© 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V.
Werbung
© 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Gleich sehen Sie: SA, 19.01.2008 – LIVE-VORTRAG BEGINN: 19.00 UHR THEMA: „ENERGIEERZEUGUNG DER SONNE“ WARUM IST UNSERE SONNE SO UNGLAUBLICH HEIß UND WOHER NIMMT SIE DIE ENERGIE DAZU? IN DIESEM VORTRAG WIRD EINFACH UND ANSCHAULICH ERLÄUTERT, WIE DAS „KRAFTWERK SONNE“ FUNKTIONIERT. REFERENT: WERNER VOLMER Energieerzeugung in der Sonne Werner Volmer Volkssternwarte Hagen e.V. Herzlich Willkommen © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Energieerzeugung unserer Sonne Warum ist unsere Sonne so heiß und woher nimmt sie die Energie dazu? Wie funktioniert das Kraftwerk Sonne? © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Energieerzeugung unserer Sonne Kurze Geschichtliche Betrachtung der Sonnenforschung. Die Sonnengötter, erste Beobachtungen mit dem Fernrohr, die Frage nach der Energiequelle Was für ein Stern ist unsere Sonne? Physikalischen Parameter, Aufbau der Sonne Warum leuchtet die Sonne? Planksches Strahlungsgesetz, Massendefekt, Proton-Proton-Zyklus…. Die Sonne eine Quelle unerschöpflicher Energie? Energieerzeugung und Zukunft © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Das normale Erscheinungsbild der Sonne am Taghimmel © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Schauen Sie nie ungeschützt in die Sonne. Benutzen Sie geeignete Filter oder die ungefährliche Projektionsmethode. Bei ungeschützter Betrachtung der Sonne riskieren Sie Augenschäden bis zur vollständigen Erblindung. Dies gilt auch für die Beobachtung mit bloßem Auge!!! © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Geschichtliche Betrachtung der Sonnenforschung Echnaton mit Familie in Anbetung von Aton (um 1350 vor Christus) Sonnenwagen von Trundholm (Bronzezeit, um 1400 v.Chr.) Die Verehrung der Sonne als Gott ist für einige Wissenschaftler der Ursprung des Monotheismus (ein allmächtiger Gott). Die Sonnenscheibe Aton © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Geschichtliche Betrachtung der Sonnenforschung Die Himmelscheibe von Nebra wurde wahrscheinlich 1600 v.Chr. vergraben und im Jahre 1999 von Raubgräbern gefunden. Sie gilt als die weltweit älteste konkrete Himmelsdarstellung und als einer der wichtigsten archäologischen Funde aus dieser Epoche. Die wissenschaftlichen Untersuchungen lassen einen kultischen Gebrauch der Scheibe vermuten. Die Himmelsscheibe von Nebra (2100 v.Chr. bis 1700 v.Chr. © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Geschichtliche Betrachtung der Sonnenforschung Die gehobene Stellung der Sonne als Gottheit mag mit der Erkenntnis zusammenhängen, dass alles Leben auf der Erde von der Sonne abhängig ist. Fragen nach dem Wesen der Sonne kamen nicht auf oder wurden unterdrückt. Selbst Galilei bekam noch Schwierigkeiten mit der Obrigkeit als er seine Beobachtungen der Sonnenflecken veröffentlichte. Die „göttliche“ Sonne muss ein reines Antlitz haben und kann doch nicht schmutzig sein. © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Geschichtliche Betrachtung der Sonnenforschung Mit der Entwicklung der Thermodynamik im 19. Jahrhundert und der damit verbundenen Einführung des Energiebegriffs in die Wissenschaft dachte man auch über die Energieerzeugung in der Sonne nach. Das große Räthsel liegt