Energiegewinnung aus dem elektrischen Feld der Erde

Energiegewinnung aus dem
elektrischen Feld der Erde
von
Elias Most
Schema von Ballonkollektoren zur Gewinnung von Strom aus dem elektrischen
Feld der Erde nach Dr. Paulsen. Science and Invention,1922
WEIRD SCIENCE CLUB
DARMSTADT
an der
Lichtenbergschule
Europaschule, MINT-Excellence Center,
Internationale Begegnungsschule
Ludwigshöhstr. 105
64285 Darmstadt
I. Zusammenfassung
In Zeiten verknappender Energieressourcen, mit denen gleichzeitig ein
starker Energiepreisanstieg verbunden ist, werden dringend alternative
Energiequellen gesucht. Dieser Aufsatz befasst sich mit der Möglichkeit
Energie in wirtschaftlichem Umfang aus dem E-Feld der Erde zu
beziehen, weil die Verfügbarkeit des Erdfeldes überall gegeben ist und
die Materialkosten sich in Grenzen halten. Anfangs wird durch einige
Rechnungen gezeigt, dass es überhaupt möglich ist. Mit einem
anschließenden Experiment auf dem Schuldach mit einer Apparatur
namens „E-Feld Harfe“, ein Holzgestell das mit einem langen Draht
bespannt war und einer Harfe ähnelte, wurden die theoretischen Werte
überprüft. Dabei wurde eine Spannung von 3 - 3,5 Kilovolt bei einer
durchschnittlichen Stromstärke von 6*10-10 Ampere erreicht.
Diese liegt weit unter denen eines Experiments von Plauson aus den
20er Jahren. Allerdings verwendete Plauson mit Radium versehen
Ballons zur Energiegewinnung, bei welchen die gewonnene Energie
eher auf die Wirkungen des radioaktiven Zerfalls zurückzuführen ist.
Es ist auf Grund der erzielten Ergebnisse vollkommen unwirtschaftlich
Energie aus dem Erdfeld zu beziehen, da diese viel zu gering ist um sie
kommerziell zu nutzen.
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Inhaltsverzeichnis
I. Zusammenfassung
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II. Einleitung
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III. Zielsetzung
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IV. Theorie
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V. Die „E-Feld Harfe“
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VI. Ergebnis des Experiments
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VII. Diskussion
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VIII. Danksagungen
IX. Literaturverzeichnis
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3
II. Einleitung
In Zeiten verknappender Energieressourcen, in der fast täglich über
steigende Energie und Erdölpreise berichtet wird, ist die Suche nach
alternativen, am besten regenerativen Energien, da diese nicht nur der
Umwelt zu gute kämen, sondern vor allem in unbegrenztem Maße zur
Verfügung stünden, unumstößlich. Nun stellt sich lediglich die Frage,
was man für neue Energiequellen erschließen könnte, denn es gibt
bereits eine breitgefächerte Palette. Diese Energiequelle sollte am
Besten folgende Voraussetzungen erfüllen: Hohe Verfügbarkeit, leichte
Nutzbarkeit und geringe Materialkosten für die Nutzung.
Von Frankenstein und einem Gewitter inspiriert, kam mir die Idee, dass
man die gewaltige Kraft von Blitzen, oder zumindest die Kraft, die diese
verursacht, nutzbar machen könnte, weil sie unbegrenzt überall auf der
Welt zur Verfügung steht.
Auf diese Idee sind übrigens auch schon mehrere Wissenschaftler
Anfang des letzten Jahrhunderts gekommen, weshalb es auch schon
sehr gute Forschungsergebnisse gibt, auf die ich mich im Weiteren auch
beziehen werde.
III. Zielsetzung
Unter Zuhilfenahme dieser Erkenntnisse, sowie eines eigenen
Experimentes habe ich das elektrische Feld der Erde untersucht, mit
dem Ziel herauszufinden, ob eine wirtschaftliche Energiegewinnung
daraus möglich ist.
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IV. Theorie
Die Erde ist negativ geladen, woraus sich das Erste, das interessant zu
wissen wäre, nämlich die Größe der Ladung der Erde, ergibt. Diese soll
in folgender Rechnung berechnet werden.
Bekannt sind :
N
an der Erdoberfläche zu ihrem Mittelpunkt gerichtet
C
r =6371km Erdradius
C
0 =8,854187817⋅10­12
Vm
E≈200
F=
1⋅Q 1⋅Q2
E=
4 ⋅r
E=
2
1⋅Q
2
4⋅r
⇒
F
Q
Q=4 0⋅r 2⋅E
Nun werden die gegebenen Werte eingesetzt :
Q=4⋅8,85⋅10­12
Q=903241
Nm
V
N
C
⋅6,3712⋅1012 m2⋅200
Vm
C
⇒
Q≈900000C
Das heißt, dass die Erde eine Gesamtladung von -9*105C besitzt, die
gleichmäßig über die Erdoberfläche verteilt ist.
