Fundamente aller Energiequellen

Fundamente aller Energiequellen
Fundamente aller Energiequellen, copyright by AdobeStock No. 439023266

Fundamente aller Energiequellen

Was die Welt im Innersten zusammenhält


„Daß ich erken­ne was die Welt, im Inners­ten zusam­men­hält“ Johann Wolf­gang von Goe­the: Faust — Der Tra­gö­die ers­ter Teil

Die Fra­ge nach Beschaf­fen­heit und Funk­ti­on grund­le­gen­der Bau­stei­ne der Welt spiel­te schon lan­ge vor dem Auf­kom­men der moder­nen Phy­sik eine gro­ße Rol­le im Leben der Men­schen. Die Schrit­te zur Beant­wor­tung die­ser Fra­gen, ins­be­son­de­re in Bezug auf die Fun­da­men­te aller Ener­gie­quel­len waren auch immer Trei­ber der Nut­zung neu­er For­men zur Ener­gie­ge­win­nung und damit des mensch­li­chen Fortschrittes.

Inhaltsverzeichnis

  1. Vor­wort: Was ist Energie?
  2. Ener­gie­at­las
  3. Ursa­che von Energie
  4. Fun­da­men­te aller Energiequellen
  5. Ener­gie­quel­len im Zeitenwandel 
    1. Nach­hal­tig­keit und der Blick in die Ver­gan­gen­heit (Ener­gie­quel­len im Zei­ten­wan­del — Teil 1)
    2. Ent­ste­hen, Exis­tenz und Ver­ge­hen der Ster­ne als Ener­gie­quel­len (Ener­gie­quel­len der Gegenwart)
    3. Neue Mög­lich­kei­ten am Hori­zont und die Zukunft ist offen
  6. Erneu­er­ba­re Ener­gie im Überblick 
    1. Direk­te Nut­zung der Sonnenstrahlung
    2. Bewe­gungs­en­er­gie des Windes
    3. Bewe­gungs­en­er­gie und che­mi­sche Ener­gie von Meerwasser
    4. Bewe­gungs­en­er­gie von Fließwasser
    5. Wär­me­en­er­gie der Erdkruste
    6. Che­mi­sche Ener­gie der Biomasse
  7. Fort­set­zung folgt …

 

Energiequellen und gesellschaftliche Debatte

Nach Klä­rung des Begrif­fes Ener­gie betrach­ten wir die Fun­da­men­te aller Ener­gie­quel­len, um spä­ter auf deren Nut­zung in Ver­gan­gen­heit, Gegen­wart und Zukunft ein­zu­ge­hen. Dem Leser ist sicher­lich die Ein­ord­nung der Pri­mär­ener­giequel­len in die Kate­go­rien fos­si­le Ener­gie, Kern­ener­gie und erneu­er­ba­re Ener­gie bekannt. Die meis­ten Staa­ten sind sich dar­in einig, dass der Aus­stieg aus der Nut­zung fos­si­ler Ener­gie zur Ein­däm­mung des Kli­ma­wan­dels zwin­gend not­wen­dig ist. Aber bereits der Ein­satz von Kern­ener­gie offen­bart die natio­na­len Unter­schie­de. Die Nut­zung erneu­er­ba­rer Ener­gie wird mit unter­schied­li­cher Geschwin­dig­keit vor­an­ge­trie­ben. Doch erfas­sen die­se Kate­go­rien schon alle Mög­lich­kei­ten der Zukunft? Wel­che Rol­le spielt zukünf­tig die Kern­fu­si­on? Wel­che neu­en Ideen fol­gen aus Erkennt­nis­fort­schrit­ten der Physik?