jedoch darin, wie eine so ungeheure Verbrennung (wenn eine solche wirklich auf der Sonne Statt findet) unterhalten werden kann. Jede Entdeckung der Chemie läßt uns hier völlig im Stich oder scheint uns vielmehr die Aussicht auf eine genügende Erklärung ferner zu rücken. John Herrschel (1792 – 1871) © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Geschichtliche Betrachtung der Sonnenforschung Um der Energieerzeugung der Sonne auf die Spur zu kommen, musste man erst einmal die genaue Masse der Sonne kennen. Isaac Newtons (1643 – 1727) Gravitationsgesetz erklärte die universelle Gravitation und die Bewegungsgesetze, der auch die Planetenbahnen unterliegen, enthielt aber noch eine Konstante, die noch nicht experimentell bestimmbar war. Dem Engländer Henry Cavendish gelang es 1798 in einer diffizilen Messung die Gravitationskonstante mittels einer Drehwaage zu bestimmen. Isaac Newton © 2008 Werner Volmer Henry Cavendish Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Geschichtliche Betrachtung der Sonnenforschung Zuerst dachte man an einen Verbrennungsprozess! Hält ungefähr 3000 Jahre Dann Massenzuwachs durch Meteoriten und Kometen! 2000 Milliarden Tonnen/s, würde die Planetenbahnen langsam ändern Schließlich Gravitationsenergie! Bisher 22 Millionen Jahre und noch 17 Millionen Jahre (Helmholtz) © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Geschichtliche Betrachtung der Sonnenforschung Und dann kamen die Geologen und die Saurier, die eine wesentlich längeren Zeitraum für das Alter der Erde einforderten. Das Alter der Erde wurde auf mindestens 100 Millionen Jahre festgelegt. Versteinerung des Archaeopterix Grand Canyon © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Geschichtliche Betrachtung der Sonnenforschung Eine viel ergiebigere Energiequelle musste gefunden werden. Die Frage nach dem Energiereservoir der Sonne wurde noch brennender als Antonine Henri Becquerel (1852 – 1908) die Radioaktivität entdeckte. Jetzt konnte man durch die radioaktiven Altersbestimmungen das Alter der Erde besser bestimmen. Plötzlich waren es 1,5 Milliarden Jahre und keine Energiequelle in Sicht…. Henry Becquerel © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Geschichtliche Betrachtung der Sonnenforschung Und dann kam…. Ein kleines Ratespiel! Geboren 1879 in Ulm. Arbeitete im Patentamt. Genau: Albert Einstein Im Jahre 1905 stellte Albert Einstein (1879 – 1955) seine Spezielle Relativitätstheorie auf. Er formulierte seine berühmte Formel E = m*c2 © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Geschichtliche Betrachtung der Sonnenforschung Mit E = m*c2 gab es jetzt die Erklärung für eine schier unerschöpfliche Energiequelle. Masse kann in Energie umgewandelt werden und umgekehrt. 1g Materie entspricht dabei 25 Millionen Kilowattstunden. Zum Glück kann man Materie nicht einfach so in Energie umwandeln. Immer nur ein kleiner Teil der Materie kann durch Kernprozesse in Energie umgewandelt werden. © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Unsere Sonne Physikalische Parameter Durchmesser Entfernung Erde – Sonne Rotationsperiode Spektralklasse Oberflächentemperatur Kerntemperatur Durchschnittliche Dichte Dichte im Kern Dichte an der Oberfläche Masse Massenverlust durch Strahlung Massenverlust durch Sonnenwind Gesamtenergieerzeugung Solarkonstante © 2008 Werner Volmer : 1,392 Millionen km : 149,6 Millionen Km : 27 bis 31 Tage : G2V : 5700 K : 15 Millionen Kelvin : 1,408 g/ccm : 134 g/ccm : 2 * 10 -7 g/ccm : 1,9884·1030 kg : 4,295·109 kg/s : etwa 1·109 kg/s : 3,86·1026 W : 1,374 kW/qm Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Unsere Sonne Die im Kern der Sonne entstandene Strahlung geht auf eine Millionen Jahre dauernde Reise. © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Warum leuchtet unsere Sonne? Weil sie so heiß ist!! Jeder Körper, dessen Temperatur über dem absoluten Nullpunkt liegt, sendet Wärmestrahlung aus. Max Planck (1858 – 1947) verband die Strahlungsgesetze aus der klassischen Physik durch Einführung der „Quantelung“ miteinander. Mit dem Planckschen Strahlungsgesetz konnten alle Messungen in Einklang gebracht werden. Max Planck © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Warum leuchtet unsere Sonne? Plancksches Strahlungsspektrum mit gekennzeichnetem optischen Bereich © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Warum leuchtet unsere Sonne? Doppelt logarithmische Darstellung des Strahlungsspektrums. Dadurch liegen die Maxima auf einer Linie. => Wiensches Verschiebungsgesetz. © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Die Kernfusion im Innern der Sonne Um die gewaltige Energieabstrahlung der Sonne über so einen großen Zeitraum zu gewährleisten, braucht es einen sehr „energiereichen“ Prozess im Innern der Sonne. Die Kernfusion! Proton-Proton-Zyklus Beim so genannten Proton-Proton-Zyklus werden 4 Wasserstoffkerne zu einem Heliumkern verschmolzen. Dabei wird Energie in Form von Gammaquanten frei. © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Die Kernfusion im Innern der Sonne Proton-Proton-Zyklus Startreaktion: Zwei Protonen verschmelzen zu einem Deuteriumkern unter Abgabe eines Positron und eines Neutrino. Darauf muss ein Proton durchschnittlich 14 Milliarden Jahre warten. © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Die Kernfusion im Innern der Sonne Proton-Proton-Zyklus Folgereaktion: Ein Proton und ein Deuteriumkern verschmelzen zu einem leichten Heliumisotop 3He unter Abgabe eines Gammaquants. Darauf muss der Deuteriumkern nur durchschnittlich 1,4 Sekunden warten. © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Die Kernfusion im Innern der Sonne Proton-Proton-Zyklus Endreaktion: Zwei Heliumisotope 3He verschmelzen zu einem Heliumkern unter Abgabe zweier Protonen. Darauf muss ein Heliumisotop 3He durchschnittlich 1 Millionen Jahre warten . © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Die Kernfusion im Innern der Sonne Proton-Proton-Zyklus Zusammenfassung: 1H+ + 1H+ → 2H+ + e+ + νe + 0,42 MeV 14 Milliarden Jahre 2H+ + 1H+ → 3He2+ + γ + 5,49 MeV 1,4 Sekunden 3He2+ +3He2+ → 4He2+ + 1H+ + 1H+ + 12,86 MeV 1 Millionen Jahre Vier Wasserstoffkerne verschmelzen zu einem Heliumkern. Dabei wird Energie frei. Das Positron aus Schritt eins und ein Elektron annihilieren. Energiebilanz: 2×(0,42 MeV + 1,022 MeV + 5,49 MeV - 0,26 MeV) + 12,86 MeV = 26,204 MeV 1 eV = 1,602 176 462(63) · 10-19 J © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Die Kernfusion im Innern der Sonne Proton-Proton-Zyklus Wieso wird bei der Umwandlung von Wasserstoff in Helium Energie frei? Weil vier Wasserstoffkerne leichter sind als ein Heliumkern