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Antrieb (Technik)

Antrieb (Technik)

In der Technik wird mit Antrieb der Mechanismus oder Vorgang bezeichnet, mit dem ein Objekt bewegt oder dessen Bewegung erzeugt wird. Die Vorrichtungen für den Antrieb eines Geräts nutzen oft mehrere unterschiedliche Wirkprinzipien, deren Träger verkoppelt sind. So wird für einen Lastkraftwagen Verbrennungsenergie in einem Dieselmotor verwendet, der nach dem Prinzip der Kolbenmaschine und des Kurbeltriebs angelegt ist und die Drehbewegung auf die Räder überträgt. Der LKW ist damit sowohl als „Verbrennungskraftgetriebenes Fahrzeug“ als auch als „Fahrzeug mit Radantrieb“ korrekt bezeichnet.

Nähere Bezeichnung einer Antriebsart:

nach dem Ziel der Antriebsverwendung

- Leistungsantrieb (Energieübertragung, z.b. von einem Motor auf einen Generator, oder auch Fahrantrieb)
- Positionierantrieb (definierte räumliche Bewegungen)

nach der Bewegungsrichtung

- Linearantrieb (siehe Lineartechnik) Kategorie:Technik Kategorie:Antriebstechnik

Technik

Unter Technik (altgriechisch τεχνη [téchne], „Fähigkeit, Kunstfertigkeit, Handwerk“) versteht man Verfahren und Fähigkeiten zur praktischen Anwendung der Naturwissenschaften und zur Produktion industrieller, handwerklicher oder künstlerischer Erzeugnisse, wobei der griechische Begriff zwischen den heutigen Kategorien Kunst und Technik nicht unterschied (siehe Martin Heidegger: Die Frage nach der Technik). Technik kann als die Fähigkeit des Menschen verstanden werden, Naturgesetze, Kräfte und Rohstoffe zur Sicherung seiner Existenzgrundlage sinnvoll einzusetzen oder umzuwandeln. Neben den materiellen Bedürfnissen (Nahrung, Kleidung, Wohnen) werden auch kulturelle Bedürfnisse durch die Technik gesichert. Technische Fertigkeiten werden in Handwerk und Industrie auf den verschiedensten Ebenen von den Lehrberufen bis zu den Ingenieurwissenschaften benötigt. Letztere sichern den Erhalt bekannter und die Entwicklung neuer Techniken, sind aber mit Technik nicht gleichzusetzen.

Bedeutungsvarianten

Das Fremdwörterbuch des Duden definiert die Technik in fünf Aspekten: # Alle Verfahren, Einrichtungen und Maßnahmen, die der praktischen Nutzung naturwissenschaftlicher Erkenntnisse dienen - insbesondere in Fachgebieten wie Elektrotechnik, Bauingenieurwesen, Maschinenbau und Informationstechnik. # Ausgebildete Fähigkeit oder Kunstfertigkeit, die zur richtigen Ausübung einer Sache notwendig ist # Die Gesamtheit der Verfahren und Kunstgriffe, die auf einem bestimmten Fachgebiet üblich sind („Stand der Technik“) # Technische Hochschule bzw.-Universität, TU (süddt./österr.) # Industrielle und andere Herstellungs- und Produktionsverfahren.

Technik als Anwendung naturwissenschaftlicher Erkenntnisse

Technik besteht in der Anwendung naturwissenschaftlicher Erkenntnisse und den daraus resultierenden Verfahren in verschiedenen Fachgebieten:
- Elektrotechnik
- Computertechnik
- Tontechnik und Mediendesign
- Maschinenbau
- Verkehrstechnik und Fahrzeugbau
- Luftfahrt und Raumfahrt
- Bauingenieurwesen
- Bergbau und Metallurgie
- Technische Physik
- Technische Chemie
- Technische Mathematik
- Medizintechnik
- Gentechnik
- Geowissenschaften
- Informationstechnik
- Nachrichtentechnik
- Verfahrenstechnik
- Wehrtechnik
- Agrartechnik Entwicklungs- und Forschungseinrichtungen dieser Fächer erarbeiten an Hochschulen, in der Industrie und anderen Forschungsstätten zusammen mit Betrieben und Einzelpersonen auch die Grundlagen von Produktionsverfahren und den aktuellen „Stand der Technik“ (Aspekt 3).

Technik als menschliche Handlungsfertigkeit

bedeutet im Sinn der Aspekte 2 und 5 sinnvolle, zielgerichtete und wiederholbare Vorgehensweisen des menschlichen Handelns, die in sämtlichen Bereichen menschlicher Aktivitäten anzutreffen sind. Beispiele:
- im Sport (Technik des Stabhochsprungs, des Diskuswurfs, des Delphin-Schwimmstils etc.),
- in der Kunst (Technik der Aquarellmalerei, des Trompetenblasens etc.),
- Alltagsaktivitäten (Technik des Fensterputzens etc.) Neben der Befriedigung materieller Bedürfnisse (Nahrung, Kleidung, Wohnen) werden auch kulturelle Bedürfnisse durch Anwendung von Techniken gedeckt. Auch der Einsatz naturwissenschaftlich unwirksamer Fertigkeiten - "magischer Techniken" nach Gehlen - wird hier gelegentlich einbezogen (z.B. als Götterzwang durch Opfer, Gebetsformeln, Tänze).

Technik als Kürzel für Hochschulen

folgt einem langjährigen Sprachgebrauch. Auch wenn dieser nicht ganz korrekt ist, entspricht die Gliederung technischer Hochschulen und -Universitäten (THs, TUs) in Abteilungen oder Fakultäten doch den obigen Aspekten. Außerdem tragen sie wesentlich zum „Stand der Technik“ bei.

Umgangssprachliche Verwendung und Abgrenzung des Begriffs zur Technologie

Der Begriff Technik wird oft verallgemeinernd – oft auch abwertend – für die Gesamtheit aller industriell hergestellten mechanischen Objekte in unserer Umwelt verwendet. Des Weiteren wird Technik oft mit Technologie (die Gesamtheit aller verfügbaren und industriell nutzbaren Techniken, samt ihrer (ingenieur)wissenschaftlichen theoretischen Grundlagen) gleichgesetzt. Dies ist aber inhaltlich irreführend, denn schlicht gesagt ist Technik die Anwendung oder Umsetzung einer Technologie, während eine Technologie also das Wissen über technische Zusammenhänge - als wörtliche "Übersetzung" des englischen Worts "technology" - sein soll.

Das Attribut „technisch“

bezeichnet verschiedene Aspekte im Alltag, in der Industrie und Technik bzw. in den Naturwissenschaften, die über o.e. Aspekte hinausgehen:
- "technisch" als nähere Beschreibung von Fachbereichen oder Fachgruppen - beispielsweise Technische Chemie, technische Geologie, Gewerkschaft der technischen Berufe
- "technisch" im Denken - meist gleichbedeutend mit systematischem oder ausgeprägt logischem Denken - oder
- als Vorgehensweise - im Gegensatz z.B. zu intuitiv - meist unter Ausschluss emotionaler Aspekte
- "technisch" als Ablauf - z.B. bei einer Veranstaltung, bei Produktionsmethoden, oder bei Störungen durch „technische Pannen“.

Siehe auch:

- Portal:Technik
- anerkannte Regeln der Technik
- Forschung & Entwicklung (FuE, auch Research and Development (R&D)
- Ingenieurwissenschaften
- Konstruktion
- Norm
- Qualität
- Technikphilosophie
- Technikgeschichte
- Techniksoziologie
- Technikethik
- Medientheorie
- Stand der Technik
- Technischer Fortschritt, Automatisierung
- Technizismus
- Techniker
- Technische Chemie
- Technische Mathematik
- Technische Physik
- Technische Universität
- Technischer Zeichner
- Technologie
- Technokrat
- Werkzeug
- Ziviltechniker
- Technik (Schulfach)
- Artes mechanicae

Literatur

- Seiffert, Helmut; Radnitzky, Gerard (Hrsg.) (1992): Handlexikon zur Wissenschaftstheorie. 2. unv. Aufl. (Orig. 1989), Berlin: dtv, ISBN 3-423-04586-8, S. 358-365 (Stichworte Technik und Technologie; und deren Abgrenzung zu anderen Wissenschaften). Kategorie:Technik Kategorie:Techniktheorie

Dieselmotor

Ein Dieselmotor ist eine Wärmekraftmaschine, die nach dem Dieselverfahren arbeitet und üblicherweise als Hubkolbenmotor (Verbrennungsmotor) gebaut wird. Der Dieselmotor wurde von Rudolf Diesel erfunden und bei der Firma MAN in Augsburg entwickelt. Der erste Dieselmotor lief dort am 10. August 1893 aus eigener Kraft. Zur Erinnerung an diesen Tag ist der 10. August der International diesel Day.

Bedeutung

Heute sind Pkw mit Dieselmotoren in Europa aufgrund der speziellen Förderung durch Hersteller und Gesetzgeber weit verbreitet. In gewissen Ländern stellen Dieselautos bereits mehr als 75 Prozent aller Neuwagenzulassungen. In der Schweiz ist der Dieselmotor in Pkw hingegen noch weniger verbreitet, gewinnt aber auch an Zulauf, weil der hohe Dieselanteil in den EU-Ländern und die dort günstigen Dieselölpreise sich werbewirksam auf die Schweizer Konsumenten auswirken. Dieselkraftstoff ist dem Heizöl ähnlich, enthält aber deutlich weniger Schwefel. Bis 1994 waren Dieselkraftstoff und Heizöl identisch. Wegen der unterschiedlichen Besteuerung wird Heizöl bis heute rot eingefärbt um die Entdeckung durch die Zollbehörden zu erleichtern und damit die Verwendung in Dieselmotoren zu unterbinden. Dieselmotoren sind wegen der Luftverschmutzung und des krebseregenden Rußes stark umstritten. Der Dieselmotor erreicht nicht so hohe Tourenzahlen und läuft nicht so geschmeidig wie der Benzinmotor. Trotz der Fortschritte auf dem Gebiet der Motorentechnik sind Dieselmotoren den Ottomotoren Laufruhe und -kultur betreffend unterlegen. Für Dieselautos spricht die Verwendbarkeit billiger Treibstoffe wie Diesel und Salatöl, und dass sie meist (nicht immer) einen geringeren Treibstoffkonsum im Vergleich zu entsprechenden Benzinmotoren vorweisen. Selbst bei den neusten und teuersten Modellen konnte das Nageln beim Kaltstart nicht beseitigt werden und auch eingewärmt sind sie als solche zu erkennen. Diese Eigenschaft beschert den Dieselautos das Unwort "Traktorenautos". Warm gefahren können Dieselautos von Unerfahrenen aus dem Innenraum her manchmal nicht als solche erkannt werden, da die Motoren heute vor allem bei höheren Klassen stark eingedämmt und verkleidet sind, was aber auch ein höheres Fahrzeuggewicht zur Folge hat. In manchen Ländern kommt der Betrieb eines Dieselautos im Vergleich zu einem Benzinauto ab einer gewissen jährlichen Fahrleistung günstiger zu stehen. In diesen Ländern finden dieselbetriebene Pkw viele Anhänger, die diese Antriebsart beinahe verehren. Daneben gibt es auch Unterschiede zwischen Fahrzeugen verschiedener Hersteller. Während Peugeot und Mercedes-Benz auf eine sehr lange Tradition mit Dieselmotoren zurückblicken können, hat Volkswagen den schnellaufenden Diesel (Golf Diesel 1974, 1,5 l, Wirbelkammer) sowie Audi den Direkteinspritzer TDI auf den Weg gebracht. Andere Hersteller wie Ford Opel verbauen jetzt nach recht erfolglosen Eigenentwicklugen bei den Dieselmotoren sehr gute Fremdmotoren (Ford = Peugeot), (Opel = FIAT).

