Kurs 2: Klimaentwicklung und neue

Klimaentwicklung und neue Energietechnologien
von l. nach r. : Oben:
Tobias, Christopher, Maximilian, Veronika, Jennifer, Josephine,
Severin, Jonas, Fabian
Unten: Katharina, Barbara, Theresa, Gina
Am Boden (zerstört): Dr. Gerd Breitenbach, Klaus Hueck
Gemeinsam mit unseren beiden Leitern Dr. Gerd Breitenbach und Klaus Hueck
haben wir zwei hochinteressante Wochen voller Physik und Experimenten hier
in Lindau verbracht. Neben zahlreichen Referaten über Themen wie
„Astronomische Grundlagen“, „Das Elektroauto“ bis hin zur „Kernfusion“, die
die Teilnehmer bereits zuhause vorbereitet hatten, kam auch die Praxis nicht zu
kurz. Täglich beobachteten wir die aktuellsten Wetterkarten, prognostizierten
die Wetterlage der kommenden Tage und beobachteten Wolken. Sollten wir
letztendlich gutes Wetter analysiert haben, verbrachten wir den Rest des Tages
mit dem Vermessen verschiedenster Solarzellen. Außerdem beschäftigten wir
uns mit den Fraunhofer`schen Linien, Spektroskopie und Mikroskopie.
Die meiste Aufmerksamkeit galt allerdings unserem Hauptprojekt, dem Bau
eines solar-thermischen Kraftwerks. Sobald das Wetter es zuließ nutzten wir die
Gelegenheit und betrieben mit Hilfe von Solarenergie, die durch einen
Parabolspiegel fokussiert wurde, einen Stirlingmotor.
Was sich in der Theorie einfach anhört, bereitete uns in der Realität mit dem
Näherrücken des Abschlussabends zunehmend Kopfzerbrechen, da, wie es in
der Physik üblich ist, nicht alles auf die Weise funktionierte, wie es ursprünglich
gedacht war. Letzten Endes glückte der Versuch doch durch das hervorragende
Zusammenspiel von Leitern, Teilnehmenden und Sonnenenergie.
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Spektroskopie – Eine Reise vom Alltag ins Universum
Um die Sonne und die Vorgänge der Emission, und Absorption von Licht, die
auch eine entscheidende Rolle bei der Klimaveränderung spielen, besser
verstehen zu können, haben wir uns im Kurs viel mit Spektroskopie beschäftigt.
In unserer zweiwöchigen Akademiezeit hatten wir die einzigartige Gelegenheit
mit Prismen, einer echten Kirchhoff-Bunsen-Spektral-Apperatur, mehreren
Gradsichtprismenspektrometern, selbstgebastelten Gitterspektrometern und zum
Schluss mit einem elektronischen Spektrometer zu experimentieren. Doch was
ist eigentlich ein Spektrum?
Ein Spektrum ordnet die Bestandteile des Lichts nach Wellenlängen und Somit
Farben und stellt dies Grafisch dar. Für lange Zeit nahm man hier dichtere
Medien als Luft, die durch unterschiedlich starke Beugung der verschiedenen
Wellenlängen des Lichts, dieses in seine Komponenten zerlegten. Heute hat man
dank modernster Technik die Möglichkeit, den selben Effekt digital am
Bildschirm zu beobachten. Hierbei kann man Erkenntnisse über alltägliche
Gegebenheiten, sowie solche über die Zusammensetzung des kompletten
Universums gewinnen. Nun also zunächst zum Alltäglichen.
I.
Alltag
Mit Hilfe wissenschaftlicher Methoden überprüfen wir, ob hoher Preis bei
Sonnenbrillen wirklich hohe Qualität bedeutet. Hierzu benutzen wir unser
Digitales Spektrometer und eine Quecksilberhochdrucklampe.
Der linke Teil des Spektrums besteht aus gesundheitsschädlicher UV-Strahlung,
der durch die Sonnenbrillen sehr gut absorbiert wird. (Obere farbige Linie ist
das gemessene Quecksilberspekrum, die untere dasselbe Spektrum hinter einer
Sonnenbrille).
