Wirbelnde Energie

Energie zyklisch denken

Wirbelnde Energie
Vortex - Wirbelnde Energie, Creative Commons CC0 https://pixabay.com/de

Sich mit Energie zu beschäftigen bedeutet sich Potentialen zu widmen

Wir­beln­de Ener­gie wird bezüg­lich ihrer Poten­tia­le unter dem Aspekt der Fähig­keit Arbeit zu ver­rich­ten betrach­tet. Dabei resul­tie­ren Poten­tia­le sowohl aus sta­ti­schen Ursa­chen sowie aus dyna­mi­schen Pro­zes­sen ver­schie­dens­ter Ener­gie­trä­ger.

In einem Orga­nis­mus befin­det sich alles im Fluss, wobei sich jeder Orga­nis­mus wie­der­um im Fluss sei­ner Umwelt ein­ord­net. Obwohl die Gesamt­heit der uns zur Ver­fü­gung ste­hen­den Ener­gie weder erzeugt noch ver­nich­tet wer­den kann (Ener­gie­er­hal­tungs­satz), befin­det sich das, was wir Ener­gie nen­nen, in einem ste­ti­gen Umwand­lungs­pro­zess. Ener­gie­flüs­se ent­ste­hen bei­spiels­wei­se zwi­schen hei­ßen und kal­ten, von kon­zen­trier­ten zu zer­streu­ten Zustän­den, zwi­schen posi­ti­ven und nega­ti­ven Ladungs­an­samm­lun­gen oder den ent­ge­gen­ge­setz­ten Polen der Teil­chen magne­ti­scher Mate­ria­li­en. Zur Nut­zung von Ener­gie suchen wir also die Unter­schie­de zwi­schen Zustän­den — die Poten­ti­al­un­ter­schie­de als Dif­fe­ren­zen.

Die Phy­si­ker redu­zier­ten ver­schie­dens­te Poten­tia­le und dar­aus resul­tie­ren­de Ener­gie­flüs­se auf weni­ge Grund­ur­sa­chen, die elek­tri­sche und magne­ti­sche, schwa­che und star­ke Kern­kräf­te sowie die Gra­vi­ta­ti­on umfas­sen. Auf der Suche nach der Kern­ur­sa­che gelang die Ver­ei­ni­gung der elek­tri­schen und magne­ti­schen Ener­gie zur elek­tro­ma­gne­ti­schen Ener­gie. Bei hohen Ener­gi­en und klei­nen Abstän­den gelang die Ver­ei­ni­gung zur elek­tro­schwa­chen Kraft. Im heu­ti­gen Stan­dard­mo­dell der Teil­chen­phy­sik gelang auch die Ver­bin­dung mit der star­ken Wech­sel­wir­kung der Atom­ker­ne. Die Gra­via­ti­on ent­zieht sich aber bis heu­te der Ver­ei­ni­gung. Moder­ne Spe­ku­la­tio­nen der theo­re­ti­schen Phy­sik ver­mu­ten noch wei­te­re Ener­gie­po­ten­tia­le, die die Wis­sen­schaft­ler unter der fünf­ten Kraft begriff­lich zusam­men­fas­sen. Grund­sätz­lich besteht kein Grund, die Suche zu stop­pen. Nur fünf Pro­zent des Uni­ver­sums kön­nen wir heu­te erschöp­fend erklä­ren. Zu wei­te­ren 25 Pro­zent unter dem Begriff der dunk­len Mate­rie haben die Phy­si­ker nur eine dunk­le Ahnung sowie bezüg­lich der rest­li­chen 70 Pro­zent mit dem Label dunk­le Ener­gie besit­zen die Wis­sen­schaft­ler kei­ner­lei Erkennt­nis. Auf Basis die­ses Umfan­ges an Nicht­wis­sen zu Beginn des drit­ten Jahr­tau­sends nach fünf Jahr­hun­der­ten moder­ner Phy­sik seit der Auf­klä­rung ver­bleibt noch viel unen­deck­ter Raum für Ener­gie­po­ten­tia­le.

