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MHD-Generator 05:18 min

Textversion des Videos

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.

MHD-Generator Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video MHD-Generator kannst du es wiederholen und üben.

  • Nenne die Kennzeichen eines MHD-Generators.

    Tipps

    Der MHD-Generator ist heutzutage noch nicht als Anlage relevanter Größe einsetzbar.

    MHD-Generatoren arbeiten deutlich effizienter als Photovoltaikzellen oder ein Steinkohlekraftwerk.

    Lösung

    Der MHD-Generator ist heutzutage noch nicht als Anlage mit relevanter Größe einsetzbar.

    Das liegt in erster Linie daran, dass bei der Energieumformung aus Plasma sehr hohe Temperaturen auftreten und diese die Elektroden des Generators schnell beschädigen. Man forscht deshalb daran, möglichst effiziente, hitzebeständige Elektroden anzufertigen, um eine großtechnische Anwendung realisieren zu können. Die Motivation liegt vor allem darin, dass ein MHD-Generator mit Wirkungsgraden von $\eta_{MHD} = 50-60\% $ weitaus effizienter arbeitet als eine Photovoltaikzelle mit $ \eta_{max} = 27\%$ oder ein Steinkohlekraftwerk $\eta_{max} = 35\%$.

  • Nenne die Eigenschaften eines Stoffes im Plasmazustand.

    Tipps

    Ein Ion ist ein geladenes Teilchen.

    Elektronen können durch Energiezufuhr aus der Atomhülle entfernt werden.

    An den meisten Stellen im Universum herrschen weitaus größere Temperaturen oder Drücke als auf der Erde.

    Lösung

    Das Plasma wird als der vierte Aggregatzustand bezeichnet. Das liegt daran, dass sich die Eigenschaften der Teilchen, die sich im Plasma befinden, nicht eindeutig einem der anderen Aggregatzustände zuordnen lassen.

    Die grundlegende Konfiguration eines Plasmas ist in Form von Ionen und freien Elektronen. Durch Zuführen großer Energiebeträge als Druck, Wärme oder Strahlung werden die Elektronen aus der Atomhülle entfernt, und wir erhalten freie Elektronen und ionisierte Atomkerne also Plasma.

    Obwohl Plasma in unserem Alltag kaum vorkommt (höchstens in einem Blitz, einer Kerzenflamme oder einem Lichtbogen), bestehen tatsächlich 99% der gesamten Materie des Universums aus Plasma.

  • Gib die Umformung der Energie im MHD-Generator an.

    Tipps

    Elektrische Energie ist die Energiewährung, welche wir benutzen.

    Ein Generator wandelt Energien um.

    MHD-Generator = Magneto-Hydro-Dynamischer-Generator

    Lösung

    In einem Magneto-Hydro-Dynamischen-Generator wird mit Hilfe eines Magnetfeldes (Magneto) ein Plasmastrom, also eine bewegte Menge an ionisierten, stark erhitzten Teilchen (Hydro-Dynamisch), umgewandelt in eine elektrische Spannung (elektrische Feldenergie).

    Der eingeführte Plasmastrom besteht aus Ionen, welche positiv geladen sind, und freien Elektronen, welche negativ geladen sind. In einem magnetischen Feld kann man diese Ladungen trennen (werden positive Ladungen im magnetischen Feld nach oben abgelenkt, so müssen negative in entgegengesetzter Richtung ausgelenkt werden). So erhält man also eine Aufteilung der Ladung und damit eine elektrische Spannung, die man anderweitig nutzen kann.

    Man hat so elektrische Energie, die man sehr gut weiter verwenden kann, aus thermischer und Bewegungsenergie erhalten, welche generell schlechter verwendbar sind.

  • Analysiere, warum Plasma im unserem Alltag nur selten vorkommt.

    Tipps

    Ab etwa 10.000 °C ist fast alles plasmaförmig.

    Das Universum enthält unglaublich viel Materie.

    Die Erde macht nur einen winzigen Bruchteil der Masse des Universums aus.

    Sterne sind oft mehrere Millionen °C heiß.

    Lösung

    Dass der Plasmazustand als der vierte Aggregatzustand bezeichnet wird, weist darauf hin, dass dieser in unserem Alltag nur selten anzutreffen ist. (Sonst hätte man es ja schon früher entdeckt.)

    Das liegt daran, dass die Erde ein Planet ist, der relativ kalt und relativ klein (geringe Erdanziehung und Druck) ist. Unser Alltag findet bei Drücken von $1bar$ und Temperaturen von $-50 °C$ bis $+50 °C$ statt. Außerdem kommt hochenergetische Strahlung wie etwa radioaktive Gammastrahlung nur selten vor.

    Plasma tritt jedoch erst bei sehr hohen Temperaturen von über $1000°C $ auf oder bei sehr hohen Drücken. Diese finden wir auf der Erde jedoch kaum, weshalb das Plasma in unserem Alltag nur selten vorkommt. In den Weiten des Universums jedoch herrschen vielerorts unglaubliche Temperaturen und Drücke, sodass Materie dort überall als Plasma vorliegen muss (ab 10.000 °C ist fast alles plasmaförmig). Dort liegt viel mehr Materie vor, als wir es uns überhaupt vorstellen können. Deshalb sind die Aggregatzustände, wie wir sie von der Erde kennen, im gesamten Universum relativ selten.

  • Erkläre die Ionisierung.

    Tipps

    Ionisierung findet in der Regel nicht spontan statt.

    Das Edukt der Ionisierung ist elektrisch neutral.

    Man erhält als Produkt der Ionisierung zwei unterschiedlich geladene Teilchen.

    Lösung

    Bei der Ionisierung werden durch Energiezufuhr E einzelne Elektronen aus der Elektronenhülle eines Atomes befreit. Dadurch erhält man ein freies Elektron $e^{-}$ und ein Ion, dem ein Elektron fehlt $Ion^+$.

    Dabei gilt allgemein : $ Atom + E = Ion^{+} + e^{-}$,

    oder am Beispiel des Heliums : $ He + E = He^{+} + e^{-}$ .

    Durch Ionisierung zerfällt ein Atom also in einen positiv und einen negativ geladenen Teil.

    Ionisierung findet dabei in der Regel durch Ionisierungsenergie E in Form von:

    • zugeführte Wärme
    • hohen Druck
    • oder energiereiche Strahlung statt.

  • Erläutere das Prinzip des MHD-Generators.

    Tipps

    Ladungstrennung ist das Ziel des MHD-Generators.

    Plasma besteht aus freien Elektronen und Ionen.

    Ein Magnetfeld lenkt positive und negative Ladungen in unterschiedliche Richtungen ab.

    Lösung

    Der MHD-Generator wandelt kinetische und thermische in elektrische Energie um. Zunächst wird ein heißer Plasmastrom in den Generator eingeführt. Im Plasma befinden sich freie, negativ geladene Elektronen und positive Ionen. Diese werden im Inneren des Generators einem Magnetfeld ausgesetzt.

    Als Folge der Lorentzkraft wirkt eine Kraft auf die Ionen und Elektronen. Diese muss, da deren Stromrichtung entgegengesetzt ist (bewegen sich positive und negative Ladungen in dieselbe Richtung, so ist deren elektrische Stromrichtung entgegengesetzt), ebenfalls in entgegengesetzte Richtung zeigen. Daher lagern sich die positiven Ionen an der einen und die negativen Elektronen an der anderen Elektrode an.

    Durch (Ladungstrennung) entsteht eine elektrische Spannung zwischen den Elektroden, die als elektrischer Strom abgenommen werden kann.