Ein Sonnenfleck ist ein
Austrittspunkt der Magnetlinien der Sonne.
Hierfür zählten wir Sonnenflecken auf
verschiedenen Teleskopaufnahmen der
Sonne aus den Jahren 1996 bis 2008 und
erstellten aus den Ergebnissen ein
Diagramm (s.u.).
Daraus erkannten wir einen Zyklus der
Sonnenflecken von ca. 11 Jahren. Umso
höher die Anzahl der Sonnenflecken, desto
höher die Aktivität der Sonne. Dies führt zu
einer Verstärkung der Sonnenwinde, was
eine vermehrte Wolkenbildung und eine
Abkühlung der Temperatur auf der Erde
bewirkt.
Darüber hinaus gibt es noch einen 100-Jahr-Zyklus, der verschiedene Minima und
Maxima hervorruft, so wie das Daltonminimum zu Beginn des 19. Jahrhunderts,
welches die „kleine Eiszeit“ auslöste.
Zahl der Sonnenflecken
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
03.07.2008
03.07.2006
03.07.2004
03.07.2002
03.07.2000
03.07.1998
03.07.1996
Zahl der
Sonnenflecken
3. Sonnenscheinautograph (=Heliograph)
Zur
Bestimmung
der
Sonnenscheindauer
konstruierten
wir
einen
Sonnenscheinautographen. Mithilfe einiger Stative, Muffen und einer Glaskugel
bauten wir eine Vorrichtung, bei der das Sonnenlicht durch die Glaskugel gebündelt
wird und der Brennpunkt auf ein geeignetes Material trifft und den Sonnenstand
„einbrennt“. Die Suche nach diesem Material gestaltete sich jedoch schwerer als
gedacht und nach einigen Fehlversuchen mit durchgebrannten Stoffen, eignete sich
schließlich am besten eine Banane.
An der entstandenen eingebrannten Kurve konnte man im Tagesverlauf die Stunden
ablesen, wann Wolken die Sonne verdeckten und welchen Lauf die Sonne nimmt.
4. Arbeit mit einem großen Spiegelteleskop
Um unsere gewonnenen Erfahrungen
auch einmal in der Praxis umzusetzen,
benutzten wir das schuleigene große
Spiegelteleskop,
das
wir
nach
kompliziertem Aufbau schließlich
verwenden konnten.
Zunächst untersuchten wir am Tag im
Pausenhof
die
Sonne
nach
Sonnenflecken. Leider konnten wir
keine beobachten.
Nachts observierten wir erst mit
bloßem Auge und dann mit dem
Teleskop den Mond und den zu diesem
Zeitpunkt sichtbaren Jupiter mit dreien
seiner Monde.
5. Neigungsänderung und Drehbewegung der Erde
Wie schon in Punkt 2 genannt, haben die Sonnenflecken Einfluss auf das Klima der
Erde.
Es gibt jedoch noch weitere Faktoren, die klimatische Veränderungen hervorrufen
können, so zum Beispiel die Neigung der Erdachse relativ zur Sonnenumlaufbahn.
Diese Neigung, die etwa 23,5° beträgt, kann durch äußere Beeinflussungen um die
Größenordnung von etwa 1° in der Größe schwanken, oder sich zeitlich verschieben.
Dies geschieht zum Beispiel durch den
Einfluss von Mond oder Jupiter.
Da sich dadurch der Einstrahlwinkel auf
die Polkappen ändert, führt dies zu einer
Vergrößerung der Eisflächen in Polnähe
und dies wiederum zu einer Verstärkung
der Reflexion der Sonnenstrahl. Dieser
Rückkopplungseffekt kann eine Eiszeit
bewirken.
Diese Veränderung der Erdachsenneigung haben wir mithilfe eines Kreisels
experimentell nachgewiesen. Der Kreisel beschrieb zwei verschiedene
Drehbewegungen: Einerseits drehte er sich ziemlich schnell um die eigene Achse,
andererseits drehte sich die Achse um den Auflagepunkt (die Wirkung der
Gravitationskraft), dies allerdings erheblich langsamer. Diese Bewegung, die
Präzession genannt wird, wird auch von der Erdachse ausgeführt. Es ist unter anderem
diese Bewegung, die die oben genannten Effekte hervorruft.