Technologie

Prinzip

Beim Diesel-Verbrennungsverfahren wird im Gegensatz zum Ottomotor kein brennbares Luft-Kraftstoff-Gemisch angesaugt. Dieselmotoren arbeiten im Gegensatz zu Ottomotoren mit einem starken Luftüberschuss. Die Temperatur der verdichteten Luft (bis 25:1) im Zylinder ist so hoch (700...900 °C), dass sich der eingespritzte Kraftstoff selbst entzündet. Kennzeichen des Dieselprozesses:
- Selbstzündung: Die angesaugte Luft heizt sich durch die Kompression stark auf, und der in die heiße Luft eingespritzte Kraftstoff entzündet sich.
- Innere Gemischbildung: Kraftstoff und Luft werden erst im Brennraum gemischt.
- Qualitätsregelung: Die Leistung wird über die Menge des eingespritzten Kraftstoffs geregelt.

Ausführungen

Dieselmotoren können prinzipiell als Zweitaktmotor oder als Viertaktmotor gebaut werden. Zweitakt-Dieselmotoren werden meist als Großmotoren in Schiffen verwendet. (siehe auch: Schiffsdieselmotor) Häufiger ist jedoch der Viertakt-Dieselmotor, dessen Hauptanwendung im Antreiben von Diesellokomotiven, Dieseltriebwagen, Kraftfahrzeugen, Baumaschinen und kleineren Generatoren liegt. Siehe auch: Vielstoffmotor

Einspritzverfahren

Es gibt verschiedene Einspritzverfahren, z. B.
- Vorkammereinspritzung,
- Wirbelkammereinspritzung,
- Direkteinspritzung. Es gibt verschiedene Technologien zum Aufbau der Einspritzdrücke, z. B.
- bei Motoren mit Vorkammer- oder Wirbelkammereinspritzung durch
- Verteiler-Einspritzpumpe oder
- Reihen-Einspritzpumpe,
- bei Motoren mit Direkteinspritzung durch
- Verteiler-Einspritzpumpe,
- Pumpe-Düse-Einspritzsysteme oder
- Common-Rail-Einspritzung. Siehe auch Einspritzpumpe.

Kraftstoffe

Als Kraftstoffe für Dieselmotoren kommen neben mineralischem, gereinigten Dieselkraftstoff auch Schweröl, Kerosin oder mit Alkohol veresterte Pflanzenöle ("Biodiesel") zum Einsatz. Auch der Betrieb mit reinen Pflanzenölen ist in vielen Fällen möglich. Welcher Dieselmotor mit welchem Kraftstoff harmoniert, hängt von der chemischen Verträglichkeit zwischen Kraftstoffen und Gummiteilen (Dichtungen und Schläuchen), der Viskosität des Kraftstoffes, dem Schwebstoffanteil und der Zündwilligkeit des Kraftstoffes (Cetanzahl) ab.

Vor- und Nachteile

Vorteile des Dieselmotors gegenüber dem ähnlich gebauten Ottomotor sind:
- Ein günstigerer Wirkungsgrad, vor allem im Teillastbereich, und der daraus resultierende
- Geringere spezifische Kraftstoffverbrauch (entspricht geringeren Kohlendioxid-Emissionen)
- Geringerer Ausstoß von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid
- Einfacher herzustellende, ungefährlichere Kraftstoffe und die Vielstofffähigkeit
- Die in der Praxis oft beobachtete höhere Zuverlässigkeit
- Lange Lebensdauer. Die wirtschaftlichen Vorteile eines Dieselfahrzeuges hängen teilweise auch von den steuerlichen Randbedingungen ab. In zahlreichen Staaten ist durch die Besteuerung der Dieselkraftstoff günstiger als Ottokraftstoff, so dass sich die meist höheren Anschaffungskosten über die Laufzeit amortisieren. Zu den Nachteilen zählen
- Unkultivierter Motorenlauf (zumindest in der Vergangenheit)
- Leistungssteigerung nur über den Verbrennungsdruck möglich (Erhöhung des Drehmoments)
- höherer Ausstoß von Stickoxiden
- Das unbehandelte Abgas enthält immer den so genannten Dieselruß (wird auch als Schwarzrauch bezeichnet)
- Lungengängiger Feinstaub
- Höhere Produktionskosten
- Das größere Gewicht, wenn man den Dieselmotor mit Ottomotoren gleicher Leistung vergleicht und
- Die begrenzte Höchstdrehzahl von ca. 5000 1/min, die durch den konstanten Zündverzug des Dieselkraftstoffs begründet ist.

Abgase und Umwelt

Gesetzgebung

Der erste Hersteller von Kraftfahrzeugen, der einen Partikelfilter für den europäischen Markt serienmäßig einbaute, war der PSA-Konzern. Die ab dem 1. Januar 2005 gültige Abgasnorm Euro 4 erfüllten diese Fahrzeuge jedoch noch nicht, weil die Stickoxid-, Kohlenwasserstoffemissionen und Kohlendioxidemissionen noch zu hoch waren. Erst 2003 erschienen die ersten Fahrzeuge mit Dieselpartikelfilter, die Euro 4 erfüllen. Momentan bieten einige deutsche Hersteller in verschiedenen Fahrzeugen Partikelfilter meist als Sonderzubehör gegen Aufpreis an. Eine "Marketing-Variante" dieses Verfahrens hat momentan (Anfang 2005) Daimler-Chrysler im Programm: Der Hersteller baut bei einigen Modellen den Partikelfilter "serienmäßig" ein, jedoch bietet er den Kunden einen Minderpreis für die Abwahl des Partikelfilters an. Bei Peugeot und Citroen werden die Filter auch bei Kleinwagen serienmäßig angeboten. Erste Vorschläge des Umweltbundesamtes für den Partikelgrenzwert der Euro-5-Norm sind so niedrig, dass sie nur durch den Einsatz eines Partikelfilters zu erfüllen sind. In Österreich soll die Normverbrauchsabgabe (NOVA) ab 2005 um 300 € beim Kauf eines Neuwagens (PKW) mit Partikelfilter reduziert werden, andererseits soll die NOVA bei Neufahrzeugen ohne Filter um 150 € erhöht werden.

Geschichte

Normverbrauchsabgabe] Der Dieselmotor wurde 1892 von Rudolf Diesel erfunden. Während der Entwicklung wurden die verschiedensten Kraftstoffe im Versuch erprobt. Diesel strebte von Anbeginn die direkte Einspritzung in den Brennraum an, scheiterte jedoch an den mangelhaften Pumpen und an der fehlenden Präzision der Einspritzventile. Deswegen wurde der Umweg über eine Einspritzung des Kraftstoffes mit Luft gewählt, die es erlaubte, den flüssigen Kraftstoff genau genug zu dosieren und im Brennraum zu verteilen. Der heute aus Erdöl hergestellte Dieselkraftstoff wurde (in Deutschland und einigen anderen Ländern) nach dem Erfinder des Motors benannt. Die meisten heutigen Dieselmotoren können auch mit einem Pflanzenöl (Pöl) betrieben werden, jedoch sind dazu meistens Umbauten, insbesondere in der Kraftstoffversorgung, notwendig.
- Im Februar 1897 führte die Entwicklung Diesels zu einem Motor mit guten Laufeigenschaften.
- 1902 - 1910 produzierte MAN 82 Exemplare des stationären Dieselmotors DM 12
- 1908 - Prosper L'Orange entwickelt eine präzise arbeitende Einspritzpumpe sowie das Vorkammerprinzip.
- 1919 - meldet Prosper L'Orange seine Erfindung zum Patent an: Ein trichterförmiger Einsatz in der Vorkammer
- 1923 - Erster Traktor mit Vorkammer-Dieselmotor, erster LKW mit Dieselmotor
- 1936 - Erster PKW mit Dieselmotor (Mercedes-Benz 260 D)
- 1936 - DB 602/LOF6 Luftschiffmotor für das Luftschiff LZ129 Hindenburg
- 1937 - BMW 114 Flugzeugdieselmotor wird eingestellt
- 1968 - Peugeot stellt mit dem 204 den ersten Kleinwagen mit quer eingebautem Diesel vor
- 1988 - als erster Hersteller stellt FIAT im Modell Fiat Croma TD i.d. einen richtungsweisenden turboaufgeladenen, direkteinspritzenden Dieselmotor mit einer Leistung von 66 kW (90 PS) vor
- 1993 - FIAT erfindet die Common-Rail-Einspritzung und patentiert sie
- 2004 - In Westeuropa steigt der Anteil neuzugelassener Pkw mit Dieselmotor auf über 50 %.

Besonderheiten

Drehmomentverlauf und Leistungsabgabe

Dieselmotoren besitzen eine physikalisch bedingte Drehzahlgrenze von etwa 5.000 Umdrehungen je Minute (1/min). Dies ist durch den Zündverlauf des Kraftstoffs gegeben, den so genannten Zündverzug, der bei etwa 1 ms (Millisekunde) liegt. Bei Ottomotoren existiert dieses Hemmnis nicht, aktuelle Formel-1-Motoren drehen bis zu 19.500/min. Wegen der damit verbundenen Kolbengeschwindigkeit, den enormen Ansprüche an die Gleitflächen, an das Schmieröl und wegen der beschleunigten Massen der hochbeanspruchten Verbindungselemente (Kolbenbolzen), sind derart hoch drehende Ottomotoren als sogenannte Kurzhuber ausgeführt. Aus der Gleichung Leistung = Drehmoment × Drehzahl x 2 x Pi lässt sich jedoch ableiten, dass ein Diesel bei 4.000/min doppelt so viel Drehmoment liefern muss wie ein Otto-Motor mit gleicher Leistung bei 8.000/min. Weiterhin steht bei gleichem Hubraum und 4.000/min nur halb soviel Luftmasse pro Zeiteinheit zur Verfügung wie bei 8.000/min. Drehmoment bedeutet gleichzeitig Gewicht und hohe Verbrennungsdrücke. Hinzu kommt, dass der Diesel ein hohes Verdichtungsverhältnis benötigt, damit die komprimierte Luft im Kompressionstakt genügend verdichtet und damit erhitzt wird. Der eingespritzte Dieselkraftstoff entzündet sich dadurch von selbst. Dieselmotoren sind meist als Langhuber ausgeführt, was der Drehmomentabgabe zugute kommt. Damit benötigen Diesel für vergleichbare Leistungen mehr Hubraum oder eine Motoraufladung, und so sind sie bei dieser Art des Vergleiches schwerer und drehmomentstärker als entsprechende Ottomotoren. Kommt eine Motoraufladung zum Einsatz, liegt das Drehmomentmaximum in der Regel bei recht geringen Drehzahlen, zum Teil bereits knapp über der Leerlaufdrehzahl, bei 1.600/min (Pkw-Diesel). Bei einer Maximaldrehzahl von etwa 4.000/min liegen somit günstige Elastizitätswerte vor. Obwohl der aufgeladene Diesel aufgrund seiner Drehzahlgrenze mit dem nachgeschalteten Getriebe weniger untersetzt wird, beschleunigt er sehr gut. Bereits im Leerlauf kann der Dieselmotor große Drehmomente zur Verfügung stellen (typisch 50 % vom Maximalwert). In einigen Straßenfahrzeugen wird die Drehmomentkurve durch die Steuerelektronik begrenzt. Ein Indiz hierfür ist konstantes Drehmoment über einen breiten Drehzahlbereich. Gelegentlich wird zu dieser Maßnahme gegriffen, um den Antriebsstrang vor Überlastung zu schützen. Beispiel hierfür ist eine Unterscheidung des maximal angebotenen Drehmoments beim V6-Diesel von Daimler-Chrysler mit 3,0 Liter Hubraum: nur die Käufer eines Automatik-Getriebes kommen in den Genuss des vollen Drehmoments; bei der Schaltgetriebe-Version wird die Einspritzmenge limitiert, um nicht mit zu hohem Motor-Drehmoment das Schaltgetriebe zu zerstören.

