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.

Könnten zwei Schwarze Löcher miteinander verschmelzen?

Von Estella

Ja, zwei Schwarze Löcher können miteinander verschmelzen. Dabei kommt am Schluss ein einziges, größeres Schwarzes Loch heraus.

Bei dem Verschmelzen von zwei Schwarzen Löchern zu einem einzigen wird sehr viel Energie in Form von Gravitationswellen abgestrahlt, die wir in den nächsten paar Jahren mit Experimenten wie "Advanced LIGO" messen werden können.

Eine numerische Simulation des Verschmelzens zweier Schwarzer Löcher ist in diesem Kurzfilm der Universität von Illinois dargestellt:
http://research.physics.illinois.edu/cta/movies/cbm/clips/BHBH_hplus.mov

Beantwortet von Ass.-Prof. Dr. Daniel Grumiller, Institut für Theoretische Physik der TU Wien.

Warum sind alle Menschen verschieden?

Von Celine

Wie bei allen Lebewesen werden unsere Merkmale von Genen bestimmt. Alle Menschen haben zwar die gleichen mehr als 20.000 Gene. Aber von jedem Gen gibt es viele verschiedene Varianten, sogenannte Allele. Das ist der entscheidende Punkt. Alle Allele des selben Gens geben zwar die gleiche Anweisung im Körper, tun das aber nicht mit der selben Qualität. Sie unterscheiden sich ein bisschen voneinander.

Grob vereinfacht kann man Menschen mit Autos vergleichen. Alle Autos haben zwar ein Lenkrad (salopp gesagt, das „Steuer-Gen“), aber das Lenkrad eines BMW sieht anders aus als jenes eines Mercedes. Es ist vielleicht auch leichter oder schwerer zu drehen als ein Lenkrad einer anderen Automarke. Auch haben alle Autos eine Hupe (das „Warn-Gen“), die sich aber bei den meisten Autos anders anhört. Usw.

Was aber uns Menschen, wie viele Lebewesen, von Autos unterscheidet, ist, dass wir uns paaren (kreuzen) können. Und wir haben jeweils zwei Stück von allen 20.000 „menschlichen“ Genen, eines von unserer Mutter und eines vom Vater, also insgesamt 40.000 Gene. Daher sind wir eine genetische Mischung von Mutter und Vater. Und wenn unsere Keimzellen (das sind die Eizellen bei Frauen bzw. die Samenzellen bei Männern) gebildet werden, dann wird dieses doppelte Genset auf ein einfaches (also auf 20.000) reduziert. Die Auswahl, ob bei einem Gen das väterliche oder das mütterliche Allel in eine Ei- oder die Samenzelle kommt, ist willkürlich (zufällig). Sicher ist nur, dass von jedem Gen eine Kopie in den Keimzellen vorkommt.

Man kann sich kaum vorstellen, wie viele unterschiedliche Kombinationsmöglichkeiten es gibt, bei 20.000 Genen mit jeweils zwei verschiedenen Varianten. Das bedeutet, dass schon eine einzige Ei- oder Samenzelle, über die sich eine Person sexuell vermehrt (mit einem Partner/einer Partnerin paart), schon nicht mehr genetisch identisch ist mit der Person selbst, in der sie gebildet wurde. Letztere hat ja sowohl eine mütterliche und eine väterliche Variante eines jeden Gens; unsere Keimzellen aber nur entweder die mütterliche oder die väterliche. Die gleiche Zufallsauswahl findet in den Geschlechtszellen der/des Sexualpartnerin/Sexualpartners statt. Ei- und Samenzelle verschmelzen zu einer Zelle, der Zygote, die dann wieder zwei Allele eines jeden Gens besitzt. Aus der Zygote entwickelt sich ein neuer Mensch, der zwar Ähnlichkeiten zur Mutter und zum Vater haben kann, aber eine individuelle Mischung von väterlichen und mütterlichen (oder großelterlichen) Genallelen hat und daher anders als Mutter, Vater, Schwester, Bruder oder gar eine nicht verwandten Person aussieht und auch in anderen Eigenschaften eine eigene Person ist. Nur eineiige Zwillinge sehen sehr ähnlich oder identisch aus, weil sie sich aus der selben Zygote entwickeln. Die persönlichen (charakterlichen) Unterschiede von eineiigen Zwillingen sind auf Umwelt/Umfeld/Erziehungs-bedingte Einflüsse zurückzuführen.
Die Unterschiede zwischen verschiedenen Menschen sind also die Allele, den Varianten eines jeden Gens. Wie sind verschiedene Varianten eines Gens entstanden? Sie entstehen zufällig beim Kopieren der Gene. Keimzellen entstehen aus anderen Zellen. Und dabei müssen alle Gene kopiert werden. Obwohl das Kopieren sehr genau erfolgt, kann es zu kleinen „Fehlern“ kommen; vielleicht in nur einem Gen von den 20.000. Über viele Generationen sind in unseren Ahnen wegen dieser Kopierfehler viele Allele für jedes Gen entstanden.