Eine andere Art wie man die
Drehimpulserhaltung spüren kann, ist der
Fahrradfelgenkreisel, der auf einem
Drehstuhl gehalten und gekippt werden
kann. Dieser war sehr faszinierend und
rief große Begeisterung unter den
Probanden hervor.
Physik der Strahlung
Da Energietechnologien und Wettererscheinungen eng mit der Sonnenstrahlung verknüpft ist,
haben wir uns auch intensiv mit Strahlungsphysik beschäftigt.
Zunächst haben wir ein sehr informatives und hochkompliziertes Referat gehört. Die
Dozentin Bianca befasste sich hauptsächlich mit den Gesetzen der Strahlung und mit
schwarzen Körpern.
Außerdem haben wir uns das Spektrum angeschaut, wobei wir ein eigenes PappGitterspektroskop zusammengebastelt haben. Unter anderem benutzten wir
Prismenspektroskope und Kirchhoff-Bunsen-Spektralanalyseapparat.
Folgende Versuche haben wir durchgeführt:
1. Strahlengang im Prisma: Licht unterschiedlicher Wellenlänge wird unterschiedlich stark
abgelenkt.
Licht
Das ist das Prinzip, das einem Spektrometer, ein Gerät, das die Wellenlängenzusammensetzung von Licht vermisst, zugrunde liegt.
2. Untersuchung von Spektren einer Energiesparlampe, einer Cadmiumlampe, eines Blattes,
einer Neonlampe, einer Neonröhre und einer Natriumlampe im Vergleich zum
Sonnenspektrum mit Hilfe eines PC-gesteuerten Gitterspektrometers.
Beispiele:
-Linienspektrum einer Energiesparlampe
-Sonnenspektrum mit Fraunhofer’schen Linien im Vergleich mit Natrium (die Einschnitte in
der schwarzen Linie kennzeichnen die Fraunhofer’schen Linien)
Man sieht, im Gegensatz zum Sonnenspektrum, das alle Regenbogenfarben enthält das
Spektrum einer Energiesparlampe oder der Natriumlampe nur einzelne Linien: Ganz
bestimmte Farbkomponenten.
-Chlorophyllspektrum: Wir haben mehrere Blätter vor eine Lampe gehalten.
Erstaunlicherweise war das durchgelassene Licht zunächst grün, wie erwartet, bei mehreren
Blättern hintereinander jedoch rot. Diesen Vorgang haben wir mit dem Spektroskops
aufgezeichnet und es bei jedem neuen Blatt eine neue Linie zeichnen lassen. Umso mehr
Blätter, desto mehr wurde das hellrote, blaue und ein Teil des grünen Lichtes absorbiert
sodass am Schluss nur noch das tiefrote übrig blieb, wo das Blatt gar nicht absorbierte.
3.Mechanische Resonanz
Das Ziel dieses Versuchs war es eine
Resonanzkurve zu vermessen. Aus einem solchen
Graphen kann man die Eigenfrequenz eines Systems ablesen. Das Maximum der Kurve wird
nämlich genau dann erreicht, wenn die Frequenz der Energiequelle der Eigenfrequenz
entspricht. Der Versuchsaufbau sah wie folgt aus: Wir benutzten dazu ein Pohlsches Rad.
Ein solcher Apparat besteht aus einer radialen Feder, die durch einen Elektromotor angeregt
werden kann. Indem man die beim Motor eingehende Spannung manipuliert, kann man auch
den Ausschlag der Feder kontrollieren. Die minutiöse Manipulierung der Spannung wurde
aufs Genauste dokumentiert und in einem Graphen festgehalten (siehe Abbildung).
Wenn man nun die Spannung in Volt(Abszisse) im Vergleich zum Ausschlag(Ordinate)
betrachtet, so stellt man fest, dass sich der Ausschlag nur marginal verändert, bis man die
Eigenfrequenz des Rades erreicht. Sobald man sich jedoch an diese annähert steigt der
Ausschlag stark an; fällt aber auch schnell wieder an sobald man dieses enge Fenster wieder
verlässt. Bezeichnend ist auch, dass Ausschlagsmaximum und Spannungsmaximum nicht
identisch sind.