Drosselklappen

Beim Prinzip des Dieselverfahrens sind Drosselklappen prinzipiell nicht erforderlich und wegen der Drosselverluste (Vergrößerung Ladungswechselschleife) für den Wirkunsgrad nicht sinnvoll. Allerdings werden in modernen PKW aus Gründen der strengen Abgasnormen Drosselklappen verbaut. Durch eine Drosselklappe kann im Betrieb mit Abgasrückführung ein höheres Druckgefälle erreicht werden. Zusätzlich kann im Regenerationsbetrieb des Partikelfilters ein zu starkes Durchströmen von Luft, d.h. hier Abkühlen des Abgases verhindert werden. Außerdem kann die Drosselklappe zur Verbesserung des NVH- Verhaltens (Noise Vibration Harshness) genutzt werden. Eine Art Drosselung wird beim 4-Ventil Dieselmotor im PKW zur Erhöhung der Luftverwirbelung in jeweils einem Einlasskanal angewandt. Diese bauliche Maßnahme wird Einlasskanalabschaltung genannt kommt nur im unteren Last- und Drehzahlbereich zum Einsatz (Verminderung des Partikelausstoßes - Beachte Trade Off PM/NOx). In der Geschichte gibt es Beispiele für Dieselmotoren mit Drosselklappen, die aus einem anderen Grund mit einer Drosselklappe ausgestattet waren. So z. B. der 260D von Mercedes-Benz: Mit diesem Modell wurde 1936 das erste Pkw-Diesel Fahrzeug vorgestellt. Noch bis in die 1980er Jahre baute Mercedes in Dieselmotoren Drosselklappen ein, weil die früher verwendete Bauart der Bosch-Einspritzpumpe pneumatisch, d.h. durch leichten Unterdruck im Ansaugtrakt gesteuert wurde. Diese Art der Regelung ist jedoch recht anfällig für Schwarzrauchbildung in manchen Betriebszuständen: eine Überfettung des Motors mit zuviel Dieselkraftstoff, der nicht komplett verbrennt und Ruß erzeugt.

Zündstrategien

Die von Ottomotoren bekannte Vorzündung findet sich in abgewandelter Form auch in der Motorsteuerung von Dieselmotoren wieder. Bei mechanisch geregelten Pumpen gibt es dazu zwei Mechanismen: Der Spritzversteller sorgt abhängig von der Motordrehzahl für eine frühzeitige Einspritzung vor dem oberen Totpunkt und der Kaltstartbeschleuniger verlegt den Einspritzbeginn bei tiefen Temperaturen in der Kaltlaufphase in Richtung 'früh'. Bei elektronisch geregelten Pumpen werden diese Aufgaben vom Steuergerät übernommen. Eine neuere Entwicklung in der Einspritztechnik ist die Common-Rail-Technik. Dabei wird nicht mehr ein Druckpuls erzeugt, der das Ventil öffnet, sondern es gibt ein gemeinsames Hochdruckreservoir (=Common Rail) für alle Einspritzdüsen das auf konstantem Druck gehalten wird, und das Einspritzen besorgt das elektromagnetisch oder piezoelektrisch gesteuerte Ventil selbst. Dadurch ist es möglich, extrem kleine Kraftstoffmengen als Voreinspritzung vor der Hauptmenge in den Zylinder einzubringen. Nacheinspritzungen zur Erhöhung der Abgastemperaturen bei der Dieselpartikelfilterregeneration werden dadurch ebenfalls möglich. Ohne gemeinsames Reservoir aber ebenfalls mit elektromagnetischem Ventil kommt die Pumpe-Düse Einspritztechnik daher. Die Druckerzeugung findet für jede Düse in einem gemeinsamen Bauteil statt. Dadurch entfallen die Druckleitungen und es können höhere Drücke als bei der Common Rail Technologie verwendet werden. Die Pumpe-Düse ist teurer als Common Rail.

Der Diesel-Boom im PKW-Bereich

Bis in die Mitte der Neunziger Jahre galten Diesel-PKWs als sparsam und zuverlässig, aber auch in Bezug auf Fahrleistungen selbst bei identischer Leistung einem Ottomotor unterlegen. Dies änderte sich durch die Einführung der direkten Kraftstoffeinspritzung. Zuvor wurden zugunsten der Laufruhe bei schnellaufenden Kleindieselaggregaten (PKW-Motoren) der Kraftstoff nicht direkt in den Brennraum injiziert, sondern in eine Vorkammer (z.B. Mercedes) oder eine Wirbelkammer (z.B. BMW) eingespritzt. Audi führte im Jahre 1989 den tdi ein, ein 2,5l Fünfzylinder mit direkter Kraftstoffeinspritzung. Zusammen mit der Turboaufladung und der Ladeluftkühlung wurde diese Dieselgeneration sehr elastisch. Die direkte Kraftstoffeinspritzung mit hohem Druck (über 1000 Bar anstatt 200 Bar bei den Vor- und Wirbelkammermotoren) führte zu einer Leistungssteigerung, zu einem höheren Wirkungsgrad (damit zu niedrigerem Verbrauch) und der Diesel verlor seine Zähigkeit. Zu Beginn wurden spezielle Verteilereinspritzpumpen (z.B. die VP44 von Bosch) verwendet, später wechselten die meisten Hersteller zu kostengünstigeren Common-Rail-System oder zur Pumpe-Düse Technik.

Die Leistungssteigerung der Dieselmotoren

In der Theorie kennt der Diesel keinen limitierenden Faktor wie der Ottomotor (Klopfgrenze) bezüglich der Verbrennungsdrücke. Alle derzeitigen Grenzen sind mechanischer Natur. Das Leistungspotential der heutigen Dieselmotoren ist noch lange nicht ausgeschöpft. Erste Hersteller (Opel, BMW) bieten die sogenannte Registeraufladung, welche zu Leistungen bis zu 75kw (100PS) pro Liter Hubraum führt. Mittelfristig sind Motoren mit Mehrfacheinspritzung geplant, die eine Leistung von 100kw je Liter Hubraum erreichen sollen.

Thermodynamik

Wenn man den thermodynamischen Modellprozess betrachtet, beim Diesel ist es der Gleichdruckprozess (Diesel-Prozess und der Seiliger-Prozess), stellt man fest, dass mit höherer Verdichtung der Wirkungsgrad immer besser wird. Bei Dieselmotoren spiegelt sich das im geometrischen Verdichtungsverhältnis wieder, welches bei etwa 1:17 bis 1:23 liegt. Allerdings bedeutet eine höhere Verdichtung ein Ansteigen der Maximaltemperatur im Prozess. Das hat zur Folge, dass der in der Luft enthaltene Stickstoff überproportional mit dem Luftsauerstoff oxidiert und zu einer wiederum überproportional hohen Stickoxid-Konzentration (NO_X) im Abgas führt. Aus Umweltschutzgründen und bei PKW-Motoren aus Gründen der Laufruhe wird darum auf eine höhere Verdichtung und somit auch auf einen höheren Wirkungsgrad verzichtet. Abhilfe kann die so genannte Abgasrückführung (AGR) schaffen. Dabei wird der dem Motor zugeführten Luft Abgas beigemischt. Dieses bewirkt eine Reduktion des Sauerstoff- und Stickstoffanteils. Dadurch werden die Spitzentemperaturen bei der Verbrennung gesenkt und damit kommt es zu einer Reduktion des (NO_x)-Anteils im Abgas. Ist der Abgasanteil im Verhältnis zum später eingespritzten Dieselkraftstoff zu hoch, beginnt ein Dieselmotor wegen des Sauerstoffmangels zu rußen (Schwarzrauchbildung). Daher ist die reproduzierbare, aber komplexe Steuerung der zugemischten Abgasmenge in Abhängigkeit von einigen weiteren Einflussfaktoren sehr wichtig. Wenn man im Vergleich dazu den Ottomotor und seinen thermodynamischen Vergleichsprozess (den Gleichraumprozess oder Otto-Prozess) betrachtet, dann hätte der Ottomotor den besseren Wirkungsgrad – wenn er nur so hoch verdichten könnte wie der Diesel.