Die Sonnenbrillen verschiedener Preisklassen wurden getestet, ohne gravierende
Unterschiede der transmittierten Spektren.
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Ferner haben wir uns mit dem für die Präsentationstechnik immer wichtiger
werdenden Laserpointer auseinandergesetzt. Im Gegensatz zu den
Sonnenbrillen haben wir festgestellt, dass hier sehr wohl gemogelt wird. Denn
unser Laser aus Fernost wies neben dem zu erwartenden grünen Wellenbereich
auch einen deutlichen Ausschlag im Bereich der infraroten Wellenlängen auf.
Dies ist zu erklären, da es sich nicht um einen einmodigen grünen Laser handelt,
sondern um die günstigere Infrarotversion, die durch einen
frequenzverdoppelnden Kristall grünes Licht emittieren kann. Warum die IRWellenlänge nicht genau doppelt so lang war wie die grüne blieb uns bis zum
Schluss unerklärlich.
Und nun zum Alltäglichsten unseres Alltags, sie sind für uns schon fast
nicht mehr wegzudenken und fallen uns kaum mehr als täglicher
Wegbegleiter in unserem Leben auf: Die Glühbirne!
Um die Glühbirnen verschiedener Energien zu testen nehmen wir ein
weiteres mal unseren treuen Freund, das Spektrometer zur Hand. Erneut
zeigt es uns die bahnbrechende Erkenntnis in schillernden Farben auf dem
Bildschirm des tragbaren Personalcomputers an. Je energiereicher die
Lichtquelle, desto weiter ist das Spektrum derselben nach links und somit
in den kurzwelligen Bereich verschoben. Dies lässt sich erklären mit
folgender Gleichung: E=h*c/λ → bei sinkender Wellenlänge steigt die
Energie! (Siehe nächste Grafik
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II.
Universum
Und nun – nichts wie ab ins Universum. Als wir einst an einem sonnigen
Hochsommertag mit einem Handspektroskop in die Weiten unseres Weltalls
hinausblickten, mussten wir mit großem Erstaunen feststellen, dass das uns
vorliegende Spektrum scheinbar unvollständig war. Jedoch konnten wir als
erfahrenen Wissenschaftler diese scheinbare mangelnde Perfektion der Natur
nicht einfach auf uns sitzen lassen. Deshalb haben wir uns sofort darangemacht,
in die Fußstapfen des Stifters unseres Instituts zu treten. Besagter großer Mann
hat einst festgestellt, dass die „ mangelnde Perfektion“, in Form von schwarzen
Linien im Spektrum, durch die Elemente, die sich auf dem Weg zwischen Sonne
und unserem geliebten Heimatplaneten befinden, erklären lassen. Dies haben
wir selbstredend augenblicklich nachvollzogen und haben durch die Anregung
gewisser Elemente durch ganz spezielle Wellenlängen, die Teil des Sonnenlichts
sind, und die wiederum durch das Zurückspringen der Elektronen auf eine
niedrigere Schale diese Energie in Form von Licht wieder freigeben, diesmal
jedoch in alle erdenklichen Richtungen, diesen Effekt auf exzellente Art und
Weise erklärt.
In folgender Grafik zeigen sich sowohl die Fraunhofer`schen Linien durch die
Einkerbungen im farbig gekennzeichneten Spektralbereich, als auch oben
erwähnte Messungen verschieden energetischer Glühbirnen.
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Lichtmühle
Wenn normales Licht (Tageslicht, Lampenlicht) auf eine Lichtmühle trifft,
erwärmt sich die schwarze Fläche stärker als die reflektierende und erzeugt
durch die sich erwärmende Restluft in der Glaskugel eine Bewegung
thermischen Ursprungs, sodass sich die schwarze Fläche vom der Lichtquelle
weg dreht.