Ihr gegenüber steht die positiv geladene Ionosphäre, in welcher ständig
Luftmoleküle, vorwiegend Stickstoff und Sauerstoff, durch Elektronen
aus den Sonnenwinden ionisiert werden. Die so entstandenen, positiv
geladenen Ionen werden zu Erde hin-, die negativ geladenen Ionen von
der Erde weg beschleunigt.
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Die Beschleunigung dieser Ionen soll anhand einer Beispielrechnung mit
Stickstoff gezeigt werden:
Folgendes ist gegeben :
N
; me =9,109⋅10­31 kg ; e=1,6022⋅10­19 C ;
C
mStickstoff =14⋅1,6605655⋅10­27 kg≈2,325⋅10­26 kg
E=
a=
F
;
m
Es gilt :
E⋅Q
⇒ a=
m
F=E⋅Q
N
­19
200 ⋅1,6⋅10 C
C
a=
­26
2,325⋅10 kg
7
a ≈ 137,6⋅10
=
kg⋅m
kg⋅s 2
200⋅64
N
⋅107
93
kg
⇒ a≈1,376⋅10
9
m
s2
Die Beschleunigung a ist also um ein vielfaches größer als die
Erdbeschleunigung.
Ebenfalls soll die Geschwindigkeit eines solchen Ions berechnet werden.
Dies tut man unter Zuhilfenahme der mittleren freien Weglänge, da diese
in der Ionosphäre mehrere Kilometer beträgt, nehme ich in
Beispielrechnung den Wert 10km.
s=10km : mittlere freieWeglänge
m
a=1,376⋅10­9 2
s
v
v
⇒  t=
a=
a
t
a⋅v
a
s= t 2 ⇒
2
2
2⋅a

2
⇒
v = 2a s
m⋅m
=
v = 2⋅1,376⋅10 ⋅10
s2
6 m
6 km
≈19⋅10
v ≈5,246⋅10
s
h
9
4

m2
2,752⋅10
s2
13
6
Da auf dem Weg zur Erde sowohl der Druck sich ändert und somit die
mittlere freie Weglänge verkürzt wird, als auch Teilchen das Ion auf
seinem Weg zur Erde abbremsen ist die mittlere, zu erwartende
Geschwindigkeit 100 m/s. Sobald sie auf es auf die Erdoberfläche
auftrifft, entlädt es die Erde ein wenig. Somit fließt ein Entladestrom von
ca. 4 pA pro Quadratmeter, ca. 2000A auf der gesamten Erdoberfläche.
Damit sich die Erde nicht entlädt, wird sie von etwa sieben Millionen
Blitzen wieder aufgeladen, diese haben jeweils eine durchschnittliche
Ladung von 25C, dauern aber nur ca. zwei Sekunden.
V. Die „E-Feld Harfe“
Um die theoretischen Ergebnisse zu untermauern und um meine
Zielsetzung zu erreichen, habe ich ein Experiment dazu durchgeführt.
Dazu habe ich eine Konstruktion verwendet, die
wegen ihres Aussehens den Beinamen „E-Feld
Harfe“ bekommen hat. Diese besteht aus
einem Holzgestell mit der Grundfläche eines
Quadratmeters sowie aus einem langen, um
das Gestell gewickelten Kupferdraht. Weil die
Spannung um 200 Volt pro Meter steigt, habe
ich das Experiment auf dem Schuldach
durchgeführt, das mit seinen 15 Metern Höhe
Bild1. Ich samt Experimentaufbau und „EFeld Harfe“ auf dem Schuldach
nahe zu perfekt für mein Experiment geeignet war. Die „Harfe“ befand
sich auf zwei Styroporplatten, die gewährleisten sollten, dass die Ladung
sich durch den Draht, der von der Harfe bis zum Boden gespannt war,
bewegt. Der Draht war am unteren Ende mit einer Metallstange, die im
Boden steckte und so als Erdung diente, verbunden. An diesen Draht,
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war auf dem Dach ein hochempfindliches Amperemeter, das selbst
Ströme von bis zu 10-11 Ampere messen kann, angeschlossen.
VI. Ergebnis des Experiments
Es waren Ströme zu messen, die von mehreren
hundert Pikovolt bis hin zu einem Nanovolt
schwankten. Durchschnittlich wurde ein Strom
von 6*10-10 Ampere gemessen. Die Spannung
schwankte ebenfalls zwischen 3 - 3,5 Kilovolt.