Motorräder

Otto-Prozess Motorräder mit Dieselmotoren sind ungewöhnlich, aber es gibt sie. Nach Stand 2005 sind Umbauten der in Indien gefertigten Royal Enfield Bullet mit italienischen Lombardi- und einem deutschen Hatz Dieselmotor käuflich, beide mit ca. 8 kW. Diese Motorräder dürften die wirtschaftlichsten Kraftfahrzeuge sein. Unter dem Namen EDIMO (Esslinger Diesel-Motorrad) wurde von der Fachhochschule Esslingen ein Diesel-Motorrad entwickelt und gebaut. Von Beginn des Projekts im Sommersemester 2000 bis zum Sommersemester 2005 arbeiteten 164 Studenten aus den Fachbereichen FZ und MB in 44 Gruppen an EDIMO. Ein Projektplan mit genau definierten Schnittstellen garantiert, dass gleichzeitig mehrere Gruppen nach dem Prinzip des 'Simultaneous Engineering' arbeiten können. Die Erprobung des für den Straßenverkehrs zugelassenen Prototyps begann im Wintersemester 2004/05. Das von einem Smart CDI-Motor angetriebene Motorrad erreicht 165 km/h und verbraucht 3,2 l Diesel auf 100 km Landstraße. http://www.fht-esslingen.de/fhte/1263 Noch ein interessanter Link in Sachen Dieselmotorrad: http://www.dieselkrad.info

Flugzeuge

Seit einigen Jahren werden nun neu, seit den vor etlichen Jahrzehnten aufgegebenen, wenig erfolgreichen Experimenten von Jumo (siehe Gegenkolbenmotor) und Rolls-Royce, wieder ernsthafte Versuche unternommen, die Vorteile des Dieselmotors auch in der Luftfahrt nutzbar zu machen, z.B. durch Umbauten des Volkswagen -Vierzylinder-TDI-Motors oder des 1,7-l Motors aus der Mercedes-A-Klasse. Von Diamond Aircraft wird bereits sehr erfolgreich ein kleines Flugzeug mit einem von der Thielert AG umgebauten Mercedes-Motor verkauft. Die Fortschritte in der Dieseltechnologie erlauben es, bei gleicher Reichweite einen kleineren und damit leichteren Tank einzubauen der das höhere Motorgewicht relativiert. Damit kann das Leistungsgewicht des Gesamtsystems Motor + Treibstoff auf Ottomotorniveau gesenkt werden, bei höheren Reichweitenaforderungen ist das Dieselmotorsystem sogar klar im Vorteil. Probleme mit dem ungünstigeren Leistungsgewicht, mit den in der Luftfahrt komplexen Zulassungsverfahren sowie mit der marktbeherrschenden Position der Otto-Motorenanbieter erschweren die Einführung jedoch und machen den Flug-Dieselmotor für große Automobilmotor-Produzenten wenig attraktiv. Kleine Firmen wie z.B Thielert, DeltaHawk oder SMA sind jedoch auf diesem Gebiet aktiv. Dieselmotoren sind für den Antrieb von Flugzeugen interessant, weil man sie mit Kerosin (JET-A1) betreiben kann. Das ist auf Flughäfen günstiger zu bekommen als Otto Kraftstoff. Die Wankel AG bietet einen Wankelflugmotor der mit Kerosin betrieben werden kann, aber kein Selbstzünder ist.

Literatur

- Rudolf Diesel, Die Entstehung des Dieselmotors. Erstmaliges Faksimile der Erstausgabe von 1913 mit einer technik-historischen Einführung., Steiger Verlag, Moers, 1984. ISBN 3921564700
- Max J. Rauck, 50 Jahre Dieselmotor: zur Sonderschau im Deutschen Museum, Leibniz-Verlag, München, 1949. ISBN B0000BMMSD
- Klaus Mollenhauer, Handbuch Dieselmotoren, VDI, Springer Verlag Berlin, ISBN 3-540-41239-5

Weblinks

- [http://www.k-wz.de/vmotor/dieselm.html interaktiver Dieselmotor-Prozess]
- http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph09/umwelt_technik/08diesel/diesel.htm
- http://www.dieselschrauber.de
- DEUTZ AG (Wiege des Motorenbaus): [http://www.deutz.de www.deutz.de], [http://www.deutz.de/webgate/DeutzCS.nsf/vwFiles/Chronik/$FILE/chronik.html Chronik] Kategorie:Verbrennungsmotor ja:ディーゼルエンジン ko:디젤 엔진

Energiequelle

Der Begriff Energiequelle beschreibt allgemein eine Möglichkeit, Nutzenergie für eine Anwendung zu gewinnen. Energiequellen im allgemeinen (politischen) Sprachgebrauch sind Möglichkeiten zur Gewinnung von Nutzenergie (Strom, Heizwäme, Treibstoffe); z.B. nukleare oder fossile Brennstoffe, sowie regenerative Energie wie Sonnenenergie oder Erdwärme. Möglichkeiten zur Energiespeicherung (z.B. Wasserstoff, Batterien, etc.) bezeichnet man in technischen Systemen als Energiequelle, allgemein jedoch treffender als sekundäre Energieträger. Der Begriff Energiequelle ist streng physikalisch nicht korrekt, da es - global gesehen - keine Energie-Quellen oder -Senken gibt (Energieerhaltungssatz). Energie kann lediglich umgewandelt werden. Bezogen auf die menschliche (kommerzielle) Nutzung bzw. den Markt stellen insbesondere die erneuerbaren Energiequellen jedenfalls Quellen dar. Im Bereich der Politik wird teilweise der Begriff Energieträger fälschlich als Synonym für Energiequelle benutzt. Energiequellen werden im allgemeinen (politischen) Sprachgebrauch unterschieden in fossile, regenerative und nukleare Energiequellen.

Fossile Energiequellen

Die als Energiequelle nutzbaren fossilen Energieträger sind aus Biomasse entstandene Stoffe, die - durch Sedimentschichten von der Atmosphäre abgeschlossen - nicht verrotten konnten und so ihre chemische Energie erhielten. Fossile Energieträger sind Kohle, Erdgas, Erdöl und Methanhydrat. Allen fossilen Energieträgern ist gemeinsam, dass sie nur in begrenztem Maß vorhanden sind und ihre Verwendung mit CO₂-Emissionen verbunden ist (siehe Treibhauseffekt, Klimawandel, Klimaschutz).

Braun- und Steinkohle

Stein- und Braunkohle bildeten sich vor 200 bis 400 Millionen Jahren aus abgestorbenen Bäumen und Pflanzen, die im Morast absackten und langsam zusammengedrückt wurden. Dieser Prozess wird auch als Inkohlung bezeichnet. Steinkohle ist die tieferliegende, ältere Kohlenart und wird vorwiegend unter Tage in Stollen und Schächten abgebaut, während die weiter oben liegende Braunkohle nach dem Abräumen der Deckschichten (Abraum) im Tagebau abgebaut werden kann. Je tiefer die Kohle liegt, desto weniger Sauerstoff und desto mehr Kohlenstoff hat sie. Dies erhöht den Heizwert der Kohle. Stein- und Braunkohle werden in Dampfkraftwerken verfeuert. Die daraus entstehende Wärmeenergie wird genutzt, um Wasser zu Wasserdampf umzuwandeln und damit über eine Dampfturbine mechanische, daraus wiederum über einen Generator elektrische Energie zu gewinnen. Weiterhin wird Steinkohle zum Betrieb von Wohnraumheizungen und in der Stahlherstellung verwendet. Kohle ist ein heimischer Energieträger, sichert also Arbeitsplätze und vermindert die Importabhängigkeit; allerdings ist heimische Kohle verglichen mit Importkohle sehr teuer, muss also massiv subventioniert werden um konkurrenzfähig zu bleiben. Ausserdem ist Strom aus Kohlekraftwerken je nach Bedarf abrufbar, benötigt also keine "Schattenkraftwerke" zum Ausgleich von Schwankungen. Kohle ist als fossiler Energieträger nur in begrenzem Umfang vorhanden, und als Grundstoff für die chemische Industrie eigentlich zu schade zum Verbrennen. Ausserdem ist die Verbrennung von Kohle im Vergleich mit anderen fossilen Energieträgern (Erdöl, Erdgas) mit vergleichsweise hohen CO₂-Emissionen verbunden, da Kohle im wesentlichen aus Kohlenstoff besteht. Die Verbrennung von Kohle ist zudem - bedingt durch die enthaltenen Verunreinigungen - mit relativ hohen Schadstoffemissionen (Schwefelverbindungen, Stickstoffverbindungen, Stäube) verbunden, die sich nur mit hohem technischen Aufwand reduzieren lassen. Schlußendlich verursacht der Abbau von Kohle - besonders der Tagebau bei der Braunkohle - enorme Umweltschäden.

Erdöl

Erdöl entstand vor etwa 70 Millionen Jahren aus abgestorbenen Wassertieren- und pflanzen durch Sedimentation der Mikroorganismen in Verbindung mit mineralischen Schwebstoffen, es ist der unter normalen Bedingungen flüssige Anteil des aus dem Umwandlungsprozess; es besteht im wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen. Typische Verunreinigungen sind Schwefel-Verbindungen, Schwefelwasserstoff und Stickstoff-Verbindungen. Erdöl wird zur Stromerzeugung in Dampfkraftwerken, als Ausgangangsstoff für Treibstoffe (Benzin, Diesel), zum Heizen sowie als Grundstoff in der chemischen Industrie verwendet. Strom aus Ölkraftwerken ist je nach Bedarf abrufbar, benötigt also keine "Schattenkraftwerke" zum Ausgleich von Schwankungen. In geringerem Maß als Kohle ist Erdöl aus der Nordsee ein heimischer Energieträger, er sichert also Arbeitsplätze. Die Vorkommen in der Nordsee sind allerdings sehr begrenzt. Erdöl ist als fossiler Energieträger nur in begrenzem Umfang vorhanden, und als essentieller uund vielseitiger Grundstoff für die chemische Industrie (Grundstoff für Schmierstoffe, Kunststoffe und vieles andere) noch mehr als Kohle zu schade zum Verbrennen. Ausserdem ist die Verbrennung von Erdöl auch im Vergleich mit anderen fossilen Energieträgern mit vergleichsweise hohen CO₂-Emissionen verbunden, wenngleich die Verbrennung weniger CO₂ freisetzt als die Verbrennung von Kohle. Die Verbrennung von Erdöl ist zudem - bedingt durch die enthaltenen Verunreinigungen - mit relativ hohen Schadstoffemissionen (Schwefelverbindungen, Stickstoffverbindungen) verbunden, die sich nur mit hohem technischen Aufwand reduzieren lassen. Nicht zuletzt ist Erdöl ist ein Umweltschadstoff (Ölpest), die Gewinnung von Erdöl führt zu enormen Umweltbelastungen - sowohl bei der normalen Gewinnung (Leckagen) als auch bei Tankerunglücken (siehe z.B. Exxon Valdez, Amoco Cadiz, u.a.)

Erdgas

Erdgas entstand zusammen mit dem Erdöl, es ist der unter normalen Temperaturbedingungen gasförmige Anteil aus dem Ergebnis des Umwandlungsprozesses. Erdgas besteht vorwiegend aus Methan (CH4). Typische Verunreinigungen sind Schwefel-Verbindungen, Schwefelwasserstoff und Stickstoff-Verbindungen. Erdgas wird zur Stromerzeugung mit Gasturbinen, zum Heizen und seit einiger Zeit auch als PKW-Treibstoff (CNG) verwendet. Erdgas ist außerdem Ausgangsstoff für Synthesegas, das in der chemischen Industrie Verwendung findet (Produktion von Acetylen, Methanol, Wasserstoff und Ammoniak). Erdgas enthält im Vergleich zu Kohle und Erdöl erheblich weniger Verunreinigungen und ist daher ein vergleichsweise umweltfreundlicher fossiler Energieträger; Erdgas enthält zudem - chemisch gesehen - einen höheren Wasserstoffanteil als Kohle oder Erdöl und setzt daher bei gleichem Energieertrag weniger CO₂ frei. Strom aus Gaskraftwerken ist je nach Bedarf sehr schnell abrufbar, benötigt also keine "Schattenkraftwerke" und ist im Gegensatz zu Strom aus Kohlekraftwerken spitzenlasttauglich. Erdgas ist als fossiler Energieträger nur in begrenzem Umfang vorhanden, ausserdem muss Erdgas zum großen Teil importiert werden, macht also importabhängig. Die Verbrennung von Erdgas ist mit erheblichen CO₂-Emissionen verbunden, wenngleich die Verbrennung merklich weniger CO₂ freisetzt als die Verbrennung von Kohle oder Erdöl. Die Verbrennung von Erdgas ist mit - wennauch im Vergleich zu Kohle und Erdöl relativ geringen - Schadstoffemissionen (Schwefelverbindungen, Stickstoffverbindungen) verbunden, die sich nur mit hohem technischen Aufwand (z.B. Katalysatoren) reduzieren lassen. Nicht zuletzt ist Methan, der Hauptbestandteil von Erdgas, selbst ein Treibhausgas, das weitaus effektiver ist als CO₂. Erdgas aus Leckagen fördert also den Treibhauseffekt.