sind. Das ist der so genannte Massendefekt. Die Masse eines Protons beträgt 1,007276 u, die eines Neutrons 1,008665 u. Der Kern von Helium 4He besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Diese wiegen zusammen 4,03188 u, der 4He-Kern jedoch nur 4,00151 u, d.h., dass der Massendefekt hier etwa 0,8% der Ausgangsmasse beträgt. © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Die Kernfusion im Innern der Sonne Proton-Proton-Zyklus Problem: Die Wasserstoffkerne sind positv geladen und stoßen sich somit ab. Die Teilchen brauchen eine Energie von 1000 keV um diese Abstoßung (Coulomb-Barriere) zu überwinden und in den Bereich der Kernkraft zu kommen, die 100 mal stärker ist als die elektromagnetische Kraft, aber nur eine geringe Reichweite hat. Der hohe Druck und die hohe Temperatur im Innern der Sonne sorgen dafür, daß die Teilchen eine mittlere kinetische Energie von 1 keV haben. Das ist viel zu wenig um die Coulomb-Barriere zu überwinden. © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Die Kernfusion im Innern der Sonne Proton-Proton-Zyklus Lösung: Nicht alle Teilchen haben die gleiche kinetische Energie. Einige Teilchen haben deutlich mehr Energie. => Maxwell-Boltzmann-Verteilung Leider reicht die Anzahl der Teilchen mit hohen Energien nicht aus, um die hohe Energieleistung der Sonne zu erklären. © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Die Kernfusion im Innern der Sonne Proton-Proton-Zyklus Noch eine Lösung: Der Tunneleffekt Der Tunneleffekt ist der quantenmechanische Effekt, der Teilchen die Überwindung endlicher Potentialbarrieren erlaubt, welche nach den Vorstellungen der klassischen Physik für diese Teilchen unüberwindbar wären. © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Die Kernfusion im Innern der Sonne Proton-Proton-Zyklus Auf diese Weise wandelt die Sonne ca. 400 Millionen Tonnen Wasserstoff in Helium um. Dabei verliert die Sonne 4 Millionen Tonnen Materie pro Sekunde. Die Sonne hat bisher 87 Erdmassen in Energie umgewandelt. Die Masse der Sonne entspricht über 300.000 Erdmassen. Neben dem Proton-Proton-Zyklus gibt es in der Sonne weitere Kernreaktionen, die aber kaum zur Energieerzeugung beitragen. Unter anderem handelt es sich noch um den Bethe-WeizsäckerZyklus (CNO-Zyklus). © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Die Kernfusion im Innern der Sonne Bethe-Weizsäcker-Zyklus Der Bethe-Weizsäcker-Zyklus ist eine der beiden Fusionsreaktionen des so genannten Wasserstoffbrennens, durch die Sterne Wasserstoff in Helium umwandeln; die andere ist die Proton-Proton-Reaktion. Der Kohlenstoffkern dient hier als Katalysator. © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Bethe-Weizsäcker-Zyklus © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Die Kernfusion im Innern der Sonne Bethe-Weizsäcker-Zyklus 12 C + 1H→ 13N + γ+ 1,95 MeV 1,3·107 Jahre 13 N→ 13C + e+ + νe+ 1,37 MeV 7 Minuten 13 C + 1H→ 14N + γ+ 7,54 MeV 2,7·106 Jahre 14 N + 1H→ 15O + γ+ 7,35 MeV 3,2·108 Jahre 15 O→ 15N + e+ + νe+ 1,86 MeV 82 Sekunden 15 N + 1H→ 12C + 4He+ 4,96 MeV 1,12·105 Jahre Energiebilanz: 26,05 MeV 25,03 MeV aus den Fusionen plus 1,02 MeV aus der Positron-Elektron annihilation. © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Die Kernfusion im Innern der Sonne Bethe-Weizsäcker-Zyklus Die beiden Kernfusionsprozesse