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
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