Eine einzelne Farblinie oder schwarze Fraunhoferlinie entspricht genau einer solchen
Resonanzkurve im optischen, statt mechanischen Bereich.
4.Zentimeterwellen
Viele Klimaerscheinungen werden nicht durch sichtbares Licht, sondern durch Strahlung die
für unser menschliches Auge unsichtbar ist hervorgerufen.
Mikrowellen, deren Wellenlänge λ im Bereich zwischen 1und 10 cm liegt, nennt man
Zentimeterwellen. Beschießt man nun mit diesen Wellen ein Gitternetz (Abb. 1 bzw. 2) so
stellt man fest, dass bei
einer horizontalen Ausrichtung der Gitterstreben die Wellen
ungehindert passieren können, bei einer vertikalen jedoch nicht. Dies lässt sich dadurch
erklären, dass die Strahlung bei einer horizontalen Ausrichtung nicht von den freien
Elektronen im Metall des Gitters absorbiert wird. Bei einer vertikalen Ausrichtung können die
Elektronen die Energie absorbieren und in kinetische Energie (vertikale Schwingung)
umwandeln. Die Strahlungsenergie kann demnach nicht mehr auf der gegenüberliegenden
Seite des Gitters als Strahlung zutage treten.
Bedeutung für das Klima
In der Atmosphäre vorhandenes CO2 wird durch Mikrowellen in gleicher Art und Weise
angeregt wie das vertikale Gitter, da die Eigenfrequenz der Moleküle genau der Frequenz der
Welle entspricht. Dadurch kann die Strahlung nicht in den Weltraum entweichen, sondern
wird vom Molekül absorbiert (und teilweiße Richtung Erde reflektiert) und in Wärme(durch
Molekularschwingung) umgewandelt, sodass die Temperatur steigt. ( vgl. Treibhauseffekt)
C
O
C
C
O
C
WÄRME
5 Himmelsblau Polarisation: Wir haben einen Polarisationsfilter in den Himmel gehalten
und dann gedreht. Beobachtung: Erst wurde das Licht durchgelassen, dann bei einer Drehung
von 90° verfärbte sich die Platte schwarz. => Es wurde alles Licht absorbiert. Erklärung:
Unpolarisiertes Sonnenlicht wird von Luftmolekülen gestreut und dabei polarisiert. Da der
Polarisationsfilter nur Licht einer bestimmten Schwingungsebene durchlässt, erscheint es bei
einer bestimmten Drehung schwarz.
6 Strahlung bei der Erwärmung einer Herdplatte: Wir haben eine handelsübliche
Campingherdplatte erhitzt und während des Erhitzens die Wärmestrahlung mit einer
Thermosäule gemessen. Aus dem Planckschen Strahlungsgesetz folgt : Die Stärke der
Strahlung steigt mit der vierten Potenz der Temperatur.
90
S trahlungs in
tens ität
80
Mit Hilfe
ähnlicher
Methoden kann
untersucht
welche Stoffe sich
Beispiel in der
Atmosphäre
befinden. Dies ist
zur Erforschung
Klimaverhaltens.
70
60
werden,
zum
50
40
30
nützlich
des
20
10
0
0
100
200
300
400
500
600
Temperatur
Klimaphysik
Unser Klima wird von verschiedenen Faktoren bestimmt.
Eiskernbohrungen haben gezeigt, dass es im Laufe der Erdgeschichte immer wieder zu
starken Schwankungen im Klima kam, was man anhand von Gaseinschlüssen und der Dichte
des Eises sehen kann. Auch durch die Untersuchungen von Mikroorganismen wie
Foraminiferen und Diatomeen in den Sedimentschichten ehemaliger Gewässer kann man
unter anderem Temperaturänderungen feststellen. Um solche Forschungen nachzuvollziehen,
haben wir uns Proben dieser Organismen unterm Mikroskop angeschaut.