Die umfas­sen­de Behand­lung die­ser Fra­ge­stel­lun­gen über­schrei­tet den Rah­men der Arti­kel­se­rie. Trotz­dem ist ein Grund­ver­ständ­nis not­wen­dig, um Ent­schei­dun­gen zur Umset­zung von Ener­gie­kon­zep­ten tref­fen zu kön­nen. Die­se Ent­schei­dun­gen sind im jewei­li­gen gesell­schaft­li­chen Kon­text zu tref­fen. Die dabei ein­zu­be­zie­hen­den Para­me­ter betref­fen nicht nur tech­ni­sche Fra­gen. Sie sind sowohl in Bezug auf die aktu­el­le gesell­schaft­li­che Wirk­lich­keit sowie ver­schie­de­ner, denk­ba­rer Zukünf­te zu fäl­len. Bei­spiels­wei­se wur­de in Deutsch­land mühe­voll um einen Kon­sens gerun­gen, der den schnel­len Aus­stieg sowohl aus Kern­ener­gie als auch aus fos­si­ler Ener­gie vor­sieht. Trotz­dem gibt es gesell­schaft­li­che Grup­pen, die den Ein­satz die­ser Ener­gie­ar­ten wei­ter befür­wor­ten. Dabei geht es um die Fra­ge­stel­lung, ob die Frei­heit des Han­delns der heu­ti­gen Genera­ti­on einer zukünf­tig pro­spe­rie­ren­den und lebens­wer­ten Welt ent­ge­gen­steht. Die Fra­ge lau­tet, ob wir die Kon­se­quen­zen heu­ti­gen Han­delns an die Inno­va­ti­ons­kraft unse­rer Kin­der über­ge­ben kön­nen. 

Anwor­ten auf die damit ver­bun­de­nen gesell­schafts­wis­sen­schaft­li­chen Fra­ge­stel­lun­gen wer­den hier nicht gege­ben. Wir wer­den uns vor­ran­gig auf den aktu­el­len poli­ti­schen und tech­no­lo­gi­schen Stand der Dis­kus­si­on bezie­hen und Bei­spie­le zur Kon­zep­ti­on und Umset­zung von Ener­gie­lö­sun­gen auf Basis erneu­er­ba­rer Ener­gien anfüh­ren. Gleich­zei­tig soll aber der Blick für Mög­lich­kei­ten der Zukunft und die Wege ande­rer Staa­ten offen­blei­ben. Dazu dient die fol­gen­de, kurz gefass­te Betrach­tung der Fun­da­men­te aller Ener­gie­quel­len. Auf die­ser Basis wer­den wir spä­ter Lösun­gen unter­su­chen, die in der Ver­gan­gen­heit genutzt wur­den, heu­te den Sys­tem­wech­sel beschrei­ben oder zukünf­tig even­tu­ell zur Nut­zung bereitstehen.

 

Was die Welt im Innersten zusammenhält

Das ein­füh­ren­de Kapi­tel zum Ener­gie­at­las beschrieb den Pro­zess der Ener­gie­trans­for­ma­ti­on in sechs Schrit­ten als Zyklus. Meh­re­re die­ser Trans­for­ma­tio­nen las­sen sich als wie­der­hol­te Zyklen anein­an­der­rei­hen. Dabei geht Ener­gie nicht ver­lo­ren. Aber jede Wand­lung von Ener­gie in eine ande­re Art ver­min­dert den Anteil nutz­ba­rer Ener­gie. Nicht mehr zur Nut­zung ver­füg­ba­re Ener­gie bleibt zurück. Des­halb wer­den Lösun­gen mit einem mög­lichst hohen Anteil nutz­ba­rer Ener­gie nach Voll­endung eines Zyklus gesucht.

Um kei­ne Ener­gie­quel­len zu über­se­hen, gehen wir zu Beginn gemein­sam ein Stück schwie­ri­gen Weges. Die­ser Pfad star­tet in den Tie­fen der Phy­sik mit Wech­sel­wir­kun­gen, die die Welt im Inners­ten zusam­men­hal­ten und letzt­end­lich die eigent­li­chen Quel­len als Fun­da­men­te aller Ener­gie­quel­len bereitstellen.