Methanhydrat

Methanhydrat (Methanklathrat, Methaneis) besteht aus Methan, das in gefrorenes Wasser eingelagert ist, wobei die Wassermoleküle das Methan vollständig umschließen, man spricht daher auch von einer Einlagerungsverbindung (Klathrat). Erstmals wurde Methanhydrat 1971 im Schwarzen Meer entdeckt. Methanhydrat bildet sich in überraschend großer Menge am Boden von Ozeanen, wo der Druck hoch und die Temperatur niedrig genug ist. Bei geschätzten zwölf Billionen Tonnen Methanhydrat ist dort mehr als doppelt so viel Kohlenstoff gebunden wie in allen Erdöl-, Erdgas- und Kohlevorräten der Welt. Die großen Mengen gebundenen Methans lassen auf einen Energieträger der Zukunft hoffen, doch gestaltet sich der Abbau der Methanhydratfelder schwierig, denn in den höheren Wasserschichten bei geringerem Druck und höherer Temperatur zersetzt sich das Methanhydrat und große Mengen Methan entweichen ungenutzt. Sofern es gelingt, Methanhydrat effektiv abzubauen, ohne dass größere Mengen Methan in die Atmosphäte gelangen, ist wegen der ähnlichen Zusammensetzung eine Verwendung analog zum Erdgas denkbar - es hat also die gleichen Vorteile. Je nach der Menge der vorhanenen Verunreinigungen kann die Verbrennung möglicherweise weniger Schadstoffe als beim Ergdgas freisetzten. Auch Methanhydrat ist als fossiler Energieträger nur in begrenzem Umfang vorhanden. Die Verbrennung ist wie die von Erdgas ist mit erheblichen CO₂-Emissionen verbunden. Weiterhin ist Methan selbst ein Treibhausgas, das weitaus effektiver ist als CO₂. Größere Leckagen beim Abbau von Methanhydrat würden also ebenfalls den Treibhauseffekt fördern. Nicht zuletzt ist Methan aus Methanhydrat wie Erdgas in der chemischen Industrie verwendbar - also ebenfalls zu schade zum Verbrennen.

Regenerative Energiequellen

Erneuerbare Energiequellen tragen ihren Namen, weil sie im Gegensatz zu den - begrenzt vorhandenen - fossilen Enegieträgen ständig direkt oder indirekt von der Sonne nachgeliefert werden (Sonnenlicht, Wind, Wasserkraft) oder in extrem großer Menge vorliegen (Geothermie). Sie gehen daher quasi nie zur Neige.

Windenergie

Unterschiedlich erwärmte Luftschichten führen zu einer Verfrachtung von Luft, die als Wind bezeichnet wird. Windenergieanlagen nutzen heute in windreichen Gegenden die natürliche Energie des Windes, um diese mit Hilfe von Propellern in mechanische Energie und schließlich in einem Generator in elektrische Energie umzuwandeln. Windenergie wurde bereits seit dem 10. Jahrhundert in Windmühlen genutzt, um Getreide zu mahlen. Die Erzeugung von Strom durch Windenergie ist - vom Bau der Kraftwerke abgesehen - CO₂-frei und setzt - von den durch den Kraftwerksbau bedingten Emissionen abgesehen - keine weiteren Schadstoffe frei. Die energetische Amortisationszeit ist extrem kurz, sie liegt bei wenigen Monaten bis zu einem Jahr. Das Windenergieangebot folgt zeitlich dem jeweils aktuellen Strombedarf, Windenergie ist somit sehr gut für Spitzen- und Mittellastdeckung geeignet. Die Nutzung der Windenergie birgt keine nennenswerten Sicherheitsrisiken. Eine Windenergieanlage ist sehr zuverlässig, die technische Verfügbarkeit liegt zwischen 95 % und 99 %, die energetische bei ca. 90 %. Alle installierten Windenergieanlagen zusammen können weder gleichzeitig ausfallen, noch gleichzeitig keinen oder maximalen Strom liefern. Dazu ist die Windenergie unabhängig von Brennstoffen und deren Preisentwicklung; die Stromkosten entstehen fast ausschliesslich durch Investitionskosten. Dieser Faktor führt dazu, dass bei weiter steigenden konventionellen Energiepreisen die Stromgewinnung aus Windenergie konkurrenzfähiger wird; als rein einheimische Energiequelle und verringert sie die Abhängigkeit von globalen Preissteigerungen anderer Energiequellen. Windenergieanlagen sind direkt von den gerade herrschenden Windverhältnissen abhängig, die Erzeugung schwankt also; bei Windstille oder Sturm erzeugen sie keinen Strom. Da die Speicherung von Strom aktuell nur mit von Umwandlungsverlusten behafteten Pumpspeicherkraftwerken erfolgen kann, müssen unter anderem konventionelle Kraftwerke, die ihren Strom aus nicht schwankungsbehafteten Quelle beziehen, diese Schwankungen ausgleichen. Durch die mittlerweile recht gute Prognostizierbarkeit des Windangebots sinkt dieser Anteil aber auf unter 10 % der Windenergiekapazität und kann von bestehenden Kraftwerken innerhalb ihrer Regeltätigkeit aufgebracht werden. Windenergieanlagen sind ökologisch umstritten, da die Gefahr des Vogelschlags besteht, allerdings ist die absolute Gefahr dafür um einen Faktor 10.000 niedriger als im Straßenverkehr. Windenergieanlagen können im Betrieb schädlichen Infraschall abstrahlen und führen an Land durch ihre auffällige Bauart zu (wenn auch subjektiver) optischer Umweltverschmutzung. In der Nähe von Straßen und Siedlungen geht von Windenergieanlagen im Winter die Gefahr von Eiswurf aus, im Fall eines Rotordefekts oder wenn eine Anlage umstürzt sind die Rotorblätter tödliche Geschosse. Eine Liste von Störfällen mit Windkraftanlagen findet sich [http://members.aol.com/fswemedien/ZZUnfalldatei.htm hier], neben diversen Störfällen mit den Anlagen selbst (Brand, Mast- und Rotorbruch, sonstige Schäden) sind dort tödliche Arbeitsunfälle sowie Sachschäden durch Eiswurf dokumentiert. Personenschäden an Dritten (z.B. Passanten) sind bisher noch nicht bekannt, wohl aber knappe "Steifschüsse". Für einige Anlagen wurde behördlich die Abschaltung der Anlagen bei Wetterlagen verfügt, die Eiswurf erwarten lassen. In der Sichtweite von Straßen gefährden Windenergieanlagen die Verkehrssicherheit, weil die Aufmerksamkeit der Fahrer unbewußt abgelenkt wird. Strom aus Wind ist zur Zeit noch erheblich teurer als konventionell erzeugter Strom, allerdings kann die Windenergie auch nicht auf die jahrzehntelange massive Förderung anderer Energiequellen zurückblicken.

Wasserkraft

Wasserkraftwerke nutzen die potentielle Energie (Energie aus dem Höhenunterschied) oder kinetische Energie (Energie durch Geschwindigkeit) von stetig fließendem Wasser, um daraus mittels Wasserturbinen mechanische Energie und daraus wiederum elektrische Energie zu gewinnen. Da der natürliche Wasserkreislauf von der Sonne angetrieben wird, ist Wasserkraft quasi eine Form der Solarenergie. Wasserkraft wird im wesentlichen zur Erzeugung von Strom genutzt, die direkte Verwendung mechanischer Arbeit (Wassermühlen) ist eher verschwindend gering. Die Erzeugung von Wasserkraft ist - vom Bau der Kraftwerke abgesehen - CO₂-frei und setzt - von den durch den Kraftwerksbau bedingten Emissionen abgesehen - keine weiteren Schadstoffe frei. Desweiteren ist Strom aus Wasserkraftwerken je nach Bedarf abrufbar, benötigt also keine "Schattenkraftwerke" zum Ausgleich von Schwankungen. Die für Wasserkraftwerke in der Regel nötigen Stauseen sind auf geeignete Geländestrukturen angewiesen, die nur begrenzt zur Verfügung stehen. Wasserkraft ist also von der gewinnbaren Menge her stark begrenzt; die Möglichkeiten in Deutschland sind weitgehend ausgereizt. Außerdem ist die Anlage von Stauseen flächenintensiv. Wenn beim Anlegen von Stauseen Wälder geflutet werden, entsteht bei der nachfolgenden Verrottung des organischen Material eine großen Menge Methan, das als Treibhausgas wirkt. Ausserdem wird bei dem Prozess Sauerstoff verbraucht, so dass in dieser Phase (die viele Jahre dauern kann) der Stausee ziemlich lebensfeindlich ist.

Sonnenenergie

Zur direkten Nutzung der Energie aus der Strahlung der Sonne kann diese entweder direkt ([Photovoltaik]) oder indirekt (solarthermisch]]) in elektrischen Strom verwandelt oder unmittelbar als Solarwärme genutzt werden.