Um zu beweisen, dass auch die Photonen des Lichts Bewegungsenergien
besitzen haben wir einen starken Laser auf die Mühle gestrahlt. Auf Grund
dieser Energie dreht sich die Lichtmühle in Strahlrichtung des Lasers. Der
Impuls des Lichts wird auf die Lichtmühlenflügel übertragen. So kann man die
Mühle sowohl rechts- als auch linksherum laufen lassen.
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Wasser kochen im Vakuum
Wir haben ein Glas Wasser mit der Temperatur von ca. 20°C in die Glocke einer
Vakuumpumpe gestellt. Der Druck in der Glocke wird kleiner, dadurch wird der
Siedepunkt herabgesetzt. Das Wasser beginnt deshalb schon bei Zimmertemperatur zu kochen. Bei Normaldruck siedet Wasser erst bei 100°C.
Dies ist auch der Grund dafür, dass man auf einem hohen Berg zwar Eier
kochen kann, diese aber nicht gar werden, da die Wassertermperatur weit unter
100° C bleibt.
Mit dieser Vakuumpumpe konnten wir ebenfalls beweisen, dass Tupperware
luftdicht verschließt.
Luftfeuchtigkeit
Im vorigen Versuch haben wir gesehen, dass die Temperatur bei der Wasser
kondensiert / siedet von dem Druck abhängt. Dies nutzen wir, um die
Luftfeuchtigkeit unseres Klassenraumes zu bestimmen.
Um festzustellen wie hoch die relative Luftfeuchtigkeit ist, haben wir einen
Versuch durchgeführt, um diese zu bestimmen. Deshalb haben wir ein Stück
glattes Kupferblech mithilfe eines Peltierelements solange abgekühlt, bis auf
dem Blech Wasser kondensiert ist und dort die Temperatur bestimmt. Dann
haben wir mit Hilfe der Dampfdruckkurve von Wasser aus dieser Temperatur
die relative Luftfeuchtigkeit errechnet.
Alle Punkte die unter dem Graphen liegen, stellen gasförmiges Wasser,
diejenigen, die über diesem liegen, flüssiges Wasser dar. Je höher die
Temperatur, desto höher die Energie der Teilchen, je höher der Druck, desto
fester werden sie zusammengepresst. Die relative Luftfeuchtigkeit ermittelt man
aus dem Anteil von aktuellem Luftdruck zu dem, der vorherrschen müsste,
damit das Wasser bei aktueller Temperatur siedet. In obiger Messung ergibt
sich ein Verhältnis 13,5 bar / 25,5 bar das heißt wir haben ca 50 % relative
Luftfeuchtigkeit.
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Vermessung der Sonneneinstrahlung: Die Solarkonstante
Mit diesem Versuch haben wir die Energie die die Sonne pro Quadratmeter
einstrahlt berechnet. Dies ist sowohl wichtig, wenn wir uns Gedanken über eine
solare Energieversorgung machen, als auch für die Klimaentwicklung, da die
Sonne den wichtigsten Beitrag zu unserem Erdenklima liefert.
Temperatur einer von der Sonne beschienenen Herdplatte
Senkrechter Einfall der Strahlen
60
55
T in °C
50
45
40
35
30
25
37
35
33
31
29
27
25
23
21
19
17
15
13
11
9
7
5
3
1
20
t in min
Der Versuch verlief wie folgt: Man stellt eine einfache kleine Herdplatte
senkrecht zur Sonne und misst mit einem Haushaltsthermometer ihre
Temperaturentwicklung (damit die Temperatur exakt gemessen werden kann,
bringt man eine Wärmepaste auf die Herdplatte auf, damit ein guter
Wärmekontakt entsteht) . Nach ca.30min. kann man den Versuch beenden und
die Messergebnisse in eine Tabelle übertragen. Anschließend rechnet man diese
Temperatur in eine Leistung um. Hierfür haben wir die abgekühlte Herdplatte
elektrisch erhitzt und dabei Strom und Spannung gemessen. Mit Hilfe der Fläche
der Herdplatte (A=Πr2 ) und den Messwerten der elektrischen Leistung(P=UI),
die man braucht um die Herdplatte auf dieselbe Endtemperatur zu erhitzen(P/A)
ergibt sich eine Einstrahlungsleistung der Sonne von 970W/m². Dieser Wert
entspricht sehr gut den Messwerten, die Wissenschaftler mit aufwändigeren
Verfahren bestimmen.