Die Phy­sik umfasst eine gro­ße Brei­te an Teil­dis­zi­pli­nen. Doch im Kern unter­schei­den die Wis­sen­schaft­ler nur vier fun­da­men­ta­le Wech­sel­wir­kun­gen, die auch Grund­kräf­te genannt wer­den. Auf die­ser Basis wer­den alle Phä­no­me­ne der real exis­tie­ren­den, phy­si­schen Welt beschrie­ben. Sie sind Aus­gangs­punkt zur Beschrei­bung aller phy­si­ka­li­schen, che­mi­schen und bio­lo­gi­schen Vor­gän­ge. 

Bekannt sind die­se Wech­sel­wir­kun­gen unter den Begriffen

  • Gra­vi­ta­ti­on
  • Elek­tro­ma­gne­tis­mus
  • schwa­che Wech­sel­wir­kung (auch schwa­che Kern­kraft genannt)
  • star­ke Wech­sel­wir­kung (auch star­ke Kern­kraft genannt)

Gravitation und Elektromagnetismus

Isaak New­ton dach­te über die Kräf­te zwi­schen Mas­sen nach, als ihm laut Legen­de wäh­rend der Iso­lie­rung auf sei­nem Land­sitz zur Zeit der Pest ein Apfel auf den Kopf fiel. Er ent­deck­te und for­mu­lier­te die Geset­ze der Gra­vi­ta­ti­on. Auf die Nutz­bar­keit von Mas­sen als Ener­gie­quel­len auf­grund der Gra­vi­ta­ti­on wer­den wir noch umfang­reich eingehen.

Ohne Elek­tri­zi­tät und Magne­tis­mus ist die moder­ne Gesell­schaft nicht denk­bar. Die aus der Ver­bin­dung die­ser bei­den Phä­no­me­ne zum Elek­tro­ma­gne­tis­mus resul­tie­ren­de Erschei­nun­gen über­tra­gen Ener­gie draht­los über elek­tro­ma­gne­ti­sche Wel­len. Anzie­hung und Absto­ßung elek­trisch gela­de­ner Teil­chen im Zusam­men­wir­ken mit magne­ti­schen Wir­kun­gen bewir­ken aber auch die Über­tra­gung von Ener­gie über Lei­tun­gen als auch die Dre­hung von Elek­tro­mo­to­ren. Spei­cher mit posi­tiv oder nega­tiv gela­de­nen Teil­chen als auch Magne­ten bil­den somit Energiequellen.

Starke Kernkraft

In der klas­si­schen Phy­sik haben die Gra­vi­ta­ti­on seit den 1680er Jah­ren und der Elek­tro­ma­gne­tis­mus seit den 1870er Jah­ren eine mathe­ma­tisch fun­dier­te Grund­la­ge. Im Gegen­satz dazu erlaub­te erst die moder­ne Phy­sik auf Grund­la­ge der Quan­ten­me­cha­nik seit den 1930er Jah­ren die Unter­su­chung und Klä­rung der Pro­zes­se in Bezug auf die star­ke und schwa­che Kern­kraft. 

Eigent­lich sto­ßen sich elek­trisch posi­tiv gela­de­ne Pro­to­nen im Atom­kern als Fol­ge der elek­tro­ma­gne­ti­schen Wech­sel­wir­kung ab. Dass der Atom­kern den­noch zusam­men­hält, liegt an der star­ken Wech­sel­wir­kung. Bei gro­ßen Atom­ker­nen kann es aber trotz­dem zum Zer­fall in zwei klei­ne­re Ato­me und in Neu­tro­nen kom­men. Da die neu­en Ato­me zusam­men leich­ter als das Aus­gangs­atom sind, wird laut der bekann­ten Glei­chung von Ein­stein, dass Ener­gie gleich der Mas­se mal dem Qua­drat der Licht­ge­schwin­dig­keit ist, Bewe­gungs­en­er­gie der Zer­falls­pro­duk­te frei. Die­ser Vor­gang wird als Kern­spal­tung beschrie­ben. Dabei wird in der Regel Uran als Ener­gie­quel­le genutzt.

