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MHD-Generator 05:18 min

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Transkript MHD-Generator

Hallo und herzlich willkommen. Ich stelle in diesem Filmchen kurz den prinzipiellen Aufbau und die grundlegende Funktionsweise des MHD-Generators, des magnetohydrodynamischen Generators vor. Der MHD-Generator ist, wie jeder Generator, ein Energiewandler. Er wandelt thermische und Bewegungsenergie mithilfe eines Magnetfeldes in elektrische Energie um. Das Besondere ist hier, dass die zugeführte thermische und Bewegungsenergie von einem Plasmastrom stammt. Der Begriff Plasma wurde in den 20er-Jahren des 20. Jahrhunderts vom amerikanischen Physiker und Chemiker Langmuir eingeführt, der damit ein Gas bezeichnete, dessen Teilchen in einen so hohen energetischen Zustand versetzt waren, dass sich die Atome in Ionen und freie Elektronen teilten. Die Atomkerne bleiben dabei intakt. D. h., wir haben noch lange keine Kernspaltung, aber trotzdem schon einen Zustand, der eigentlich schon mehr ist, als der gasförmige. Man nennt ihn deswegen auch den 4. Aggregatzustand. Den Vorgang, in dem Gas in Plasma übergeht, nennt man Ionisierung. Sehr naheliegend, da ja dabei Ionen entstehen. Ich habe das hier einmal schematisch an Natriumatomen dargestellt, die in einfach geladene Natriumionen und freie Elektronen zerfallen. Man kann diesen Zustand durch Zufuhr von großen Wärmemengen erreichen, also z. B. wenn man ein Gas, wie die Luft, auf einige tausend Kelvin erhitzt. Ab einigen zehntausend Kelvin liegen übrigens alle Stoffe nur noch in Plasmaformen vor. Aber auch hochenergetische Strahlung kann Plasma erzeugen, indem die Gammaquanten Elektronen aus den Hüllen der Atome herausschlagen. Weil genau das an den äußeren Schichten der Erdatmosphäre auch geschieht, finden wir dort eine Plasmaschicht, die Ionosphäre genannt wird. Auch im Erdkern vermutet man Plasma, aber erzeugt durch den hohen Druck, der sich ja ebenfalls als Energie der Materieteilchen realisiert. Erstaunlich ist, dass über 99 % der sichtbaren Materie im Universum im Plasmazustand vorliegen, d. h., durch hohe Temperaturen oder durch intensive Wechselwirkung mit den Gammastrahlen. D.h., das Auftreten von Materie in fester, flüssiger oder gasförmiger Form ist in der Natur geradezu die Ausnahme. Nur unter unseren Alltagsbedingungen scheint es so, als sei der Plasmazustand selten. Wir finden ihn nur in Blitzen, in Lichtbögen von elektrischen Kurzschlüssen, im Polarlicht und in Verbrennungsflammen. Eine Kerzenflamme enthält Gas im Plasmazustand. Wir kennen schon die Wirkung eines Magnetfeldes auf bewegte Ladung. Sie werden durch die Lorentzkraft senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung abgelenkt. In den meisten Fällen erzeugen wir die Bewegung dieser Ladungsträger in einem elektrischen Feld. Man kann nun das entgegengesetzte Ergebnis erreichen, wenn man den Prozess umkehrt, indem man Ladungsträger durch den Gasdruck bei Erhitzung in Bewegung versetzt und dann mit einem Magnetfeld eine Trennung verschiedenartig geladener Gasteilchen erzwingt. Und damit haben wir natürlich die Grundbedingung für alle elektrischen Phänomene erfüllt: Wir haben Ladungen getrennt. Wir erhalten zwischen den beiden Seiten, zu denen je die negativen und die positiven Ladungsträger gelenkt werden, ein elektrisches Feld, also eine Spannung zwischen ihnen. Und genau dieses Verfahren wird beim MHD-Generator eingesetzt. Da hier die thermische Energie die Freisetzung von Elektronen und Ionen schon bewirkt hat, ist nur noch die Bewegungsenergie der Gasströmungen nötig, um mit wenig Aufwand die freien Ladungsträger zu trennen und getrennt zu sammeln. Dass wir hier von einer Gas- oder genauer Plasmaströmung sprechen können, ist der Grund für den Namen. Hydrodynamik kann eingesetzt werden, um das Bewegungsverhalten des Plasmastromes zu berechnen, nicht anders, als man es mit einer Flüssigkeit oder mit einem strömenden Gas tun würde. Der Wirkungsgrad eines MHD-Generators ist dabei sehr viel höher, als der der Umwandlung der Bewegungsenergie strömender Gase oder Flüssigkeiten in die Bewegung einer Dynamowelle eines Generators herkömmlicher Bauweise mit nachfolgender Induktion. Ein technisches Problem liegt darin, dass man bis heute noch keine Elektroden herzustellen vermag, die den Hochtemperaturbedingungen im Plasmastrom hinreichend lange standhalten können. Darum sind MHD-Generatoren auch mehrere Jahrzehnte nach den ersten Versuchen noch nicht bis zur großtechnischen Anwendung gereift. Hier ist noch viel Forschung und Entwicklung notwendig. Kurz zusammengefasst kann man also sagen: Das Prinzip des MHD-Generators beruht darauf, dass ein energiereicher Plasmastrom mit hoher Geschwindigkeit durch ein Magnetfeld gelenkt wird, wodurch die Lorentzkraft eine Auslenkung der positiv geladenen Ionen und der negativ geladenen Elektronen in verschiedene Richtungen erfolgt. Sammelt man sie auf 2 voneinander getrennten Elektroden, bildet sich zwischen beiden ein elektrisches Potenzial, das wir als elektrische Spannung nutzen können. Soviel für dieses Mal. Bis zum nächsten Video.

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