Unab­hän­gig vom aktu­el­len Stand der Erkennt­nis oder der zuge­hö­ri­gen Theo­ri­en ver­bleibt die Fra­ge, ob abseits der abzu­lö­sen­den fos­si­len und nuklea­ren Ener­gie­trä­ger sowie der nach­hal­ti­gen Ener­gie­quel­len Son­ne, Wind, Was­ser und Erd­wär­me wei­te­re, heu­te noch nicht erschlos­se­ne Ener­gie­po­ten­tia­le der Nut­zung zuge­führt wer­den kön­nen. Viel­fäl­ti­ge Ansät­ze wer­den erforscht und bezüg­lich ihrer tech­ni­schen Nutz­bar­keit unter­sucht.

 

Fähigkeit, Arbeit zu verrichten am Beispiel der Gravitation

Um sich die­sen Mög­lich­kei­ten anzu­nä­hern, betrach­ten wir nach­fol­gend ein Poten­ti­al im Sin­ne der Fähig­keit, Arbeit zu ver­rich­ten und damit Ener­gie zu gewin­nen. Zur Ver­an­schau­li­chung des Poten­ti­al­be­grif­fes wird die Gra­vi­ta­ti­on genutzt. Eine Mas­se M ist von einem Gra­vi­ta­ti­ons­feld umge­ben. In einer bestimm­ten Ent­fer­nung zum Zen­trum die­ser Mas­se besteht ein Gra­vi­ta­ti­ons­po­ten­ti­al. Das Gra­vi­ta­ti­ons­po­ten­ti­al wird mit zuneh­men­der Ent­fer­nung zur Mas­se klei­ner. Jeder Punkt des umge­be­nen Rau­mes besitzt in Abhän­gig­keit vom Abstand zur Mas­se eine bestimm­te Poten­ti­al­stär­ke. Alle Punk­te beschrei­ben zusam­men ein Ska­lar­feld der Gra­vi­ta­ti­on, also eine Ver­tei­lung von Poten­ti­al­stär­ken im Raum um die Mas­se.

Die Fähig­keit, Arbeit zu ver­rich­ten, drückt sich dadurch aus, eine sich in die­sem Feld befind­li­che zwei­te Mas­se m mit­tels Kraft­wir­kung beschleu­ni­gen zu kön­nen. Vor­aus­set­zung hier­für ist die Aus­nut­zung einer Gra­vi­ta­ti­ons­feld­stär­ke grö­ßer Null. Was mei­nen wir nun hier­mit? Ein Gra­vi­ta­ti­ons­po­ten­ti­al allein reicht nicht aus, um Arbeit zu ver­rich­ten. Falls das Poten­ti­al auf dem Weg zwi­schen zwei Orten gleich hoch ist, wird kei­ne Arbeit ver­rich­tet. Not­wen­dig ist ein Poten­ti­al­un­ter­schied ent­lang der Weg­stre­cke. Die Ände­rung des Poten­ti­als je Weg­stre­cke ist Aus­druck der Feld­stär­ke, die in Rich­tung des Poten­ti­al­un­ter­schie­des als Vek­tor zeigt – ein Pfeil, des­sen Spit­ze die Wir­kungs­rich­tung und des­sen Län­ge die Feld­stär­ke angibt. Die Sum­me aller Poten­ti­al­un­ter­schie­de bil­det somit ein Vek­tor­feld. Die auf die Mas­se aus­ge­üb­te Kraft wird durch das Pro­dukt von Mas­se m und Feld­stär­ke gebil­det, wobei die Feld­stär­ke eines Gra­vi­ta­ti­ons­fel­des ein soge­nann­tes Beschleu­ni­gungs­feld bil­det. Ist die Ände­rung des Poten­ti­als gleich Null ist eben­so die Feld­stär­ke des Beschleu­ni­gungs­fel­des Null. Damit wirkt kei­ne Kraft auf die Mas­se, womit sich deren Geschwin­dig­keit nicht ver­än­dert und kei­ne Arbeit ver­rich­tet wird. Im Fal­le einer Poten­ti­al­dif­fe­renz ent­lang des Weges führt die resul­tie­ren­de Feld­stär­ke zur Kraft­wir­kung auf die Mas­se und damit zur Beschleu­ni­gung. Mit der Kraft­wir­kung auf die Mas­se ent­lang des durch­lau­fen­den Weges wird Arbeit ver­rich­tet, womit die Bewe­gungs­en­er­gie der Mas­se m zunimmt.