Der Ablauf funk­tio­niert auch in der ande­ren Rich­tung. Zwei leich­te Atom­ker­ne kön­nen mit­ein­an­der durch Ener­gie­ein­satz zur Über­win­dung der absto­ßen­den star­ken Wech­sel­wir­kung zu einem neu­en Atom ver­schmel­zen. Dabei wird mehr Ener­gie frei als zur Ver­schmel­zung ein­ge­setzt. Im Gegen­zug ist das Ver­schmel­zungs­pro­dukt leich­ter als die Aus­gangs­ato­me. Bei­spiels­wei­se ver­schmel­zen zwei Was­ser­stoff­ato­me zu Heli­um. Die­ser Pro­zess bil­det Ster­ne. Die Son­ne ist eine Ener­gie­quel­le mit dem Ener­gie­trä­ger Was­ser­stoff. Der direk­te Ein­satz von Was­ser­stoff sowie ande­rer leich­ter Ele­men­te auf der Erde unter Nut­zung der Kern­ver­schmel­zung – Kern­fu­si­on – befin­det sich auf dem Wege der tech­ni­schen Umsetzung.

Schwache Kernkraft

Von der schwa­chen Wech­sel­wir­kung spre­chen Phy­si­ker, wenn sich Ele­men­tar­teil­chen umwan­deln. Zum Bei­spiel kann sich im Atom­kern des che­mi­schen Ele­ments Stron­ti­um ein Neu­tron spon­tan zum Pro­ton wan­deln, womit sich ein ande­res che­mi­sches Ele­ment, das Ytri­um, bil­det. Ein Elek­tron wird frei­ge­setzt, des­sen Bewe­gungs­en­er­gie als Pri­mär­ener­gie genutzt wer­den kann. 

Wie­der­um exis­tiert auch ein umge­kehr­ter Pro­zess. Dabei wan­delt sich ein Pro­ton in ein Neu­tron sowie in das Gegen­stück zum Elek­tron, das Posi­tron. Die­ses posi­tiv gela­de­ne Teil­chen ist nun der Trä­ger von Bewe­gungs­en­er­gie als Primärenergie.

Die Frei­set­zung von Elek­tro­nen und Posi­tro­nen durch Umwand­lungs­pro­zes­se in Atom­ker­nen wird auch als Beta-Strah­lung bezeichnet.

Schluss­end­lich kön­nen Atom­ker­ne auch durch die Frei­set­zung soge­nann­ter Alpha-Strah­lung ihre Ord­nungs­zahl ändern und somit in neue che­mi­sche Ele­men­te umge­formt wer­den. Alpha-Strah­len bestehen aus zwei Pro­to­nen und zwei Neu­tro­nen, der Struk­tur von Heli­um­ker­nen. Die­ser Pro­zess führt somit eben­so zu einer Teil­chen­strah­lung mit nutz­ba­rer Bewegungsenergie.

Radio­ak­ti­ves Mate­ri­al bil­det also eine Ener­gie­quel­le, die über ver­schie­de­ne Zer­falls­pro­zes­se der Atom­ker­ne zu Zer­falls­pro­duk­ten als Ener­gie­trä­ger führt. Die­se Pro­duk­te sind Ele­men­tar­teil­chen, deren Bewe­gungs­en­er­gie als Pri­mär­ener­gie für wei­te­re Umwand­lungs­pro­zes­se von Ener­gie­zy­klen genutzt wer­den kann.

Vier, Drei, Zwei, Eins oder mehr?