Auch die Neigung der Erdachse hat große Einwirkung auf die Entwicklung des Klimas, da
schon durch eine geringe Änderung dieser Neigung die Sonneneinstrahlung auf die Polkappen
verringert wird. Das führt zum Anwachsen der Eismassen, welches durch den positiven
Rückkopplungseffekt, d.h. die erhöhte Reflexion der Sonnenstrahlen aufgrund der
vergrößerten Pole, noch verstärkt wird (siehe Abschnitt Astronomie).
Schon seit jeher beeinflusst auch die Bewegung der tektonischen Platten unser Klima, da
durch ihr Aufeinandertreffen Gebirge entstehen und die Verteilung der Landmasse verändert
wird. Dabei kommt es auch vor, dass Meeresströmungen nach und nach anders verlaufen.
Diese Strömungen haben heute noch großen Einfluss auf klimatische Veränderungen. Die so
genannte thermohaline Zirkulation kann man sich wie ein Förderband vorstellen, das warme
und kalte Wassermassen um die ganze Erde führt.
Dies haben wir uns mithilfe eines
Experiments anschaulich gemacht.
In ein Becken haben wir Wasser gegeben
und in einer Ecke Eiswürfel platziert,
welche die Polkappen darstellten.
Danach haben wir einen Teil des
Wassers violett eingefärbt, um die
Strömungen sichtbar zu machen. So
haben wir gesehen, dass sich das Wasser
am Eis abkühlt und durch die höhere
Dichte absinkt.
Neben den durch die Corioliskraft entstehenden globalen Luftströmungen treibt dies die
ganze Meereszirkulation an, so dass warme Oberflächen- und kalte, salzreiche
Tiefenwasserströmungen entstehen. Nach diesem Prinzip funktioniert auch der Golfstrom, der
großen Einfluss auf das Klima der Nordhalbkugel hat. Durch diesen Versuch haben wir auch
erkannt, dass durch Abschmelzen der Polkappen der Golfstrom und somit die weltweite
Zirkulation zusammenbrechen würde, was eine starke Abkühlung oder sogar ein Eiszeit zur
Folge hätte.
Diese Meeresströmungen hängen auch eng mit den Luftströmungen, die unser Klima
ebenfalls bestimmen, zusammen. Wasser- und Luftströme haben eine globale Fließrichtung,
wie zum Beispiel von Südamerika nach Australien. Dieser äquatornahe Ostwindgürtel
entsteht durch die Corioliskraft, also die Drehbewegung der Erde. Durch die Wärme steigen
die feuchten Luftmassen über dem Pazifik zwischen Südamerika und Australien auf, wandern
ostwärts, werden abgekühlt und erzeugen Regen in Indonesien und Indien. Die kalte trockene
Luft strömt in der Höhe wieder nach Südamerika zurück und sinkt dort ab, sodass der
Kreislauf von neuem beginnt. Dies stellt den Normalzustand dar, doch bei Phänomenen wie
dem El Nino kann sich das Ganze auch völlig umkehren. Die Winde und die Meeresströme
ändern ihre Richtung,
so dass es in Australien zu Dürren, in Südamerika zu
Überschwemmungen und auch in der ganzen restlichen Welt zu drastischen kurzzeitigen
Veränderungen im Klima kommt. Dieses Phänomen tritt ungefähr alle 7 bis 10 Jahre auf.
Wir haben uns außerdem noch mit dem Tagesklima beschäftigt, indem wir täglich den
Wetterbericht verfolgt, die Satellitenbilder interpretiert und die Wolkenbildung beobachtet
haben.
In diesem Zusammenhang haben wir auch die aktuelle Luftfeuchtigkeit experimentell
bestimmt. Dazu haben wir ein Peltierelement zum Abkühlen einer Kupferplatte angeschlossen
und untersucht, wann das Wasser aus der Luft kondensierte und dabei die Temperatur
gemessen. Somit haben wir den Taupunkt anhand des Durchschnittwertes erhalten, welcher in
unserem Fall bei 19.5°C lag. Daraus haben wir mithilfe er Dampfdruckurve des Wassers die
Luftfeuchtigkeit von 78.1% errechnet.
Des Weiteren haben wir uns
ausgiebig über Konvektionszellen
unterhalten.