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Eine Solarzelle vermessen
Das Material aus dem eine Solarzelle besteht, ist ein Halbleiter. Dieser wird erst
leitend, wenn das Sonnenlicht den Elektronen genug Energie zuführt, damit
diese sich frei bewegen können. Wenn man ihn zusätzlich geschickt dotiert,
kann man einen Halbleiter nicht nur leitend machen, sondern zur
Stromerzeugung nutzen.
Um eine Solarzelle besser zu verstehen, haben wir sie zuerst vermessen. Das
haben wir erst einmal anhand von Schülermodellen geübt, bevor wir mit unseren
Forschungszellen gearbeitet haben.
Natürlich mussten wir auch darauf achten das die Solarzelle im rechten Winkel
zu einer Lichtquelle steht, die diese mit gleichbleibender Intensität bestrahlt.
Bei der Vermessung des Kupfer-Indium-Diselenid-Solarpanels, das uns die
Firma Würth für diesen Workshop eigens geschenkt hat, schalteten wir
einen veränderbaren Widerstand in Reihe. Ist der Widerstand sehr hoch,
fließt kein Strom (Leerlaufspannung), ist der Widerstand Null fließt ein
maximaler Kurzschlussstrom. In einem Diagramm haben wir darauf
verschiedenen Spannungen, die wir durch den Widerstand verändert haben,
je eine bestimmte Stromstärke zugeordnet. Aus den Messergebnissen ergibt
sich nach der Formel P=U*I eine maximale Leistung der Solarzelle. Diese
entspricht der markierten Fläche unter dem Graph (Diagramm 1). Wenn wir
nun P in Abhängigkeit von dem von uns veränderbaren Widerstand
betrachten (Diagramm 2), wissen wir wie groß wir diesen wählen müssen,
um die Solarzelle mit maximaler Effizienz betreiben zu können.
CIS-Panel
800
700
I in mA
600
500
400
Reihe1
300
200
100
0
0
5
10
15
U in V
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20
25
Leistungsdiagramm
10,0
9,0
8,0
P in W
7,0
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
0
5
10
15
U in V
Das Ergebnis in Zahlen:
Fläche des CIS-Panels: 0,10678m²
Gemessene Leistung pro m²: 87,71W
Gemessene Leistung der Sonne pro m²: 970 W
Wirkungsgrad: 9,04 %
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25
Vermessung einer Silizium-Solarzelle ohne Beleuchtung:
Vermisst man eine Solarzelle ohne Beleuchtung einfach durch Verändern einer
angelegten Spannung ergibt sich eine Diodenkennlinie.
Strom-Spannungs-Kennlinie
0,45
0,4
0,35
0,3
I in mA
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
-5
-0,05 0
5
U in V
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15
Unser Dish-Stirling Kraftwerk
Schon beim Vorbereitungswochenende haben wir uns Gedanken über ein
größeres Projekt für die Sommerakademie gemacht. Der Vorschlag unserer
Kursleiter, Klaus und Gerd, wurde einstimmig angenommen: Der Bau eines
Dish-Stirling Kraftwerkes! Schon im Vorfeld hatten Gerd und der
hochmotivierte Klaus die einzelnen Bauteile besorgt und sich Gedanken über
den Ablauf gemacht.
Viele Kursteilnehmer waren sich jedoch bis zur Sommerakademie nicht im
Klaren, was eigentlich ein Dish-Stirling Kraftwerks ist: Ein Dish-Stirling
Kraftwerk ist ein solarthermisches Kraftwerk, dass über
den Konzentrator die Sonneneinstrahlung aufnimmt
und auf einen Punkt fokussiert reflektiert. Dieser Punkt
befindet sich auf dem vorderen Teil des Stirlingmotors,
der mit Gas oder Luft gefüllt ist, die schließlich durch
die reflektierte Sonnenstrahlung erhitzt wird. Durch die
Ausdehnung warmer Luft wird der Kolben des
Stirlingmotors nach hinten bewegt und diese warme
Luft wird bei der vorwärts Bewegung des Kolben in den hinteren Teil des
Motors gedrückt. Dort kühlt sie ab und kontrahiert. Der Kolben bewegt sich
zurück und der Kreislauf beginnt von vorne.