des Wasserstoffbrennens, der ProtonProton-Zyklus und der Bethe-Weizsäcker-Zyklus, „verbrennen“ Wasserstoff zu Helium. Bei den in der Sonne vorherrschenden Temperaturen ist der Proton-Proton-Zyklus zu 98% an der Energieerzeugung beteiligt. Erst in ca. 2 Milliarden Jahren reicht der Wasserstoffgehalt im Innern der Sonne für weitere Kernfusionen des Wasserstoffbrennens nicht mehr aus. Dann wird die Sonne sich verändern und damit auch noch weitere Möglichkeiten der Kernfusion für sich eröffnen. Aber das ist eine andere Geschichte…. © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Die Kernfusion im Innern der Sonne Wasserstoffbrennen Zusammenfassung: Proton-Proton-Zyklus Energiegewinn: Dauer: Temperatur: Temperaturabhängigkeit: Anteil an der Energieerzeugung: © 2008 Werner Volmer Bethe-Weizsäcker-Zyklus 26,204 MeV 14 Milliarden Jahre 10 – 16 Millionen K 26,05 MeV 3,4 Millionen Jahre > 14 Millionen K (ab 30 Millionen K vorherrschend) ~ T6 (5% => 35%) ~ T15 (5% => 108%) 98% 2% Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Die Kernfusion auf der Erde Fusionsreaktoren Der Versuchsreaktor ITER (Internationale Thermonukleare Experimentelle Reaktor) Leistung: 500 MW Kosten: ca. 10 Mrd. Euro © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. Die Kernfusion auf der Erde Wasserstoffbomben Der „Atompilz“ einer Wasserstoffbombe Energie: 30 MT TNT Massenumwandlung: ca. 1400 g © 2008 Werner Volmer Powered by Volkssternwarte Hagen e.V. e.V. VIELEN DANK FÜR IHR INTERESSE – BLEIBEN SIE NEUGIERIG ! ☺ Volkssternwarte Hagen e.V. VOR 400 JAHREN FAND DIE ERSTE HIMMELSBEOBACHTUNG MIT EINEM FERNROHR STATT. DIE 62. VOLLVERSAMMLUNG DER VEREINTEN NATIONEN HAT DESHALB DAS JAHR 2009 ZUM INTERNATIONALEN JAHR DER ASTRONOMIE (IYA2009) ERKLÄRT. Und hier unsere nächsten Veranstaltungen für Sie: Mi, 23.01.08 - MultimediaMultimedia-Programm Beginn: 19.00 Uhr Thema: „Mars - unser kosmischer Nachbar“ Der Mars, ein Nachbarplanet unserer Erde, ist der vierte Planet in unserem Sonnensystem. Mit dem bloßen Auge sieht er aus, wie ein rot-braun leuchtender Stern und in einem Teleskop sieht man Oberflächenstrukturen aus Sand und Gestein. Da der Mars in diesem Monat am Abendhimmel sichtbar ist kann er, im Anschluss an die Multimedia-Show und bei gutem Wetter beobachtet werden. Sa, 26.01.08 - Kinderveranstaltung Beginn: 19.00 Uhr Thema: „Mit Saus und Braus um unsere Sonne“ Die Sonne ist eigentlich ein Stern wie jeder andere am Himmel. Trotzdem ist sie für uns etwas ganz besonderes, denn ohne sie wäre auf der Erde kein Leben möglich. Zusammen mit „Saus und Braus“ lernt ihr kennen, wie unsere Sonne funktioniert und warum sie so heiß ist. Jeweils im Anschluss Himmelsbeobachtung (nur bei klarem Himmel) bzw. Besichtigung der Sternwartengebäude … und unser nächster Live-Vortrag: SA, 02.02.2008 - LIVE-VORTRAG BEGINN: 19.00 UHR THEMA: „DER WINTERLICHE STERNENHIMMEL“ BESONDERS IN DER ZEIT DER „LANGEN NÄ NÄCHTE“ CHTE“ SIND VIELE SCHÖ SCHÖNE OBJEKTE AM STERNENHIMMEL ZU BEOBACHTEN. EIN PARADEOBJEKT IST Z.B. DER GROß GROßE ORIONORION-NEBEL IM STERNBILD ORION, WELCHEN MAN SCHON MIT DEM BLOß BLOßEN AUGE ERKENNEN KANN. DER VORTRAG GIBT EINE ORIENTIERUNG ZUR BEOBACHTUNG BEOBACHTUNG DES WINTERLICHEN STERNENHIMMELS. (REFERENT: ROLAND RODE) IM ANSCHLUSS HIMMELSBEOBACHTUNG BZW. BESICHTIGUNG DER STERNWARTENGEBÄUDE