Umso grö­ßer der Poten­ti­al­un­ter­schied bezo­gen auf die Weg­stre­cke, des­to grö­ßer ist die Feld­stär­ke und damit die beschleu­ni­gen­de Wir­kung auf eine Mas­se m, die die­se Weg­stre­cke durch­läuft. Die Zunah­me an kine­ti­scher Ener­gie ist aber mit dem maxi­mal zu durch­lau­fe­nen Weg, der durch den Abstand zwi­schen der das Gra­vi­ta­ti­ons­feld bewir­ken­den Mas­se M und der dar­in beschleu­nig­ten Mas­se m gege­ben ist, begrenzt. Das Gra­vi­ta­ti­ons­feld besitzt also mit dem Schwer­punkt der Mas­se M eine Quel­le. Die Feld­li­ni­en star­ten an einem Ursprung, wodurch die Dau­er der Beschleu­ni­gung und somit der Ener­gie­ge­winn begrenzt ist. Ana­log zum Gra­vi­ta­ti­ons­feld einer Mas­se kön­nen die Wir­kun­gen des elek­tro­sta­ti­schen Fel­des eines gela­de­nen Kör­pers beschrie­ben wer­den. Zur Ver­rich­tung von Arbeit wer­den eben­so Dif­fe­ren­zen im elek­tro­sta­ti­schen Poten­ti­al ent­lang des durch­lau­fe­nen Weges genutzt. Auch in die­sem Fall besit­zen auf Basis der Poten­ti­al­un­ter­schie­de ent­ste­hen­de Fel­der einen Ursprung.

 

Wirbelfelder

Wir betrach­ten nun eine Form ursprungs­lo­ser Fel­der, soge­nann­te quell­freie Wir­bel­fel­der.

Falls im oben beschrie­be­nen Fall eines Gra­vi­ta­ti­ons­fel­des die Mas­se M durch die Mas­se m im kon­stan­ten Abstand r umkreist wird, ändert sich das Gra­vi­ta­ti­ons­po­ten­ti­al nicht. Die Rota­ti­ons­feld­stär­ke ist in die­sem Fal­le gleich Null. Wenn ein Satel­lit die Erde auf einer kreis­för­mi­gen Bahn umfliegt, wird kei­ne Arbeit ver­rich­tet. Phy­si­ker nen­nen der­ar­ti­ge Fel­der auch kon­ser­va­ti­ve Fel­der. Ein Ener­gie­ge­winn für den Satel­li­ten erfolgt nur im Fal­le des Abstur­zes, also beim Durch­lau­fen von Punk­ten mit unter­schied­li­chen Gra­vi­ta­ti­ons­po­ten­tia­len.

Anders ver­hal­ten sich die Wir­bel­fel­der, die auch nicht­kon­ser­va­ti­ve Fel­der genannt wer­den. Hier wird beim Durch­lau­fen eines Weges auf einer Kreis­bahn Arbeit ver­rich­tet. Der­ar­ti­ge Wir­bel­fel­der ent­ste­hen im Rah­men des Elek­tro­ma­gne­tis­mus. Hier­bei erfährt eine Ladung auf der Kreis­bahn im Wir­bel­feld eine per­ma­nen­te Beschleu­ni­gung. Wir­bel­fel­der besit­zen kei­ne Quel­le oder Sen­ke der Feld­li­ni­en, aber in Rich­tung des Wir­bels Unter­schie­de elek­tri­scher und magne­ti­scher Poten­tia­le. An einer Ladung, die sich in Rich­tung des Wir­bels bewegt, wird somit Arbeit ver­rich­tet und ihre Geschwin­dig­keit steigt, solan­ge die Ladung auf der Kreis­bahn ver­bleibt, per­ma­nent wei­ter, da es kei­ne die Bewe­gung begren­zen­de Quel­le oder Sen­ke gibt. Da es aber kei­ne sta­ti­schen Wir­bel­fel­der gibt, muss stän­dig elek­tro­ma­gne­ti­sche Ener­gie zuge­führt wer­den. Limi­tie­rend für die End­ge­schwin­dig­keit der Ladung wir­ken einer­seits tech­ni­sche Gege­ben­hei­ten, aber ander­seits natür­lich auch die phy­si­ka­li­sche Gren­ze der Licht­ge­schwin­dig­keit.