Wie
man
in
nebenstehendem Bild gut sehen
kann, entstehen sie bei gleichmäßig
erhitzten Flüssigkeiten. In der Mitte
dieser
Zellen
steigt
warme
Flüssigkeit nach oben, sie wandert an
den Rand der Zellen, wo sie wieder
absinkt. Diesen Zyklus kann man
auch bei der so genannten
Passatzirkulation beobachten. Am
Äquator steigt Luft auf, wandert zu
den Wendekreisen um dort wieder
abzusinken. Ein anderer Ort, wo
dieses Phänomen auftritt ist die Oberflächenkonvektion der Sonne, die lokale Bildung von
Thermikwolken oder die Umwälzungen des flüssigen Erdkerns im Erdinnern, der zum
Erdmagnetfeld führt.
Energie
Seit Beginn der Industrialisierung ist der Energiebedarf der Menschheit kontinuierlich
gestiegen, ein Ende ist noch lange nicht abzusehen. In unserer heutigen Gesellschaft ist eine
sichere Versorgung mit Energie, sei es Treibstoff oder Strom, nicht wegdenkbar. Jedoch
gehen die fossilen Energieträger und Kernbrennstoff schnell zur Neige; noch dazu gefährden
wir durch das Verbrennen von fossilen Brennstoffen das Klima.
Deshalb müssen wir nach neuen Wegen suchen, eine dauerhafte und Umweltfreundliche
Energieversorgung zu gewährleisten. Dabei spielt vor allem die Sonne eine große Rolle, die
täglich 15000-mal so viel Energie auf die Erde strahlt wie die Menschheit verbraucht und uns
noch mehrere Milliarden Jahre lang zuverlässig mit Energie versorgen wird. Dabei gibt es
mehrere Wege, die Sonnenenergie anzuzapfen: Neben der Windenergie werden vor allem der
Photovoltaik und der Solarthermie große Zukunftsaussichten zugeschrieben, mit denen wir
uns hauptsächlich auseinandergesetzt haben. Aber es gibt noch andere Wege, indirekt die
Energie aus der Sonne zu nutzen: die Windenergie (Wind entsteht durch unterschiedlich
starke Erwärmung verschiedener Gebiete und des dadurch entstehenden Druckunterschieds),
die Biomasse (Energiegewinnung aus Pflanzen, die ja die Energie aus dem Sonnenlicht zum
Wachstum nutzen) und die Wasserkraft (Wasser verdunstet durch Sonnenwärme, regnet sich
über höheren Lagen ab und fließt hinab ins Meer, diese Energie kann man durch Staudämme
und Turbinen nutzen). Auch die Erdwärme könnte in naher Zukunft einen großen Anteil an
unserer Energieversorgung haben; 99% der Erde sind heißer als 1000°C, so dass auch die
Erdwärme praktisch unbegrenzt vorhanden ist. Auch mit der Kernfusion werden zur Zeit
intensive Versuche durchgeführt, allerdings ist sie in den nächsten 50 Jahren wohl eher noch
keine Technologie.
Solarenergie
Die Solarenergie gewinnt seit etwa
10 Jahren immer stärker an
Bedeutung, was man gerade an
dem jetzt geplanten DesertecProjekt sehen kann. Selbst beim
heutigen Stand der Technik würde
ein 280x280 km großer Areal am
Äquator
bedeckt
mit
Sonnenkollektoren genügen, um
den Weltenergiebedarf zu decken,
das entspricht lediglich einem
Prozent der
Gesamtfläche der
Sahara.
Photovoltaik
Unter Photovoltaik versteht man im Gegensatz zur Solarthermie ein Verfahren, bei dem das
Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Sie hat den Vorteil, dass
auch bei Bewölkung, nicht nur bei klarem Himmel, Strom erzeugt werden kann, allerdings
verlieren sie nach dem heutigen Stand der Technik jedes Jahr an Leistung, so dass sie nach
spätestens 30-40 Jahren ausgewechselt werden müssen.
Eine Photovoltaikzelle besteht aus zwei unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten. In der
p-Schicht wird der Halbleiter, gewöhnlich Silizium, mit geringen Spuren von einem Element
der dritten Hauptgruppe „verunreinigt“. Dadurch entstehen dort in der Kristallstruktur
Elektronenlöcher. In die n-Schicht werden dagegen geringe Mengen eines Elements der
fünften Hauptgruppe eingebracht, dadurch sind dort überschüssige Elektronen vorhanden.
