Ask a Scientist

Wie funktioniert die Erdwärme-Heizung?

Von Denise

Das Prinzip ist ein umgekehrter Kühlschrank.
Man betreibt einen Kompressor, der ein Gas komprimiert. Wenn man Gas komprimiert, wird es heiß (merkt man z.B. wenn man eine Fahrradpumpe betätigt). Das heiße Gas heizt den Raum / das Haus.

Anschließend wird das Gas wieder entspannt (dekomprimiert) wobei es sich abkühlt. Dieses kühle Gas leitet man durch einen Kollektor, der z.B. in der Erde vergraben ist. Dort erwärmt es sich wieder, um es anschließend wieder zu komprimieren und aufzuheizen.

Der Vorteil des Systems ist, dass man wenig elektrische Energie einsetzt, um Wärme aus der Umwelt zum Heizen des Hauses zu nutzen.
Man spricht vom sogenannten Leistungsfaktor, der zwischen 2 und 3 liegt.
Ist dieser bei 2.5 so werden aus einem Teil elektrischer Energie 2.5 Teile Wärmeenergie gewonnen.

Prof. (FH) Dipl.-Ing. Dr. Peter Zeller, Studiengansleiter der Studienrichtung Öko-Energietechnik, FH Oberösterreich.

Wie funktionieren Hand­wärmer?

Von Lukas B.

Handwärmer sind Kunststoffbeutel, die Wasser und ein hydratisiertes (wasserhaltiges) Salz enthalten. Taucht man den Beutel in heißes Wasser, erhöht sich die Temperatur und das Salz kann sich auflösen. Wenn sich der Beutel dann wieder abkühlt, bleibt das nach Essig riechende Salz (Natriumacetat) zunächst gelöst und kristallisiert erst blitzschnell, wenn man das in dem Beutel vorhandene Metallplättchen knickt. Durch das Knicken werden Kristallisationskeime erzeugt.

Bei der Kristallisation wird die "Kristallisationswärme" frei, die zu einem raschen Temperaturanstieg führt. Das Kissen bleibt so lange warm, weil die Wassermoleküle im Salz sich erst danach in einem langsameren Prozess wieder richtig anordnen, ein Prozess bei dem wieder Wärme frei wird.

Redaktion ScienceClip.at

Kann man einen Aufzug zum Mond bauen?

Von Martin

Lieber Martin, einen Aufzug direkt von einem Punkt auf der Erde zu einem Punkt auf dem Mond zu bauen, ist nicht möglich, da sich diese beiden Punkte relativ zueinander bewegen (der Mond steht ja am Himmel nicht still). Was man hingegen vielleicht machen kann (und worüber man nachdenkt), ist einen Aufzug zu einem sogenannten geostationären Satelliten zu bauen. Das wäre eine Plattform über dem Äquator in ca. 36000 km Höhe, d.h. in genau der Höhe, wo die Umlaufgeschwindigkeit entsprechend dem Keplerschen Gesetz genauso groß ist, dass sie genau die Drehgeschwindigkeit der Erde an der Erdoberfläche "ausbalanciert" (gleiche Winkelgeschwindigkeit). Schon heute gibt es in diesem geostationären Orbit viele Fernseh- und andere Kommunikationssatelliten und deswegen muss man seine Satellitenschüssel nicht permanent nachdrehen. Das Problem bei der Sache ist "nur noch", ein geeignetes Tragseil zu finden, dass bei dieser Länge nicht unter seinem eigenen Gewicht reißt. Aber es gibt Hoffnung, denn die Materialwissenschaften machen enorme Fortschritte und Seile aus Kohlenstoffnanoröhrchen könnten in einigen Jahrzehnten so einen Aufzug möglich machen. Dann wäre man zwar immer noch nicht auf dem Mond, aber man könnte von dort aus, viel weiter draußen und nicht mehr so tief drinnen im Erdschwerefeld, mit viel weniger Treibstoffeinsatz zum Mond, zu Asteroiden und zum Mars fliegen.   Anmerkung Redaktion ScienceClip.at: Weitere Informationen zum Thema gibt es im Podcast "Sternengeschichten" vom Astronomen & Wissenschaftsautor Florian Freistetter: http://youtu.be/59ouw3h-XIU ...oder auch auf der Website der Helmholtz Gemeinschaft: https://www.helmholtz.de/forschung/forschungsbereiche/luftfahrt-raumfahrt-und-verkehr/ Beantwortet von Prof. Dr. Wolfgang Baumjohann, Direktor des Instituts für Weltraumforschung (IWF) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) in Graz