Nachdem wir voller Spannung in den Sommerferien in Lindau angekommen
sind, fingen wir prompt mit der Realisierung der Dish-Stirling Anlage an. Da
das Wetter fantastisch war, gingen wir in den Vorgarten der Schule und haben
eine SAT-Schüssel zu einem Konzentrator umfunktioniert. Dazu haben wir eine
Rettungsdecke auf die SAT-Schüssel geklebt und nebenbei über die besondere
Eigenschaft eines Parabolspiegels philosophiert.
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MINI_INIT()
Schwelle = 50
Schwelle1 = -Schwelle
Nacht_Schwelle = 900
Wolken_Schwelle = 700
Do While True
'Endlosschleife für Abfrage
ADC_Set(ADC_VREF_VCC,0)
Wert_Rechts = ADC_Read()
'Wert des rechten LDR auslesen
Msg_WriteText("Rechts: ")
Msg_WriteInt(Wert_Rechts)
ADC_Set(ADC_VREF_VCC,1)
Wert_Links = ADC_Read()
'Wert des linken LDR auslesen
Msg_WriteText("
Links: ")
Msg_WriteInt(Wert_Links)
Differenz = Wert_Links - Wert_Rechts
'Bildung der Differenz der Messwerte
If (Differenz <= -20) Then
'Setzen des Status
Status = 2
ElseIf (Differenz >= 20) Then
Status = 1
Else
Status = 0
End If
Msg_WriteText("
Status: ")
Msg_WriteInt(Status)
Msg_WriteChar(13)
Mittelwert = ((Wert_Links + Wert_Rechts)/2)
If Mittelwert >= Wolken_Schwelle And Mittelwert <= Nacht_Schwelle Then
Status2 = 2
ElseIf Mittelwert >= Nacht_Schwelle Then
Status2 = 1
ElseIf Mittelwert < Wolken_Schwelle Then
Status2 = 0
End If
If Status2 = 1 Then
Msg_WriteText("Nacht Schwelle")
Msg_WriteChar(13)
Port_WriteBit(RELAY_1,ON)
'Motor starten
Port_WriteBit(RELAY_2,OFF)
'Relais K2 Schalten -> links
Do While Bit
'Überprüfen ob Schalter schaltet
Port_WriteBit(PD3,1)
'wenn ja -> Schleife beenden/Motor stoppen
Bit = Port_ReadBit(PD3)
AbsDelay(20)
End While
Port_WriteBit(RELAY_1,OFF)
'Motor stoppen
Msg_WriteText("Nacht-Position erreicht")
Msg_WriteChar(13)
ElseIf Status2 = 2 Then
Port_WriteBit(RELAY_1,OFF)
'Motor stoppen
AbsDelay(600)
Msg_WriteText("Wolken Schwelle")
Msg_WriteChar(13)
ElseIf Status2 = 0 Then
If Status = 1 Then
Port_WriteBit(RELAY_1,ON)
'Motor starten
Port_WriteBit(RELAY_2,OFF)
'Relais K2 Schalten -> links
'AbsDelay(200)
ElseIf Status = 2 Then
Port_WriteBit(RELAY_1,ON)
'Motor starten
Port_WriteBit(RELAY_2,ON)
'Relais K2 Schalten -> rechts
'AbsDelay(200)
ElseIf Status = 0 Then
'Motor stoppen
AbsDelay(1000)
Port_WriteBit(RELAY_1,OFF)
AbsDelay(200)
End If
End If
'AbsDelay(200)
'Pause von 200ms um "Zittern" zu verhindern
End While
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Am nächsten Tag ging es dann schon weiter, indem sich einige Schüler mit dem
Gerüst für den Stirlingmotor und andere mit der Nachführeinrichtung, sprich der
Überlegung, wie der Konzentrator sich zu jeder Tageszeit zur Sonne ausrichtet,
beschäftigt haben.