Bringt man beide Schichten aufeinander, so bildet sich am p-n-Übergang ein so genanntes
p-n-interface
aus,
in
der
die
Elektronenlöcher in der p-Schicht durch
überschüssige Elektronen aus der nSchicht aufgefüllt werden. Dabei wird die
vorher elektrisch neutrale p-Schicht
negativ, die n-Schicht positiv aufgeladen,
es entsteht ein elektrisches Feld.
Wird nun im p-n-Übergang durch einen
Lichtstrahl ein Elektron angeregt, kann
dieses seinen Gitterplatz verlassen und
bewegt sich durch die Spannung in
Richtung n-Schicht, während das Loch zur
p-Schicht wandert. Dadurch kann ein
elektrischer Strom fließen.
Wir haben die Kennlinie einer Solarzelle
a)unter Lichteinstrahlung
b)bei von außen angelegter Spannung
mit Hilfe eines veränderbaren Widerstandes und Multimetern ermittelt:
Kennlinie einer Solarzelle in der Sonne
200
180
160
I in mA
140
120
100
80
60
40
20
0
0,0
0,5
1,0
1,5
U in V
2,0
2,5
3,0
Solarthermie
Unter Solarthermie versteht man die indirekte Umwandlung der Sonnenenergie, indem durch
Hitze Strom erzeugt wird. Dafür gibt es mehrere Möglichkeiten: Entweder man bündelt die
Lichtstrahlen mit Hilfe von Spiegeln auf einen Punkt oder Rohr, in denen dann eine
Flüssigkeit verdampft und über eine Turbine Strom erzeugt wird. Eine weitere Möglichkeit,
die Wärme in Energie umzuwandeln, bietet der Stirlingmotor. Dieser wird an anderer Stelle
noch genauer erläutert.
Stirlingmotor
Im Rahmen der Talentakademie untersuchten wir verschiedene Arten von Stirlingmotoren.
Ein Stirlingmotor wandelt Wärmeenergie in Bewegungsenergie um. Um das zu schaffen wird
eine Temperaturdifferenz zwischen einem wärmeren und einem kälteren Reservoir
ausgenutzt. Diese möchte ausgeglichen werden, dabei wird über zwei Kolben ein Rad in
Bewegung gesetzt.
Wir haben den Stirlingmotor auf zwei Arten angetrieben. Zum einen haben wir mithilfe eines
Parabolspiegels die Sonnenstrahlen auf das Ende eines Stirlingkolbens gelenkt. Dabei stießen
wir auf verschiedene Schwierigkeiten. Einerseits war es nicht leicht
den Brennpunkt zu finden und den
Stirlingmotor dort zu halten.
Andererseits bestand der Spiegel aus
reflektierendem Plastik, das aufgrund
der großen Hitze zu schmelzen
begann. Die Hitze setzte aber auch
uns zu als wir im Pausenhof Spiegel
und
Stirlingmotor
aufeinander
ausrichteten.
Zum anderen haben wir heißes
Wasser in ein Glas gefüllt und darauf
einen Stirlingmotor gesetzt. Hierbei
haben wir eine für uns unbekannte
Möglichkeit kennen gelernt aus Wärme eine für uns nutzbare Energieform zu erzeugen. Der
links gezeigte Stirlingmotor nutzt die relativ geringe Temperaturdifferenz zwischen der
Raumluft und dem kochendem Wasser.
Brennstoffzellen
Kupfer-Drähte in Wasser
Zuerst wurden 2 Kupferdrähte an eine Stromquelle angeschlossen und dann so in
destilliertes Wasser getaucht, das sie sich nicht berühren(Abb. 3) Danach wurde
die Stromquelle durch ein Messgerät ersetzt. Es konnte kein Stromfluss gemessen
werden.
