Fundamente aller Energiequellen

Fundamente aller Energiequellen

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

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