Damit das Kraftwerk sich auf die Sonne fokusiert,
haben wir schließlich dank Christopher und Klaus, die
sich sehr gut mit Computern auskennen, ein hoch
professionelles Programm zur Nachführung des
Kraftwerks nach der Sonne, erstellt und nach mehreren
Anläufen in einem Mikrokontroller gespeichert.
Am Schluss haben wir die einzelnen Komponenten miteinander verbunden: Der
Stirlingmotor wurde mit seinem Gerüst vor den Konzentrator gesetzt und die
Schaltung mit den Photowiderständen hinter dem Parabolspiegel verdrahtet.
Um die Flexibilität der Anlage zu verbessern, wurde die
Anrichtung noch an einem Rolltisch befestigt. Dies
ermöglichte uns die kontinuierliche Umplatzierung des
Projekts.
Doch irgendwie wollte es nicht funktionieren.
Die Sonneneinstrahlung war so groß, dass der Stirlingmotor versagte
und somit geriet unser Projekt in Zweifel. Die Lösung war schließlich
eine Kupferplatte, die wir zur einem Trichter verformt haben und mit
einem Edding schwarz ausgemalt haben, um die Absorption zu
optimieren.
Doch nun hat uns der hintere Teil des Stirlingmotors Probleme bereitet.
Der Stirlingmotor war wegen der hohen Temperatur nicht mehr in der
Lage die aufgewärmte Luft abzukühlen um den Prozess fortzuführen.
Aus Zeitgründen haben wir Eiswürfel an den Motor gehalten, der das
Gehäuse uns somit auch die Luft abgekühlt hat.
An unserem letzten gemeinsamen Tag haben wir noch ein letztes Mal versucht
unser Kraftwerk in Gang zu setzten und dieses Mal hat es endlich funktioniert!
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Das Elektronenstrahlrohr
In einem Fusionsreaktor werden Atomrümpfe auf eine Kreisbahn beschleunigt,
um ihnen Energie zur Fusion zuzuführen. Um die Funktionsweise eines solchen
Fusionsreaktors zu erklären, haben wir mit Hilfe eines Magneten den
Elektronenstrahl in einem Elektronenstrahlrohr abgelenkt. Je näher der Magnet
war, desto größer war die Ablenkung des Strahls. Wenn man statt eines
Magnetes ein Paar Helmholzspulen mit einer bestimmten Spannung nimmt,
erhält man ein sehr homogenes Magnetfeld, so dass man die Elektronen auf
eine Kreisbahn bringen kann. Je größer die angelegte Spannung, desto kleiner
die Kreisbahn.
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Wetterkarten
1.August 2010
2.August 2010
3. August 2010
4. August 2010
Seite 15 von 18
5. August 2010
6. August 2010
7. August 2010
8. August 2010
Seite 16 von 18
9. August 2010
10. August 2010
11. August 2010
12. August 2010
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Als wir ankamen hatten wir einigermaßen schönes Wetter, dies änderte sich aber
schnell, da sich eine Kaltfront von den Alpen näherte und uns schließlich
schlechtes Wetter brachte. Kaum war diese vorbei, hatten wir kurzzeitig zu
Beginn des Grillens (04-08-2010) einen wunderschönen blauen Himmel. Jedoch
bescherte uns die zweite Kaltfront einen nächtlichen Regenschauer.
Das Wetter besserte sich aber erst wieder am 8. August und schenkte uns
mehrere schöne Tage, die wir sehr genossen.
An den letzten Tagen zog eine dritte Kaltfront auf, die uns den Abschied etwas
erleichterte.
Abschließend möchten wir uns bei unseren Kursleitern, sowie der gesamten
Akademieleitung für diese lehrreichen und spannenden zwei Wochen bedanken.
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