Platin-Drähte in Wasser
Zum Vergleich wurden 2 Platindrähte an eine Stromquelle angeschlossen und
dann so in destilliertes Wasser getaucht, das sie sich nicht berühren(Abb. 3). An
den beiden Drähten bildeten sich Bläschen (Gasbildung). Nach einiger Zeit wurde
die Stromquelle durch ein Messgerät ersetzt. Nun konnte festgestellt werden dass
zwischen beiden Drähten Strom floss und die Bläschen abnahmen. Nachdem das
Gas einen Schwellenwert unterschritt floss auch kein Strom mehr.
Erklärung: Durch das Anlegen der Spannung wurde das Wasser in O 2 und H 2
gespalten (vgl. Bläschen).Nachdem die Stromquelle entfernt wurde fand die
Rückreaktion zu H 2 O statt, indem sich die Moleküle durch die Flüssigkeit
bewegten
bewegte Ladung = Strom
Mit anderen Metallen als Elektroden funktioniert die Reaktion deshalb nicht, weil
Platin als Katalysator wirkt und die Aktivierungsenergie herabsetzt.
In der Brennstoffzelle findet im Prinzip die Umkehrung der Elektrolyse statt. An der Anode
wird Wasserstoff durch einen Platinkatalysator in 2 Protonen und 2 Elektronen gespalten.
An der Kathode wird Sauerstoff durch einen Platinkatalysator gespalten und reagiert mit 2
Elektronen, die über den Stromkreis von der Anode zur Kathode wandern
(=bewegte Ladungen = Strom), zu Wasser.
Wasserstoffauto
Um das neu erworbene Wissen über Brennstoffzellen
anzuwenden, wurden Versuche mit einem auf Wasserstoffbasis
angetriebene Auto durchgeführt. Das Gefährt verfügt über 2
Behälter, die mit destilliertem Wasser gefüllt wurden. Danach
wurde das Auto an eine Stromquelle angeschlossen um das
Wasser in H2 und O2 zu spalten (vgl. 3.1.2, 3.2) .In einem
Behälter sammelte sich der Sauerstoff am Minuspol im
Anderen Wasserstoff am Pluspol. Danach wurden beide
Behälter leitend verbunden, sodass die Knallgasreaktion
stattfinden konnte. Dadurch wurde Energie frei und das Auto
fuhr.
Anstatt eine „konventionelle“ Stromquelle
zu verwenden, kann man das H2Auto auch
mit Solarenergie betreiben, indem man die
in Reihe geschalteten Solarzellen als
Stromquelle anschließt.
Geothermie
Auch über Erdwärme haben wir während der Akademie einiges erfahren. Der große Vorteil
der Erdwärme gegenüber der Wind- oder Solarenergie ist, dass sie eine sehr konstante und
somit planbare Energieausbeute liefert; außerdem ist auch sie praktisch unbegrenzt
vorhanden, da die hohe Temperatur in der Erde durch radioaktive Zerfälle aufrechterhalten
wird bzw. die geringe Menge an Energie, die aufgenommen wird, im Vergleich zur Energie,
die in der Erde vorhanden ist, sehr gering ist. Es gibt zwei grundsätzliche Verfahren, wie man
Energie aus Erdwärme gewinnen kann:
a)das Hot-Dry-Rock-Verfahren
Dabei wird Wasser unter hohem Druck in Tiefen von etwa 3000-6000m gepumpt, so dass sich
im Gestein sehr dünne Risse bilden; dadurch entsteht eine sehr große Oberfläche, auf der das
Wasser sich auf 130-200°C erwärmen kann. Durch diese erste Bohrung wird kontinuierlich
kaltes Wasser nachgepumpt; außerdem macht man eine zweite Bohrung, durch die man das
erwärmte Wasser wieder herauspumpen kann.
b)die Hydrothermale Geothermie
In diesem Verfahren kann bereits vorhandenes heißes
Thermalwasser genutzt werden, welches in natürlichen
Warmwasservorkommen, den sog. Aquiferen,
gespeichert ist. Dieses Wasser (Temperatur 100-140
°C) wird mittels der Produktionsbohrung aus Tiefen
zwischen 2000 – 3000 m zu Tage gefördert. Dort kann
in einem Kraftwerk mithilfe von Wärmetauschern die
warme Wasser für das Fernwärmenetz oder zur
Stromerzeugung verwendet werden. Die
Injektionsbohrung pumpt das Wasser wieder in die Aquiferen zurück, wo es sich über die
natürlichen Gegebenheiten wieder erwärmt und ein stetiger Kreislauf gewährleistet ist.