[[Photovoltaik

Bei der Photovoltaik wird Sonnenlicht mittels Solarzellen direkt in elektrischen Gleichstrom umgewandelt. Die Nutzung der Sonnenenergie ist - vom Bau der Anlagen abgesehen - CO₂-frei und setzt - von den durch den Kraftwerksbau bedingten Emissionen abgesehen - keine weiteren Schadstoffe frei. Ausserdem ist die Erzeugung von Strom mittels Photovoltaik die einzige Form der elektrischen Energiegewinnung die im Betrieb völlig emissionsfrei ist, also keine Abgase, keine Strahlung, keine Stäube, keinen Lärm und keine Abwärme erzeugt. Die Nutzung der Solarenergie birgt keine Sicherheitsrisiken. Die energetische Amortisationszeit ist relativ kurz, sie liegt bei wenigen Jahren. Zusammen mit einer sehr hohen Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten ergibt sich ein Vielfaches der Herstellungsenergie als Nutzenergie. Das Sonnenenergieangebot folgt zeitlich dem jeweils aktuellen Strombedarf, tagsüber und gerade zur Mittagsspitze erreicht die Solarenergie ihr Angebotsmaximum, sie ist somit sehr gut für Spitzen- und Mittellastdeckung geeignet und aufgrund dessen ein wertvoller Baustein im Energiemix. Dazu ist die Photovoltaik unabhängig von Brennstoffen und deren Preisentwicklung; die Stromkosten entstehen ausschliesslich durch Investitionskosten. Dieser Faktor ermöglicht, dass bei weiter steigenden konventionellen Energiepreisen die Stromkosten aus Photovoltaik kontinuierlich sinken werden. Solarenergie ist eine rein einheimische Energiequelle und verhindert damit die Abhängigkeit von globalen Preissteigerungen anderer Energiequellen. Eine Photovoltaikanlage ist sehr zuverlässig und praktisch wartungsfrei. Alle installierten Anlagen zusammen können weder gleichzeitig ausfallen, noch plötzlich keinen oder maximalen Strom liefern. In Deutschland ist die Photovoltaik als dezentrale Technik realisiert, die Energie wird dort erzeugt, wo sie auch verbraucht wird, Leitungsverluste entfallen. Auch die wirtschaftliche Realisierung der Photovoltaik ist dezentral orientiert. Der Kapitaleinsatz ist in kleinen Einheiten grossflächig verteilt und überwiegend durch kleinere Anlegeranteile aus der gesamten Bevölkerung getragen. Der Preis für Strom aus Photovoltaik ist gesetzlich geregelt und kann nicht durch Großkonzerne auf monopolistischer Basis kontrolliert werden. Anders als bei den konventionellen Energiequellen sind die durch die Physik gegebenen Möglichkeiten den Wirkungsgrad und die Fertigungskosten betreffend bei weitem noch nicht ausgeschöpft, durch verstärkte Forschung wird die Photovoltaik noch effizienter und günstiger. Das Angebot an Sonnenenergie ist an das Tageslicht gebunden und daher schwankend (Tag/Nacht, Wetter, Jahreszeit), daher ist die Gewinnung von Solarstrom mit dem Einsatz von steuerbarer Reserveenergie verbunden. Weiterhin ist die Herstellung von Solarzellen bezogen auf die elektrische Leistung zur Zeit noch sehr teuer und mit hohem Energieaufwand verbunden - dies führt dazu, daß Solarzellen (ca. 2 bis 4,4 Jahre ([http://www.chem.uu.nl/nws/www/publica/E2005-32.pdf Quelle])) betrieben werden müssen, um den bei der Herstellung betriebenen Energieaufwand wieder "hereinzuholen". In Mitteleuropa ist sowohl das Angebot an Solarenergie als auch die Wettersituation eher ungünstig für Photovoltaikanlagen, allerdings scheitert die Nutzung in klimatisch günstigeren Regionen (Südeuropa, Afrika, etc.) zur Zeit an fehlenden Möglichkeiten zum effektiven Transport (Stromleitungen hätten zu viele Verluste); hier könnte die noch in den Kinderschuhen steckende Wasserstofftechnologie (siehe auch unter "Wasserstoff" in diesem Artikel) in der Zukunft eine Lösung anbieten. Im direkten Preisvergleich kann die Photovoltaik derzeitig nicht mit den etablierten Energien konkurrieren, allerdings ist die breite Markteinführung einer jungen Technik immer mit einer Anschubfinanzierung verbunden, dies war im hohen Maße auch bei der Kernenergie so. Photovoltaik wird auch durch Verbesserungen beim Wirkungsgrad immer flächenintensiv bleiben, obwohl nur etwa 2 Prozent der Fläche Deutschlands rechnerisch ausreichen würden um den kompletten Jahresstrombedarf allein zu erzeugen.

Solarwärmenutzung

Bei der Solarwärmenutzung wird die beim Auftreffen des Sonnenlichts auf eine Oberfläche durch Absorption entstehende Wärme in Sonnenkollektoren über ein Trägermedium (z.B. Wasser) gesammelt und zum Heizen oder zur Brauchwassererwärmung genutzt. Eine Nutzung zur Stromgewinnung ist in Mitteleuropa ökonomisch nicht machbar. Die Nutzung der Sonnenenergie ist - vom Bau der Anlagen abgesehen - CO₂-frei und setzt - von den durch den Kraftwerksbau bedingten Emissionen abgesehen - keine weiteren Schadstoffe frei. Ausserdem ist die Gewinnung von Solarwärme völlig emissionsfrei. Das Angebot an Sonnenenergie ist an das Tageslicht gebunden und daher schwankend (Tag/Nacht, Wetter, Jahreszeit); Tageszeit- und Wetterschwankungen lassen sich allerdings bei der Solarwärmenutzung mittlerweile durch Wärmespeichertechniken (z.B. Latentwärmespeicher) weitgehend ausgleichen. Die jahreszeitlichen Schwankungen sind gravierender, da Solarwärme für Heizzwecke genau dann am wenigsten zur Verfügung steht, wenn man sie benötigt. Eine langfristige Speicherung von Wärme vom Sommer zum Winter ist trotz der thermischen Verluste technisch möglich, scheitert zur Zeit an der Wirtschaftlichkeit, dazu sind die Brennstoffpreise nicht hoch genug.

Solarthermische Kraftwerke und Aufwindkraftwerke

Bei solarthermischen Kraftwerken wird das Sonnenlicht über eine große Anzahl von Spiegeln auf einen Kollektor konzentriert, wodurch die für ein Kraftwerk mit Dampfkreislauf notwendigen Temperaturen erreicht werden. Aufwindkraftwerke erzeugen durch eine geeignete Konstruktion (ein umgekehrter Trichter) einen starken thermischen Aufwind, der sich mit Turbinen nutzen lässt. Die Nutzung der Sonnenenergie ist - vom Bau der Anlagen abgesehen - CO₂-frei und setzt - von den durch den Kraftwerksbau bedingten Emissionen abgesehen - keine weiteren Schadstoffe frei. Es fallen keine Brennstoffkosten an, ein Solarkraftwerk benötigt allerdings einen gewissen Wartungsaufwand. Aufwindkraftwerke schwanken - bedingt durch die träge Reaktion auch Schwankungen im Lichteinfall - nicht so schnell in Ihrer Energieabgabe und können auch nachts Strom liefern. Das Angebot an Sonnenenergie ist an das Tageslicht gebunden und daher schwankend (Tag/Nacht, Wetter, Jahreszeit), daher ist die Gewinnung von Solarstrom mit dem Einsatz von steuerbarer Reserveenergie ("Schattenkraftwerke") verbunden. In Mitteleuropa ist sowohl das Angebot an Solarenergie als auch die Wettersituation eher absolut unzureichend solarthermische Kraftwerke, die Nutzung in klimatisch günstigeren Regionen (Südeuropa, Afrika, etc.) scheitert zur Zeit an fehlenden Möglichkeiten zum effektiven Transport (Stromleitungen hätten zu viele Verluste); hier könnte die noch in den Kinderschuhen steckende Wasserstofftechnologie (siehe auch unter "Wasserstoff" in diesem Artikel) in der Zukunft eine Lösung anbieten.

Gezeitenenergie

Gezeitenkraftwerke nutzen die kinetische Energie der mit den [Gezeiten] verbundenen Meeresströmungen, um daraus elektrische Energie zu gewinnen. Dazu werden in geeignet geformten Flussmündungen oder an ähnlichen Küstenlinien mit starkem Tidenhub Staudämme mit Turbinen errichtet. Eines der bekanntesten Gezeitenkraftwerke befindet sich in der Mündung der Rance bei Saint-Malo, Frankreich. Die Erzeugung von Strom in Gezeitenkraftwerken ist - vom Bau der Kraftwerke abgesehen - CO₂-frei und setzt - von den durch den Kraftwerksbau bedingten Emissionen abgesehen - keine weiteren Schadstoffe frei. Gezeitenkraftwerke sind nur an Orten rentabel, die eine geeignete Küstenlinie mit einem starken Tidenhub aufweisen; solche Orte sind nur sehr begrenzt verfügbar. Ausserdem stellen Gezeitenkraftwerke unter Umständen einen erheblichen Eingriff in teilweise sehr sensible Ökosysteme dar.

Wellenenergie

Wellenkraftwerke sollen die Energie der durch den Wind auf der Wasseroberfläche des Meeres erzeugten Wellen nutzen. Die Entwicklung steckt jedoch noch in den Kinderschuhen. Die Erzeugung von Strom in Wellenkraftwerken ist - vom Bau der Kraftwerke abgesehen - CO₂-frei und setzt - von den durch den Kraftwerksbau bedingten Emissionen abgesehen - keine weiteren Schadstoffe frei. Da mit Wellenkraftwerken noch keine ausreichenden Erfahrungen vorliegen, kann über die ökologischen Auswirkungen wenig gesagt werden.

Erdwärme (Geothermie)

Die geothermische Energie ist die in Form von Wärme gespeicherte Energie unterhalb der Erdoberfläche. Im Erdinneren sind immense Mengen an Wärme gespeichert, die hauptsächlich durch den Zerfall natürlicher radioaktiver Isotope entstehen. Die Temperatur im Erdkern beträgt schätzungsweise 6000 °C, im oberen Erdmantel noch 1300 °C. 99 % des Erdballs sind heißer als 1000 °C, nur 0,1 % sind kühler als 100 °C. Dabei nimmt im Schnitt die Temperatur um 3 °C pro 100 m Tiefe zu. Manche Gebiete haben jedoch einen höheren Temperaturgradienten, so zum Beispiel in Italien, Island, Indonesien oder Neuseeland. Die Nutzung der Erdwärme ist - vom Bau der Anlagen abgesehen - CO₂-frei und setzt - von den durch den Kraftwerksbau bedingten Emissionen abgesehen - keine weiteren Schadstoffe frei ; soweit das geförderte heiße Wasser nicht gelöste Gase enthält, die freigesetzt werden. Ausserdem ist die Gewinnung von Erdwärme kaum mit anderen Emissionen (z.B. Infraschall) oder Beeinträchtigungen des Landschaftsbildes verbunden.

Biomasse

Biomasse zählt zu den nachwachsenden Rohstoffen, d.h. sie steht nicht unbegrenzt zur Verfügung (wie etwa Windenergie), kann jedoch innerhalb kurzer Zeit auf natürliche Weise wieder entstehen (im Gegensatz zu fossilen Energieträgern). Biomasse entsteht durch die Umwandlung von Energie aus der Sonnenstrahlung mit Hilfe von Pflanzen über den Prozess der Photosynthese in organische Materie. Biomasse stellt damit gespeicherte Sonnenenergie dar. Der Unterschied von Biomasse zu anderen Nutzungsarten der Sonnenenergie ist deren Unabhängigkeit von den Zeiten der Sonneneinstrahlung.

Nukleare Energiequellen

Kernspaltung

Bei der Kernspaltung von Uran oder Plutonium entstehen Energie und Neutronen, die ihrerseits wiederum weitere Spaltungen auslösen. Diese bei dieser Kettenreaktion frei werdende Energie wird in einem Kernreaktor kontrolliert genutzt.