Wie schon ange­spro­chen, ist zu beach­ten, dass weder elek­tro­sta­ti­sche Fel­der noch sta­ti­sche Man­g­net­fel­der Wir­bel­fel­der erzeu­gen. Bei­spiels­wei­se erzeugt eine Ladungs­quel­le ein elek­tro­sta­ti­sches Feld in der Umge­bung mit Feld­li­ni­en in Rich­tung der Ladung. Auf einer Kreis­bahn um die Ladung besteht das glei­che elek­tri­sche Poten­ti­al, womit bei einer Bewe­gung auf die­ser Bahn mit glei­cher Poten­ti­al­stär­ke kei­ne Poten­ti­al­dif­fe­renz durch­lau­fen und kei­ne Arbeit ver­rich­tet wird. Solan­ge also elek­tri­sche und magne­ti­sche Ener­gie bezüg­lich ihrer Poten­tia­le getrennt betrach­tet wur­den, blieb die tech­ni­sche Nut­zung bis 1830 noch eine Anwen­dungs­ni­sche. Mit der nach­fol­genen Unter­su­chung der Kopp­lung im Elek­tro­ma­gne­tis­mus begann der Sie­ges­zug einer neu­en Tech­no­lo­gie, die ins­be­son­de­re Niko­la Tes­la mit der Erfin­dung des Elek­tro­mo­tors, der Unter­su­chung der elek­tro­ma­gne­ti­schen Strah­lung sowie der draht­lo­sen Ener­gie­über­tra­gung als Grund­la­ge der Radio­tech­nik vor­an­trieb. Die theo­re­ti­schen Grund­la­gen kon­zi­pier­te der schot­ti­sche Phy­si­ker James Clerk Max­well im Jah­re 1864. Die grund­le­gen­de Theo­rie der klas­si­schen Elek­tro­dy­na­mik in Form der Max­well-Glei­chun­gen ver­band Effek­te ruhen­der und beweg­ter Ladun­gen sowie deren Fel­der zur Beschrei­bung elek­tro­ma­gne­ti­scher Phä­no­me­ne. Aus die­sen Gesetz­mä­ßig­kei­ten fol­ger­te Max­well die Exis­tenz der elek­tro­ma­gne­ti­schen Wel­len. [Wiki­pe­dia. Abge­ru­fen am 06.06.2017.

https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Maxwell-Gleichungen&oldid=164927226]

Die Poten­tia­le elek­tro­ma­gne­ti­scher Ener­gie basie­ren auf einer Beson­der­heit der Kopp­lung elek­tri­scher und magne­ti­scher Ener­gie, die zu Wir­bel­fel­dern führt. Elek­tri­sche Wech­sel­fel­der im Bei­sein eines magne­ti­schen Fel­des, wobei die Ener­gie­fluss­rich­tun­gen der bei­den Fel­der senk­recht auf­ein­an­der ste­hen, bewir­ken wie­der­um im rech­ten Win­kel zu bei­den Fel­dern die Bewe­gung eines elek­tri­schen Lei­ters. Dar­in besteht der Funk­ti­ons­me­chan­si­mus eines Elek­tro­mo­tors. Alter­na­tiv wird durch einen beweg­ten Lei­ter im Bei­sein eines in senk­rech­ter Rich­tung zum Lei­ter befind­li­chen Magnet­fel­des ein elek­tri­sches Feld erzeugt, wobei die­ser Mecha­nis­mus im Strom­ge­ne­ra­tor sei­ne tech­ni­sche Anwen­dung fin­det.