Welche Auf­gaben hat der Netz­betreiber bei de­zentralen En­er­gie­er­zeu­gungs­an­la­gen?

Von Thomas V.

Der Netzbetreiber hat unter anderem die Aufgabe, die Höhe der Spannung eines Netzes innerhalb der Grenzen der verträglichen Toleranz zu halten. Das ist wichtig, weil sonst z.B. an das Netz angeschlossene Geräte nicht mehr richtig funktionieren können. Umgekehrt haben alle an das Netz angeschlossenen Geräte und Anlagen, also auch dezentrale regenerative Erzeugeranlagen, eine Auswirkung auf das Netz und die Spannung im Netz. Diese Auswirkungen bezeichnet man als „Netzrückwirkungen“, und sie sind umso größer, je größer der angeschlossene Verbraucher oder Erzeuger ist. Sind sehr viele oder große Lasten angeschlossen, sinkt z.B. die Spannung. Sind sehr viele oder große Erzeugeranlagen angeschlossen und speisen in das Netz ein, dann steigt die Spannung. Damit die Spannung innerhalb der Grenzen bleibt, die für alle an das Verteilnetz angeschlossenen Geräte verträglich sind, ist deshalb in den so genannten Technischen und Organisatorischen Regeln für Betreiber und Benutzer von Netzen (TOR) festgelegt, welche Untersuchungen, Genehmigungen und Maßnahmen in Abhängigkeit von der Größe der anzuschließenden Anlagen notwendig sind.

Beantwortet von Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Gawlik, Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe an der TU Wien.

Wie viele m² Solar­zellen wären nötig, um den jährlichen Energie­bedarf abzudecken?

Von Wilhelm

1. Der momentane Energiebedarf der Menschheit beträgt etwa 500 EJ pro Jahr. Diese Zahl bezieht sich auf Primärenergie, z.B. Kohle, Rohöl, Erdgas, Wasserkraft, Biomasse und Kernenergie.

2. Nach Umwandlung bleiben etwa 350 EJ pro Jahr übrig in verschiedenen Formen von Sekundärenergie, wie etwa Elektrizität, Treibstoffe, Wärme, etc., davon entfallen ca. 20% auf die Elektrizität.

3. Eine Fläche von 300 x 300 km würde in sonnigen Gebieten wie der Sahara ausreichen, um den weltweiten Elektrizitätsbedarf zu decken. Die Fläche, um den gesamten Energiebedarf zu decken würde in etwa 900 x 900 km entsprechen. In mittleren Breitengraden, wie beispielsweise Zentraleuropa währe der Flächenbedarf mehr als zweimal größer, dort beträgt die Einstrahlung pro Jahr etwa 4GJ pro m2. Wieviel sich davon in Nutzenergie umwandeln lässt, hängt zudem vom Wirkungsgrad der Anlage ab.

4. Die Sonneneinstrahlung, welche auf die Erde trifft, ist etwa 10000-mal größer als der Primärenergiebedarf.

Beantwortet von Univ.-Prof. Nebojsa Nakicenovic, Professor für Energiewirtschaft an der TU Wien.

Muss zwischen einem Energie­speicher eine Brenn­stoff­zelle ge­schaltet sein?