Kernfusion

Unter Kernfusion versteht man die Verschmelzung leichter Atomkerne zu schwereren. Dabei entsteht ein neues chemisches Element. Die Sonne und andere Sterne gewinnen ihre Energie durch Kernfusion. Um die Fusion zu zünden, muss der Brennstoff (Wasserstoff-Plasma) in Magnetfelder eingeschlossen und auf 100 Millionen Grad aufgeheizt werden. Die größte Energieausbeute liefert die Reaktion zwischen den beiden schweren Sorten des Wasserstoffs - Deuterium und Tritium. Bei der Verschmelzung zu einem Heliumkern wird ein schnelles Neutron frei, das 80 Prozent der gewonnenen Energie mit sich trägt. Damit lassen sich aus einem Gramm dieses Brennstoffs durch Kernverschmelzung 50.000 Kilowattstunden Energie gewinnen, soviel wie die Verbrennungswärme von elf Tonnen Kohle. Die Grundstoffe, die für den Fusionsprozess benötigt werden, sind in nahezu unbegrenzter Menge vorhanden und über die ganze Welt verteilt.

Kernzerfall

Der Zerfall von radioaktiven Stoffen kann als Energiequelle benutzt werden, dabei wird die entstehende Zerfallswärme in Radioisotopengeneratoren zur Stromgewinnnung auf thermoelektrischer Basis und zum Heizen genutzt. Die gewinnbaren Energiemengen sind gering, dafür sind Radioisotopengeneratoren sehr robust, wartungsfrei und langlebig. Kernzerfallsgeneratoren wurden früher u.a. für Herzschrittmacher verwendet, heutzutage werden sie vornehmlich als Stromquelle und Heizung für Raumsonden im äußeren Sonnensystem eingesetzt, da dort Solarzellen keine ausreichende Leistung und keine Wärme liefern. = Weblinks =
- [http://www.umweltbundesamt.at/energietraeger.html Energieträgerinfo beim Umweltbundesamt]
- [http://www.dpg-physik.de/presse/hinter/klimastudie_2005.pdf Studie "Klimaschutz und Energieversorgung in Deutschland 1990 - 2020"] (pdf) der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG); Analyse 1990-2005 und Ausblick 2005-2020 mit Einzelanalyse der Energiequellen. Kategorie:Energietechnik Kategorie:Energiewirtschaft Kategorie:Erneuerbare Enegie Kategorie:Kernenergie

Kraft

Kraft ist eine Fähigkeit, etwas zu bewirken. Als physikalischer Fachbegriff bezeichnet Kraft die Fähigkeit, Körper zu beschleunigen oder zu verformen. Als physikalische Größe wird Kraft durch das Formelzeichen F (von frz./engl. force) bezeichnet. Ihre Einheit ist das Newton (N), zu Ehren von Sir Isaac Newton, der mit seinen Bewegungsgesetzen den modernen physikalischen Kraftbegriff schuf.

Wort- und Begriffsgeschichte

Das Wort Kraft ist altgermanischen Ursprungs; im Englischen hat craft infolge der Konkurrenz durch Altfrz. force eine eingeengte Bedeutungsentwicklung genommen. In der physikalischen Fachsprache ist Kraft spätestens im 17ten Jahrhundert mit Lat. vis, Frz. force gleichgesetzt worden (Kant: Von der wahren Schätzung der lebendigen Kräfte, 1747). Jenseits der Physik hat force im Engl. und Frz. breitere Bedeutungen als im Dt. und kann auch als Macht oder Stärke übersetzt werden (la force militaire d'un pays; la force du vent). Das griechische Wort für Kraft, δύναμις, lag der CGS-Einheit dyn zugrunde und lebt fort in Dynamik, was als physikalischer Fachbegriff die Lehre von der Bewegung unter dem Einfluss von Kräften bezeichnet. Im Deutschen bezeichnet Kraft eine körperliche oder geistige Voraussetzung zu bestimmten Handlungen (Muskelkraft; Krafttraining). In der zweiten Bedeutung – der Ausführung der Tätigkeit selbst (eine Kraft ausüben; unter der Kraft zusammenbrechen) kommt die Alltagsvorstellung von Kraft dem physikalischen Fachbegriff nahe. Der umgangssprachliche Kraftbegriff umfasst jedoch auch die Arbeitskraft oder die Schreibkraft. Der Begriff wurde früh auch auf Nichtlebendiges übertragen, so in Heilkraft (getrockneter Kräuter oder eines bestimmten Wassers). In der Rechtssprache bedeutet Kraft seit dem Mhd. Gültigkeit, heute nur noch in bestimmten Formeln: in/außer Kraft bleiben/treten/setzen, vgl. rechtskräftig. Aus in/durch Kraft entstand die Präposition kraft (kraft Amtes). Als physikalischer Fachbegriff wurde Kraft von Archimedes eingeführt und von Galilei aufgegriffen. Isaac Newton gelang es in seinen Bewegungsgesetzen (veröffentlicht 1687) den Begriff Kraft in bis heute gültiger Weise zu präzisieren. Bis weit ins 19te Jahrhundert benutzten Physiker das Wort Kraft jedoch auch in Bedeutungen, die nicht durch die newtonschen Gesetze gedeckt waren, und zwar insbesondere auch in der Bedeutung von Energie, denn der moderne Energiebegriff wurde erst mit dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik (Julius Robert von Mayer, 1842) geschaffen. Während die Kraft wie auch die Energie in der Physik von Newton über ihre Ursachen und Wirkungen differenziert betrachtet wird (Reibungskraft, Fliehkraft, Schwerkraft, kinetische Energie, potentielle Energie, Wärmeenergie usw.), unterscheidet die moderne Physik noch vier Grundkräfte und nennt sie auch Wechselwirkungen:
- Elektromagnetische Wechselwirkung
- Schwache Wechselwirkung
- Starke Wechselwirkung
- Gravitation Die Erscheinungen, die durch den Magnetismus und "magnetische Kräfte" beschrieben werden, sind lediglich ein relativistischer Nebeneffekt elektrischer Ströme. Alle newtonschen Kräfte lassen sich auf diese vier zurückführen. Eine wahrscheinliche Hypothese geht davon aus, dass auch sie in Wirklichkeit nur verschiedene Ausprägungen der selben Sache sind. Allerdings ist es bisher erst gelungen, die Elektromagnetische und die Schwache Wechselwirkung einheitlich zu erklären ("Elektroschwache Wechselwirkung").

Wirkung und vektorieller Charakter von Kraft

Kräfte erkennt man an ihren Wirkungen:
- Eine Kraft kann die Geschwindigkeit oder Bewegungsrichtung eines Körpers ändern.
- Eine Kraft kann einen Körper verformen (Deformation).
Davon gibt es zwei Arten: #Elastizität: Fähigkeit von Stoffen, eine Formänderung rückgängig zu machen, sobald die einwirkende Kraft wegfällt. #Plastizität (Duktilität): Vermögen eines Werkstoffes, seine Gestallt beizubehalten, die durch eine Krafteinwirkung entstanden ist. Um eine Kraft zu beschreiben, genügt es nicht, Zahlenwert und Einheit anzugeben; wichtig ist auch die Richtung, in die die Kraft wirkt:
- Wenn die Kraft in die gleiche Richtung zeigt wie die Geschwindigkeit des Körpers, auf den sie wirkt, beschleunigt sie ihn (Beschleunigung). Wenn die Kraft der Geschwindigkeit entgegengesetzt ist, bremst sie ihn ab. Bei jedem anderen Winkel zwischen Kraft und Geschwindigkeit bewirkt die Kraft auch eine Richtungsänderung (Querbeschleunigung).
- Die Verformung eines Körpers kommt genau genommen nicht durch eine einzelne Kraft zustande, sondern dadurch, dass an verschiedenen Angriffspunkten verschiedene Kräfte wirken (Spannung). Je nachdem, wie diese Kräfte gerichtet sind, wird der Körper gedehnt, komprimiert oder verzerrt. Eine physikalische Größe, die wie die Kraft erst durch die Angabe von Zahlenwert, Einheit und Richtung festgelegt ist, nennt man eine vektorielle Größe. Solche Größen kann man als Pfeile darstellen. In einem kartesischen Koordinatensystem hat ein Kraftvektor drei Komponenten: :F = (F_x; F_y; F_z) Hier und im Folgenden kennzeichnen wir Vektoren durch Fettdruck. Um beispielsweise die Gewichtskraft F_G zu beschreiben, mit der ein Körper der Masse m von der Erde angezogen wird, wählt man ein Koordinatensystem mit vertikaler z-Achse und erhält (mit der Erdbeschleunigung g) :F_G=(0; 0; m · g). Um mechanische Spannungen zu beschreiben, muss man Kraft sogar als ein vektorielles Feld auffassen: in jedem Angriffspunkt, bezeichnet durch den Ortsvektor r, kann prinziell eine andere Kraft F(r) herrschen.

Kraft in den newtonschen Gesetzen

Zum vektoriellen Charakter der Kraft gehört, dass sich entgegengerichtete Kräfte nach den Regeln der Vektoraddition aufheben können. Ist das der Fall, herrscht ein Kräftegleichgewicht. Ein Körper bewegt sich geradlinig, solange die auf ihn wirkenden Kräfte im Gleichgewicht sind. Insbesondere bleibt ein ruhender Körper in Ruhe. Auf diesem ersten newtonschen Axiom beruht die gesamte Statik. Nach dem zweiten newtonschen Axiom bewirkt eine Kraft F, die auf einen freien Körper ausgeübt wird, eine Änderung von dessen Impuls p: in jedem infinitesimal kurzen Zeitraum dt ändert sich der Impuls des Körpers um dp gemäß :F = d p / d t. Der Impuls eines Körpers hängt über p = m v mit Masse m und Geschwindigkeit v zusammen; da die Masse des Körpers in den meisten Anwendungen konstant bleibt (bekannte Ausnahme: die Herleitung der Raketengleichung), schreibt man das zweite newtonsche Axiom meistens in der Form :F = m d v / d t = m · a wobei a für die auf den Körper wirkende Beschleunigung steht. Diese Gleichung ist der Prototyp einer Bewegungsgleichung: wenn die Kraft F(r; t), sowie die Anfangsposition und Anfangsgeschwindigkeit eines Körpers gegeben sind, dann legt die Gleichung F = m · a den gesamten weiteren Bewegungsverlauf des Körpers fest. Die Hauptaufgabe der theoretischen Mechanik besteht darin, mit Hilfe der Vektoranalysis oder unter Nutzung des Lagrange- oder Hamilton-Formalismus diese Berechnung tatsächlich auszuführen. Die grundsätzliche, wenn auch nicht praktische Möglichkeit, aus gegebenen Anfangsbedingungen und Kräften die Bewegung beliebig komplizierter Systeme vorauszuberechnen, trug im 18. Jahrhundert zur Verbreitung eines mechanistischen Weltbildes bei. Das mechanistische Weltbild erklärt gut konservative Systeme, aus denen keine Energie entweicht. In der Praxis kommen jedoch nicht nur konservative Kräfte vor, sondern auch Reibungskräfte, die zur Erzeugung von Wärme führen, was nichts anderes ist, als ungeordnete Bewegung auf mikroskopischem Niveau. Die Entropie jedes Systems erhöht sich somit unumkehrbar, man spricht auch vom Wärmetod. Die Thermodynamik ergänzt die Mechanik entsprechend. Die Paradoxa der statistischen Mechanik, die Quantenmechanik und die Chaostheorie zeigten seit ungefähr 1900 grundsätzliche Grenzen der Berechenbarkeit in Modellen der klassischen Physik auf.

