Wirbelnde Energie

Wirbelnde Energie

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

Kommentar verfassen

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert

drei × 3 =