Kernfusion
3.1 Kernfusion Einleitung
Die Kernfusion ermöglicht einem einen schier unerschöpflichen Energievorrat ganz einfach
aus Wasser.
Forscher aus aller Welt entwickeln derzeit (und seit über 50 Jahren) an Generatoren, die diese
riesigen Energiemengen für den Menschen nutzbar machen.
3.2. Was ist Kernfusion
Kernfusion ist die Verschmelzung
von zwei Atomen zu einem
Atomkern mit niedrigerer
Bindungsenergie.
Durch die Verschmelzung wird ein
Teil der Masse der Atomkerne
direkt in Bewegungs- oder
Strahlungsenergie umgewandelt
(das Produkt ist leichter, als seine
Ausgangsatomkerne.)
Um die Teilchen verschmelzen zu
lassen wird hohe Temperatur von
ca. 10 Millionen°C und ein extrem
hoher Druck benötigt. Zum
Abschirmen solcher Temperaturen
nutzt man Magnetfelder.
3.3 Potential
Quasi unerschöpflich: Selbst wenn alle Primärenergie durch Fusion geliefert und global das
Zweifache des heutigen Verbrauchs angenommen wird, reicht der Deuteriumgehalt der
Weltmeere länger als die Brenndauer der Sonne
3.4 Nachteile
Die Nachteile sind eine hohe Anfälligkeit für Terror- oder Fehlfälle, bei denen dann bei
großen Gebieten der Strom ausfiele (dank Zentralisierung der Energie), außerdem lässt sich
das - zwar im Vergleich zu Uran kaum, aber allgemein immer noch- radioaktive Tritium
bisher kaum abschirmen und vom Materiellen und Finanziellen werden sich solche Anlagen
die nächsten Jahrzehnte wohl noch nicht rentieren.
3.5 Projekte
Da die Kernfusion auf der Plasmatechnologie aufbaut,
haben wir uns mit der Funktionsweise einer Plasmakugel
auseinandergesetzt.
In einer solchen Kugel befinden sich ein Gas und ein
Kontakt, an dem eine hohe Spannung angelegt ist.
Berührt man nun die Glasoberfläche, so fließt ein
geringer Strom über den Menschen zur Erde.
Das Gas über das der Strom fließt wird ionisiert und
strahlt so Licht aus.
Fazit
In den zwei Wochen Talent Akademie Lindau 2009 haben wir viel ausprobiert und gelernt.
Die Hälfte davon haben wir auch bereits wieder vergessen. =) Aber sicher ist, dass wir die
Zeit dort niemals vergessen werden. Es war etwas Besonderes. Unser Interesse für viele neue
Gebiete wurde geweckt. Hauptsächlich natürlich zur Energie und Umwelt. Wenn wir heute
den Himmel betrachten, fragen wir uns manchmal, welche Art von Wolken sich denn dort
gerade bilden. Oder wann können wir wieder den Jupiter betrachten, so wie an dem einen
Abend in der Akademie? An diesem standen wir alle auf dem Schulhof des
Bodenseegymnasiums und warteten darauf, dass das Teleskop endlich richtig eingestellt war.
Nach kaum zehn Minuten hatte sich die Gruppe mehr als verdoppelt und am Ende war es fast
die ganze Akademie.
Auch außerhalb des Schulischen haben wir uns weiter entwickelt. Wir haben gelernt, dass es
durchaus erlaubt ist du selbst zu sein und es immer jemanden gibt, der dich akzeptiert, so wie
du bist.
Auf jeden Fall hatten wir trotz der Anstrengung und des Stresses sehr viel Freude und Spaß
und immer gab es etwas zu lachen. Wir haben hier viele Freunde und Gleichgesinnte
gefunden, die ebenfalls „anders ticken“. (siehe Zeitungsartikel Lindau ;-)) Sicher auch
Freunde fürs Leben!
Wir hatten hier eine schöne Zeit und hoffen, dass wir uns alle nicht aus den Augen verlieren
und bald wieder sehen.