Die Max­well­schen Glei­chun­gen lie­fern die phy­si­ka­li­sche Beschrei­bung, indem sie die Wir­bel­fel­der als Ursa­che offen­ba­ren. Ers­tens umfas­sen die Glei­chun­gen Geset­ze zu elek­tri­schen und magne­ti­schen Fel­dern. Sie umfas­sen aber zwei­tens das Induk­ti­ons­ge­setz, das Ände­run­gen der magne­ti­schen Fluss­dich­te mit der Erzeu­gung eines elek­tri­schen Wir­bel­fel­des in senk­rech­ter Rich­tung zum Magnet­feld ver­bin­det. Ver­än­de­run­gen elek­tri­scher Strö­me füh­ren wie­der­um zu einem magne­ti­schen Wir­bel­feld eben­so in senk­rech­ter Rich­tung.

 

Wirbelnde Energie und Grenzgänger auf der Suche nach neuen Potentialen

Soweit so gut. Die Max­well­schen Glei­chun­gen sind Grund­la­ge unse­res elek­tri­schen Ener­gie­sys­tems sowie Antrieb des welt­wei­ten Wirt­schafts­sys­tems. Erstaun­lich ist etwas Ande­res.

Wie oben schon aus­ge­führt, spre­chen wir in der Phy­sik von der ver­ei­nig­ten elek­tro­ma­gne­ti­schen Wech­sel­wir­kung, der schwa­chen und der star­ken Wech­sel­wir­kung sowie der Gra­vi­ta­ti­on. Die theo­re­tisch umge­setz­te Ver­ei­ni­gung der elek­tro­ma­gne­ti­schen mit schwa­cher und star­ker Wech­sel­wir­kung betrach­ten wir hier nicht wei­ter. Eine Ver­ei­ni­gung mit der Gra­vi­ta­ti­on ist trotz jahr­zehn­te­lan­ger Anstren­gun­gen und ver­schie­de­ner Ansät­ze seit Albert Ein­stein noch nicht gelun­gen.

Gleich­zei­tig gibt es aber seit Mit­te des 20. Jahr­hun­derts Indi­zi­en aus expe­ri­men­tel­len Ver­su­chen und ers­ten prak­ti­schen Auf­bau­ten, dass eine Kopp­lung von Ener­gie­flüs­sen zwi­schen magne­ti­schen Fel­dern und dem Gra­vi­ta­ti­ons­feld sowie aber auch zwi­schen elek­tri­schen Fel­dern und dem Gra­vi­ta­ti­ons­feld zu ver­mu­ten ist. Nun besit­zen wir kei­ne Theo­ri­en, die die Kopp­lung zwi­schen elek­tro­sta­ti­schen oder magne­ti­schen Fel­dern mit der Gra­vi­ta­ti­on beschrei­ben. Über die Betei­li­gung von Wir­bel­fel­dern kön­nen wir hier nur spe­ku­lie­ren.

Da ich hier auch nicht auf umfang­rei­che expe­ri­men­tel­le Ver­su­che ein­ge­hen möch­te, unter­blei­ben vor­erst wei­te­re Aus­füh­run­gen.

 

Aber inter­es­sant wären doch der­ar­ti­ge Betrach­tun­gen, oder?

Schaut man hin­ter die Kulis­sen, las­sen sich viel­fäl­ti­ge, muti­ge Akteu­re fin­den. Der Elek­tro­ma­gne­tis­mus wur­de zuerst expe­ri­men­tell unter­sucht und spä­ter auf Basis die­ser Ergeb­nis­se theo­re­tisch durch Max­well beschrie­ben. Wir soll­ten also nicht den tech­nisch Begab­ten mit dem heu­ti­gen Stand der Wis­sen­schaft arro­gant gegen­über­tre­ten, son­dern ihren Mut beför­dern. Die für jeden über­all und jeder­zeit ver­füg­ba­re Wir­beln­de Ener­gie soll­te es wert sein.

Andre­as Kieß­ling

Wir­beln­de Ener­gie

Ver­si­on 1.0, Stand 06. Mai 2017

Andreas Kießling
Über Andreas Kießling 38 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.

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