Bild2.Elektrometer:
Messwert 1*3*10-10Ampere
VII. Diskussion
Anfangs hatte ich mir das Ziel gesetzt, festzustellen, ob eine
wirtschaftliche Energiegewinnung aus dem E-Feld der Erde möglich ist.
Mit Blick darauf lässt sich zu dem Experiment folgendes sagen:
Die gemessene Ladung von 6*10-10 Ampere, wobei anzumerken ist,
dass ein solches Ergebnis überdurchschnittlich gut ist, was mit dem
Wetter und der Höhe des Gebäudes zusammenhängt, aber für eine auch
nur annähernd wirtschaftliche Nutzung bei Weitem nicht ausreicht. Sie
würde vielleicht gerade so ausreichen, eine LED zum Glimmen zu
bringen.
Es wurden allerdings auch schon größere Ströme aus dem elektrischen
Feld der Erde gewonnen. Die gelang in den 20er Jahren des letzten
Jahrhunderts dem deutschen Wissenschaftler Dr. Herrmann Plauson. Er
ließ in Finnland einen Ballon, der mit mehreren Metallkollektoren, die auf
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der Oberfläche des Ballons verteilt waren, versehen waren, in 300 Meter
Höhe aufsteigen und erzielte damit eine Spannung von 400 Volt bei 1,8
Ampere. Dieses Ergebnis hört sich zwar sehr vielversprechend an, ist
jedoch mit Vorsicht zu genießen, denn Plauson beschichtete seine
Ballons mit Radium oder Polonium, die durch ihren Radioaktivenzerfall
wohl eher für das hohe Ergebnis verantwortlich sind, da ausgestoßene
Elektronen umherfliegende Luftmoleküle ionisieren die dann wiederum
von dem Ballon eingefangen werden. Auch muss der Ballon eine
gewisse Mindesthöhe haben(h > 100 m). Durch schwankende
Wetterverhältnisse könnte man nur einen sehr stark schwankenden
Strom erzeugen, woraus sich eine nicht vorhandene
Versorgungssicherheit ergibt, die kein Stromkunde hinnehmen würde.
Man könnte auch Hochhäuser als Kollektoren benutzen, weil diese die
nötige Höhe besitzen. Jedoch ergibt sich das Problem der Isolation,
denn das Hochhaus könnte man nicht ohne weiteres vom Boden
isolieren, weil einerseits das Hochhaus durch z.B. Wasser- und
Telefonanschluss wieder geerdet wäre, andererseits die Gefahr eines
Blitzschlags bestünde, der durch fehlende Blitzableiter das Hochhaus in
Brand setzen könnte. Des Weiteren wären die Stromstärken immer noch
zu gering um einen ernsthaften Nutzen daraus zu ziehen.
Ebenfalls wäre mit dem Experiment bewiesen, dass es sich bei der von
den Esoterikern propagandierten Freien Energie nicht um Energie aus
den E-Feld der Erde handeln kann, da diese viel zu gering wäre, um
damit irgendwelche Apparaturen zu betreiben, obgleich sich jene
Gruppierung des öfteren z.B. auf Nikola Tesla und das E-Feld der Erde
beruft.
Damit lässt sich feststellen, dass sich das Prinzip der Energiegewinnung
auf des Erdfeld zwar perfekt für den täglichen Physikunterricht eignet,
aber für eine kommerzielle Nutzung leider nicht zu gebrauchen ist, weil
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die erzielten Ströme noch nicht mal den Energieverbrauch, der für ihre
Messung erforderlich ist, decken. Eine Photovoltaikanlage würde bei
gleichem Platzverbrauch höhenunabhänig ein Vielfaches mehr an
Energie erzeugen, zwar sind dabei die Anschaffungskosten höher, aber
dieser Fakt wird sich wohl in den nächsten Jahren relativiert haben.
VIII. Danksagungen
Ich möchte an dieser Stelle ganz herzlich meinem Physiklehrer Dr. Milan
Dlabal für die Bereitstellung von Literatur sowie für seine Hilfe bei der
Durchführung des Experiments danken. Ebenso bedanke ich mich bei
meinen Eltern und meiner Großmutter für die Bereitstellung des für den
Bau der „E-Feld Harfe“ benötigten Materials.
IX. Literaturverzeichnis
Meridian International Research: Atmospheric Electricity Research,
September 2005
Nikola Tesla: Possibilities Of Electrostatic Generators, Scientific
American, March 1934
Unbekannt : Power of the Air, Science and Invention, March 1922
Unbekannt: Das elektrische Feld der Erde, http://www.matheschule.de/download/pdf/Physik/Rechnungen_Gewitter.pdf
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