Beantwortet von Ass.-Prof. Mag. Dr. Arnold Bito, Fachbereich Zellbiologie der Uni Salzburg.

Warum ist das Meer blau?

Von Theresa

Liebe Theresa,

danke für Deine kluge Frage - auch die meisten meiner Studenten an der Uni wissen nicht, warum das so ist.

Also, zunächst einmal ist Wasser nicht so durchsichtig, wie man beim Betrachten eines Glas Wassers meinen könnte. So ist es selbst in den klarsten Seen oder im Ozean spätestens in 200m Tiefe finster. Wenn ein Lichtstrahl durch Wasser scheint, passiert nämlich folgendes: Das Licht trifft auf die Wassermoleküle (die kleinsten Wasserteilchen) und wird entweder von diesen "geschluckt" indem sich das Wasser erwärmt, oder das Licht "prallt ab" und ändert nur seine Richtung, auch in die Richtung, aus der es gekommen ist. Den ersten Vorgang nennt man Absorption, den zweiten Streuung. Beide sind von der Wellenlänge des Lichtes abhängig. Wie Du sicher weißt, sind im Sonnenlicht alle möglichen Farben enthalten, was man mit einem Glasprisma zeigen kann, welches das Licht in die Regenbogenfarben auftrennt. Auch der Regenbogen entsteht so, anstelle des Glasprismas bewirken Wassertröpfchen in der Luft die Farbauftrennung. Nun ist die Absorption am stärksten im Rotlicht und dieses Licht dringt nicht sehr tief ins Wasser ein. Jeder Taucher weiß, dass rote Seesterne schon in 10m Tiefe schwarz ausschauen. Die Streuung ist hingegen besonders stark im Blaulicht - das Licht, das AUS dem Wasser kommt und das wir sehen, ist daher überwiegend blau, eben das Meeresblau.

Übrigens ist auch der Himmel deshalb blau, weil das Sonnenlicht beim Durchgang durch die Lufthülle der Erde ebenfalls gestreut wird und besonders das blaue Licht aus allen Richtungen kommt. Ansonsten würde die Sonne wie ein Scheinwerfer aus einem schwarzen Himmel scheinen.

Ich hoffe, dass Du mit meiner Antwort zufrieden bist!
Liebe Grüße,
Jörg Ott
Meeresbiologe

Beantwortet von Prof. Dr. Jörg Ott, Institut für Meeresbiologie der Uni Wien.

Wie groß ist das Universum?

Von Karim

Lieber Karim,

das ist eine schwierige Frage, die derzeit niemand endgültig beantworten kann. Es kann sein, dass das Universum unendlich groß ist. Es kann aber auch sein, dass das Universum geschlossen ist, wie die Oberfläche der Erde oder eines Donuts. Wenn man auf der Erde immer geradeaus läuft und schwimmt, dann kommt man nach etwa 40.000 km wieder an seinen Ausgangspunkt zurück. Genauso würde man in einem geschlossenen Universum, in dem man in einem Raumschiff immer geradeaus fliegt, wieder an den Ausgangspunkt zurückkommen. Ob das tatsächlich so ist und wie groß in diesem Fall die Strecke wäre, die man zurücklegen müsste, wissen wir nicht. Allerdings sind wir inzwischen recht sicher, dass diese Strecke größer sein muss als der Durchmesser des "beobachtbaren" Universums, andernfalls hätten sich schon gewisse Beobachtungseffekte ergeben, die die Astronomen aber eben nicht gefunden haben.

Was ist nun das "beobachtbare" Universum? Wir wissen inzwischen recht genau, dass das Universum vor 13,7 Milliarden Jahre aus dem "Urknall" entstanden ist. Da sich Licht nicht unendlich schnell sondern nur der Lichtgeschwindigkeit von etwa 300.000 Kilometer pro Sekunde ausbreitet, hat Licht, das kurz nach dem Urknall von einem Punkt A ausgesandt wurde und uns jetzt erreicht, eine Strecke von 13,7 Milliarden Lichtjahren zurückgelegt. Dazu kommt, dass das Universum expandiert, d.h. dass die Abstände zwischen den Galaxien mit der Zeit immer mehr zunehmen. Wenn man das berücksichtigt, findet man, dass der Punkt A heute 46,6 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt ist. Das beobachtbare Universum ist also eine Kugel mit einem Radius von 46,6 Milliarden Lichtjahren um uns herum. Licht, das von Punkten außerhalb dieser Kugel ausgesandt wurde, hatte seit dem Urknall nicht genügend Zeit, um zu uns zu gelangen, so dass wir noch keine Information von dort erhalten haben. Diese Punkte liegen gewissermaßen hinter dem Horizont des sichtbaren Universums. Während dieser sichtbare Teil des Universums durch astronomische Beobachtungen immer besser erforscht wird, wissen wir über die Struktur des Universums insgesamt immer noch recht wenig, insbesondere wissen wir nicht, wie groß es ist.

Beantwortet von Dr. Oliver Czoske, Forscher am Institut für Astrophysik der Uni Wien.