Von Herr Gruber

Im Jahr 2008 hat sich die EU auf folgende europaweiten Vorgaben geeinigt (Auszug):
• 20 % weniger Treibhausgasemissionen als 2005
• 20 % Anteil an erneuerbaren Energien
• 20 % mehr Energieeffizienz
Um diese Ziele auch wirklich zu erreichen, ist Europa verpflichtet, den Ausbau an erneuerbaren Energien weiter voranzutreiben.

 

Das stark fluktuierende Angebot von regenerativen Energiequellen (wie Solar- und Windenergie) hat zur Folge, dass der Energiespeicherung eine zentrale Schlüsselrolle zuteil wird.
Reichen die Potenziale der Pumpspeicherkraftwerke in Zukunft nicht mehr aus, müssen alternative Speicher gesucht und gefunden werden: Thermisch, chemisch, mechanisch und/oder elektrisch.
Dabei ist es mitunter notwendig, die elektrische Energie zuerst in eine andere Energieform und zu einem späteren Zeitpunkt wieder in elektrische Energie umzuwandeln.

Im Zusammenhang mit der Erzeugung von Wasserstoff (und anschließender Methanisierung) aus Wind- bzw. Solarenergie spricht man von „Power-To-Gas“:
Dabei wird zuerst aus Wasser mittels Elektrolyse Wasserstoff hergestellt. Dieser kann in weiterer Folge gespeichert und über Brennstoffzellen wieder in elektrischen Strom umgewandelt werden.
Um die Systemkomplexität zu verringern und kompaktere Einheiten zu erreichen, werden reversible Brennstoffzellen erforscht und entwickelt, die sowohl als Elektrolyseur als auch als Brennstoffzelle betrieben werden können.

Es ist jedoch auch möglich aus Wasserstoff und CO2 Synthetic Natural Gas (entspricht Erdgas) zu gewinnen. Dieses kann ins bestehende Erdgasnetz eingespeist werden, wodurch enorme Kapazitäten für Transport und Speicherung entstehen.
Diese Technologie würde eine vollständige Kopplung von Strom- und Gasnetzen ermöglichen.

Dieses und viele andere aktuelle Themen machen die Energietechnik rund um die sogenannte Energiewende sehr spannend, und es werden viele innovative Köpfe von Nöten sein um eine nachhaltige Entwicklung des zukünftigen Energiesystems zu erlangen.

Dipl.-Ing. Markus Litzlbauer, Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe an der TU Wien.

Kann man auch mit einer Lehre Wissen­schaftler werden?

Von Nicky

Die Karriere als Wissenschaftler startet typischerweise mit einem Studium, danach folgt oft ein Doktorat und geht weiter als Forscher an verschiedenen Universitäten in der Welt. Forscher kann aber natürlich jeder sein, der sich für die Wissenschaft interessiert. Forschung in Firmen wird oft auch von Leuten ohne Studium gemacht, die dann aufregende neue Produkte entwickeln. Diesen Weg der Forschung in der Industrie kann man natürlich auch mit einer Lehre gehen. Wenn man berühmt wird und geniale Ideen verwirklicht hat, dann bekommt man manchmal sogar einen Ehren-Doktortitel, ohne jemals ein Studium abgeschlossen zu haben (Bill Gates: Ehrendoktorwürde der Harvard-Universität 2007; Steve Jobs: Ehrendoktorwürde der Universität Stanford 2005).

Beantwortet von Dipl.-Ing. Stefan Kalchmair, Forscher am Zentrum für Mikro- und Nanostrukturen an der TU Wien.

Wie kann man Gravitations­wellen messen?

Von Lars

Die Frage trifft den Kern der Allgemeinen Relativitätstheorie. Diese beschreibt Gravitation nicht mehr als Kraft zwischen massiven Objekten sondern als geometrische Eigenschaft des Raums und der Zeit (der sogenannten Raumzeit). Anziehung kommt dadurch zustande, dass die Objekte unter Einfluss der Gravitation die geradestmöglichen Bahnen in einer gekrümmten Geometrie durchlaufen.