Mit der Gra­vi­ta­ti­ons­theo­rie von Isaak New­ton sowie den Unter­su­chun­gen von Fara­day zur Elek­tri­zi­tät und zum Magne­tis­mus spra­chen die Phy­si­ker noch von drei Kräf­ten. Der Mathe­ma­ti­ker Max­well schuf auf Grund­la­ge der expe­ri­men­tel­len Arbei­ten von Fara­day die elek­tro­ma­gne­ti­sche Theo­rie. Mit dem Wech­sel zum 20. Jahr­hun­dert war unter vie­len Phy­si­kern die Über­zeu­gung ver­brei­tet, die Welt kom­plett beschrei­ben zu kön­nen. Doch schnell zeig­ten sich nicht mit der klas­si­schen Theo­rie erklär­ba­re Phä­no­me­ne. 

Zuerst ent­wi­ckel­te Albert Ein­stein mit der spe­zi­el­len und all­ge­mei­nen Rela­ti­vi­täts­theo­rie die Gra­vi­ta­ti­ons­theo­rie wei­ter. Zusätz­lich stell­te die im Jah­re 1926 das Licht der Welt erbli­cken­de Quan­ten­me­cha­nik die theo­re­ti­sche Grund­la­ge zur Erklä­rung der schwa­chen und star­ken Kern­kraft und damit der Vor­gän­ge im Atom­kern. Somit waren es vier Kräf­te. Doch Phy­si­ker suchen aber gern die eine Welt­for­mel, die alles beschreibt. Die ent­spre­chen­den Anstren­gun­gen führ­ten bald zur Theo­rie der elek­tro­schwa­chen Wech­sel­wir­kung, die Elek­tro­ma­gne­tis­mus und die schwa­che Kern­kraft auf gemein­sa­me theo­re­ti­sche Füs­se stell­te. Nun waren es nur noch Drei. Bald gelang es auch die star­ke Wech­sel­wir­kung in eine gemein­sa­me Theo­rie ein­zu­be­zie­hen. Es waren nur noch Zwei.

Wir wer­den uns damit nicht wei­ter belas­ten, da es bei der Suche nach Ener­gie­quel­len aktu­ell nicht weiterhilft.

Doch ein Schritt fehlt noch. Seit den 1980-er Jah­ren betrei­ben Phy­si­ker auf Basis ver­schie­de­ner Ansät­ze Anstren­gun­gen die Arbei­ten von Albert Ein­stein zur Gra­vi­ta­ti­on mit der gemein­sa­men Theo­rie von Elek­tro­ma­gne­tis­mus und Kern­kräf­ten zu ver­ei­nen. Das Ziel besteht dar­in, letzt­end­lich alle Erschei­nun­gen der Rea­li­tät mit einer Theo­rie zu erklä­ren, um die eine ursprüng­li­che Ener­gie­quel­le beschrei­ben zu kön­nen. Auf die­sen theo­re­ti­schen Pfad müs­sen wir uns nicht bege­ben. Doch ein Fakt kann nicht uner­wähnt bleiben.

Die Erfol­ge der spe­zi­el­len und all­ge­mei­nen Rela­ti­vi­täts­theo­rie bei der Erfor­schung des Welt­alls im Ver­bund mit moder­ner Mess- und Com­pu­ter­tech­nik sowie der Raum­fahrt in der zwei­ten Hälf­te des 20. Jahr­hun­derts zeig­ten bald auch die Gren­zen des bis­he­ri­gen Wis­sens auf. 

Dunkle Materie und dunkle Energie

Das Uni­ver­sum wur­de inzwi­schen mit moder­nen tech­ni­schen Mit­teln umfas­send ver­mes­sen. Seit der Ent­ste­hung vor 13,8 Mil­li­ar­den Jah­ren dehn­te sich das Uni­ver­sum, in dem wir leben, auf unge­fähr 93 Mil­li­ar­den Licht­jah­re im Durch­mes­ser aus. Auf Basis der theo­re­ti­schen Kennt­nis­se berech­ne­ten Wis­sen­schaft­ler im Zusam­men­hang mit den bekann­ten Wech­sel­wir­kun­gen Mas­se und Ener­gie des Kos­mos. Expe­ri­men­te im Zusam­men­hang mit der Mes­sung der Aus­deh­nungs­ge­schwin­dig­keit des Uni­ver­sums, aber auch die Bewe­gung von Gala­xien führ­ten zu völ­lig ande­ren Daten. Das Ergeb­nis ist dramatisch.