Ein anschauliches Beispiel: Auf der Oberfläche der Kugel sind diese Bahnen z.B. Meridiane. Startet man vom Äquator entlang zweier unterschiedlicher Meridiane in Richtung Nordhalbkugel schneiden sich die beiden im Nordpol. Dies ist aber keine Folge von "Anziehung" sondern eine Eigenschaft der gekrümmten Geometrie der Kugeloberfläche.

Die Gravitationswelle ist eine lokale Verzerrung der Raumzeit. Im Allgemeinen bewegen sich Objekte unter Einfluss der Gravitation auf geradestmöglichen Bahnen. Im einfachsten Fall des flachen Raumes sind diese Bahnen Geraden, welche z.B. parallel zueinander sind. Die Gravitationswelle erzeugt eine Änderung dieser Geometrie, die eine Relativbeschleunigung (Beschleunigung zueinander) ergibt. Nach dem Durchlauf der Welle ist der Raum in guter Nährung wieder flach, aber die ursprünglich parallelen Bahnen bewegen sich nun relativ zueinander und damit ist der Effekt messbar.

 

Anmerkung:

Ein ähnliches Problem tritt bei der Frage nach der Messbarkeit der kosmischen Expansion auf. Da ja auch Maßstäbe expandieren, sollte dieser Effekt ebenfalls unmessbar sein. Hier lautet die Antwort, dass der Raum nur auf "großen" Skalen expandiert. D.h., das Modell beschreibt das Universum auf Skalen, welche die Körnigkeit, die durch Galaxienhaufen auftreten würde nicht wahrnimmt.

Hier ist vielleicht das Beispiel von Wasser nützlich, denn auf Alltagsskalen sieht es ganz gleichmäßig aus. Geht man jedoch zu atomaren Skalen, so wird die Körnigkeit, d.h. die schnelle Bewegung der Wassermoleküle, sichtbar, welche das Wasser alles andere als gleichförmig erscheinen lässt.

Was das Universum anlangt so gibt es "gebundene" Strukturen, welche an der Expansion nicht teilnehmen (wie zum Beispiel das Sonnensystem). Allerdings expandiert der Raum zwischen den Strukturen und damit lässt sich die Expansion messen.

 

Anmerkung Redaktion ScienceClip.at:

Am 11. Februar 2016 wurde der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen bekannt gegeben. Weitere Informationen dazu gibt es z. B. in diesen beiden interessanten Artikeln von Florian Freistetter: http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2016/02/08/der-direkte-nachweis-von-gravitationswellen/ und http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2016/02/11/was-koennen-und-wozu-braucht-man-gravitationswellen/.

Beantwortet von Dr. Herbert Balasin, Forscher und Dozent am Institut für Theoretische Physik an der TU Wien.

Warum gibt es Unterschiede bei der Down- und Upload-Ge­schwin­dig­keit?

Von Rosula

Der Grund für langsameren Upload/Upstream als Download/Downstream ist, dass viele Internet Anbindungen wie ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) dafür gemacht wurden, einen besseren Download zu haben. Das resultiert aus dem Umstand nach dem die meisten Internetbenutzer eher Daten herunterladen (Webseiten Multimediadateien, etc.) als hochladen.

Betrachtet man die Technik hinter ADSL genauer, dann sieht man, dass die Bandbreite für den Upstream viel weniger beträgt als die für den Downstream. Aus diesem Grund heißt es auch „asynchrones“ DSL. Sollte nun ein Internetbenutzer eine größere Datenrate für den Upload benötigen, steht dafür SDSL (Symmetric Digital Subscriber Line) zur Verfügung, bei der Up- und Download gleich schnell sind.

Beantwortet von DI (FH) Mathias Knoll, MSc, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Studiengang Internettechnik, FH Joanneum Kapfenberg.