Nur fünf Pro­zent des sicht­ba­ren Uni­ver­sums kann auf­grund bekann­ter Wech­sel­wir­kun­gen beschrie­ben wer­den. Aber etwa 95 Pro­zent unse­res Kos­mos wer­den mit bis­he­ri­gem Wis­sen nicht beschrie­ben. Phy­si­ker bezei­che­nen die­se unbe­kann­te Welt mit den Begrif­fen Dunk­le Mate­rie und Dunk­le Ener­gie, über die bis­her sehr wenig bekannt ist. Ohne die Schwer­kraft der Dunk­len Mate­rie, die 26,8 Pro­zent bei­trägt, wür­den Gala­xien und Gala­xien­hau­fen nicht zusam­men­hal­ten. Und die Dunk­le Ener­gie sorgt mit einem Anteil von 68,3 Pro­zent dafür, dass sich die Expan­si­on des Kos­mos nicht durch die Anzie­hungs­kraft der Mate­rie ver­lang­samt, son­dern im Gegen­teil sogar beschleunigt.

Dies beschreibt die eine Flan­ke auf der Suche nach wei­te­ren Ener­gie­quel­len. Für die­se unbe­kann­te Welt der gro­ßen Dimen­sio­nen des Welt­alls ist der Schlei­er des Unwis­sens noch zu öff­nen. Aber auch die klei­nen Dimen­sio­nen bie­ten uner­forsch­te Phä­no­me­ne. Span­nend bezüg­lich der Suche nach neu­en Ener­gie­quel­len sind ins­be­son­de­re die soge­nann­ten Quan­ten­flukta­tio­nen. Hier­auf wer­den wir spä­ter nach ein­mal bei der Betrach­tung ein­zel­ner Ener­gie­quel­len und ihrer Anwen­dung eingehen.

Nun aber genug der Theo­rie. Las­sen sie uns zur Pra­xis über­ge­hen. Das nächs­te Kapi­tel wid­met sich grund­sätz­li­chen Kon­zep­ten zur Gewin­nung von Nut­z­en­er­gie aus Ener­gie­quel­len in der Ver­gan­gen­heit und in der Gegen­wart ins­be­son­de­re in Bezug auf den Sys­tem­wech­sel. Dabei wer­den zuerst die heu­te bekann­ten Quel­len ein­ge­ord­net. Wir ver­su­chen auch, ein wenig den Schlei­er vor zukünf­ti­gen Metho­den zu lüf­ten. Lösun­gen zur Bereit­stel­lung von Ener­gie basie­ren viel­fach auf Erfah­run­gen und Beob­ach­tun­gen im täg­li­chen Leben. Sie ent­ste­hen aber eben­so als Anwen­dung des Wis­sens um Fun­da­men­te aller Energiequellen.

 

Lei­men / Hei­del­berg — 30. Juni 2022

Andre­as Kieß­ling, ener­gy design

Über Andreas Kießling 90 Artikel
Andreas Kießling hat in Dresden Physik studiert und lebt im Raum Heidelberg. Er beteiligt sich als Freiberufler und Autor an der Gestaltung nachhaltiger Lebensräume und zugehöriger Energiekreisläufe. Dies betrifft Themen zu erneuerbaren und dezentral organisierten Energien. Veröffentlichungen als auch die Aktivitäten zur Beratung, zum Projektmanagement und zur Lehre dienen der Gestaltung von Energietechnologie, Energiepolitik und Energieökonomie mit regionalen und lokalen Chancen der Raumentwicklung in einer globalisierten Welt.

Hinterlasse jetzt einen Kommentar

Kommentar hinterlassen

E-Mail Adresse wird nicht veröffentlicht.


*


zwanzig + dreizehn =