Messung von Kräften

Die Definition der SI-Einheit Newton als abgeleitete Einheit, 1 N = 1 kg · m / s², beruht auf der Möglichkeit, gemäß F = m · a eine Kraft über die von ihr verursachte Beschleunigung zu messen. Im Schulunterricht und in einigen anspruchslosen Anwendungen der Mechanik misst man Kräfte hingegen über die Verformung von Federn (die letztlich gegen F = m · a kalibriert sind). Dabei nutzt man das Hooke'sche Gesetz, demzufolge eine nicht zu starke Ausdehnung (Überdehnung) einer Spiralfeder der ausgeübten Kraft proportional ist. Die Kraft für das Zusammendrücken oder Auseinanderziehen ist jeweils: F = k · s, wobei s die Verlängerung oder Verkürzung in beispielsweise Zentimetern [cm] ist. Der Ausdruck k steht für die Federeigenschaft (weich oder hart), der sogenannten Federkonstante mit der Einheit [kp/cm]. Ist der Federweg z. B. 10 cm bei einer Feder mit k = 5 kp/cm, dann ist das Produkt F = 5 kp/cm · 10 cm = 50 kp

Verschiedene Kräfte

Gewichtskraft, träge und schwere Masse, ultra schwere Masse

Die Gravitation macht sich als Schwerkraft oder, gleichbedeutend, Gewicht oder Gewichtskraft bemerkbar. Gewichtskraft ist die Kraft, mit der ein Körper von der Erde angezogen wird. Diese Kraft ist proportional zur Masse m des Körpers, :F_G = m · g. Der Proportionalitätsfaktor g ist schwach ortsabhängig; im Schulunterricht wird er daher Ortsfaktor genannt. Er hat in Mitteleuropa den ungefähren Zahlenwert g = 9,81 N / kg; für viele Anwendungen genügt es, mit der Näherung 10 N/kg zu rechnen. Wenn man F_G in die linke Seite der newtonschen Bewegungsgleichung F = m · a einsetzt, erhält man m · g = m · a, wobei g für einen senkrecht nach unten gerichteten Vektor mit Betrag g steht. Aus dieser Beziehung kürzt sich die Masse m heraus, so dass man den Ortsfaktor g als eine Beschleunigung, die Erdbeschleunigung, identifizieren kann; folglich gibt man g auch in der Einheit m/s² an. Dass die Masse eines Körpers sowohl in die Bewegungsgleichung F = m · a als auch in die Gewichtskraft F_G = m · g eingeht, ist vielleicht der erstaunlichste Befund der newtonschen Mechanik. Man hat zwischen träger Masse (in der Bewegungsgleichung) und schwerer Masse (in der Bestimmung der Gewichtskraft) unterschieden und experimentell Abweichungen gesucht, aber nicht gefunden. Erst mit der allgemeinen Relativitätstheorie wurde erklärt, warum träge und schwere Masse tatsächlich exakt übereinstimmen.

Elektromagnetische Kräfte

Elektromagnetische Kräfte können als Anziehung oder Abstoßung zwischen elektrisch geladenen Körpern oder zwischen Magneten beobachtet werden. Viel bedeutsamer ist aber, dass solche Kräfte auch im Inneren von Materie wirken. Unsere Stoffwelt ist zusammengesetzt aus elektrisch positiv geladenen Atomkernen und negativ geladenen Elektronen. Positive und negative Ladungen kompensieren sich gegenseitig, so dass Alltagsgegenstände als ganze in der Regel elektrisch ungeladen sind. Selbst in elektrostatisch aufgeladenen Gegenständen herrscht, relativ gesehen, nur ein ganz geringer Elektronenüber- oder unterschuss. Deshalb sind die im Inneren von Materie wirkenden Kräfte um viele Größenordnungen stärker als elektrostatische Kräfte zwischen Alltagsgegenständen. Im wesentlichen bestehen die elektromagnetischen Kräfte im Inneren von Materie aus der elektrostatischen Anziehung und Abstoßung zwischen Elektronen und Atomkerne sowie aus der Lorentzkraft, die auf in Magnetfeldern bewegte Elektronen wirkt. Diese fundamentalen Kräfte machen sich in vielfältiger Weise bemerkbar:
- als Widerstand, den ein Körper einer Verformung entgegensetzt (Federkraft, Kompressibilität, Schubmodul);
- als Reibung zwischen den Oberflächen verschiedener Körper;
- als elektromotorische Kraft, die Elektronen durch einen Leiter treibt;
- in Fluiden als Kompressibilität und Viskosität.

Scheinkräfte

Im einfachsten Anwendungsfall beschreibt die newtonsche Bewegungsgleichung F = m · a die Bewegung eines einzelnen Körpers in einem gegeben Kraftfeld. In dieser Gleichung steht a für die zweite Zeitableitung des Ortsvektors r(t) des Körpers; die Kraft F ist in der Regel orts-, wenn nicht auch noch zeitabhängig. Das volle mathematische Problem der newtonschen Mechanik lautet also, unter gegebenen Anfangsbedingungen r(0) und v(0) aus der vektoriellen Differentialgleichung :F(r(t)) = m · d² r(t) / d t² den zeitlichen Verlauf von r(t) zu bestimmen. Die mathematische Struktur dieser Gleichung ist so anspruchsvoll, dass selbst eine so einfach formulierte Aufgabe wie die Berechnung einer Planetenbahn im Feld einer mit 1 / r² abnehmenden Zentralkraft im gymnasialen Schulunterricht in aller Regel unzugänglich bleibt. Nichtsdestoweniger sind Ergebnisse der newtonschen Mechanik längst in unser Alltagsdenken eingedrungen. Das wurde möglich, indem man an diese Ergebnisse eine eigene Begrifflichkeit geknüpft hat. Diese Begrifflichkeit besteht insbesondere aus einer ganzen Reihe von Scheinkräften, hinter denen sich partielle Lösungen oder Umformungen der newtonschen Gleichung verbergen. Beispiele für solche Scheinkräfte sind
- die Zentrifugalkraft, (Fliehkraft; siehe auch Zentripetalkraft);
- die Coriolis-Kraft;
- diverse Zwangskräfte in der technischen Mechanik. Ein Beispiel für einen anderen Begriff, der eine ganze Klasse von Kraftwirkungen zusammenfasst, ist das Drehmoment.

Eingeprägte Kräfte und Zwangskräfte, Auflagerkräfte

Um in der Technischen Mechanik technische Systeme (z. B. Tragwerke) einer Berechnung zugänglich zu machen, werden Bindungen zwischen den Körpern des Systems bzw. zwischen dem System und seiner Umwelt, die nur geringe Formänderungen zulassen, als starre Bindungen idealisiert. Solche starren Bindungen sind in der Regel Gelenke zwischen den Körpern oder Auflager. Damit geht der physikalische Charakter dieser Bindungen verloren, und die durch diese Bindungen bedingte mechanische Wechselwirkung der Körper wird durch die Zwangskräfte repräsentiert. Im Gegensatz dazu stehen die eingeprägten Kräfte, die – wie oben erläutert – ihre Ursache in physikalischen Gesetzen haben. Eingeprägte Kräfte und Zwangskräfte erfüllen zusammen die Gleichgewichtsbedingungen.

Weblinks

- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph08/m06_hooke.htm Krafteinführung und Gesetz von Hooke]
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph08/m07_zus_zerl.htm Kraftaddition und Zerlegung] Kategorie:Physikalische Größe Kategorie:Mechanik ja:力 simple:Force (physics)

Fuß

Der Fuß (lat. pes) ist der unterste Teil des Beines. Die Struktur des menschlichen Fußes und der Hand sind Variationen der selben fünf-Finger-Anatomie, die auch bei vielen anderen Wirbeltieren angelegt ist. Als Anpassung an den aufrechten Gang weist der menschliche Fuß eine hohe anatomische und funktionale Komplexität auf. Der Fuß besteht u.a. aus Zehen, Sohle und Ferse. Die Verbindung zum Unterschenkel wird durch den Knöchel (das Sprunggelenk) gebildet. In den Füßen befinden sich ein Viertel der 206 Knochen des menschlichen Körpers. An Fußsohle und Zehen finden sich die Rezeptoren der Hautsinne (Tastsinn) in besonders hoher Dichte. siehe auch:
- Fehlbildungen des Fußes siehe unter Plattfuß, Senkfuß, Podologie, Spreizfuß, Hallux valgus
- Schweißfuß
- Schuhgröße Schuhgröße Kategorie:Anatomie simple:Foot

Pedal

Als Pedal (neulateinische Begriffsbildung aus lat. pedalis = "zum Fuß gehörig") lässt sich im Prinzip jede mechanische Vorrichtung bezeichnen, die mit dem Fuß zu bedienen ist. Besonders geläufig sind Pedale in den folgenden Bereichen:
- bei Musikinstrumenten (der seit dem 16. Jahrhundert belegte Begriff bezeichnete zuerst die Fußhebel von Orgeln und anderen Tasteninstrumenten):
- einzelne Fußhebel:
- beim Klavier dienen die zwei bis drei Pedale der Klangbeeinflussung. (Zusätzlich gibt es die eigentlich paradoxen Begriffe Fingerpedal oder Handpedal für eine Technik zur Beeinflussung des Klangs mit den Händen);
- beim Cembalo dienen Pedale zum Wechsel der Register;
- bei der Harfe dienen die Pedale zum raschen Umstimmen der Saiten um ein oder zwei Halbtöne während des Spiels;
- bei der Pauke dient das Pedal ebenfalls zur Tonhöhenveränderung, indem die Spannung des Fells verändert wird;
- komplette Fußklaviaturen, v. a. bei der Orgel, siehe auch Pedal (Orgel), früher auch bei Cembalo und Flügel;
- in der Musik einen gehaltenen oder wiederholten Ton, auch Pedalton oder Orgelpunkt;
- beim Auto werden die fußgesteuerten Hebel für Bremse, Kupplung und Gas als Pedale bezeichnet;
- beim Flugzeug werden die fußgesteuerten Hebel für Seitenruder und Bremse als Pedale bezeichnet;
- Pedal (Fahrrad) - der Begriff hat sich auch bei Vorrichtungen zur Kraftübertragung mit den Füßen durchgesetzt wie z. B. den Tretkurbeln eines Fahrrads, bezeichnet dann aber nur die Teile, die als Auflage für die Füße dienen.

Wasserkraft

Wasserkraft bezeichnet die Strömungsenergie von fließendem Wasser, welche über geeignete Maschinen in mechanische Energie umgesetzt wird. In früheren Zeiten wurde diese mechanische Energie direkt genutzt (z.B. in Mühlen), heute überwiegt die weitere Umwandlung zu elektrischer Energie. Das Nutzen der Wasserkraft ist das Ausnutzen der potentiellen Energie (Lageenergie) des Wassers im Schwerefeld der Erde, die beim Nach-unten-Fließen in Strömungsenergie (Bewegungsenergie des Wassers) umgewandelt wird. Die Wasserkraft gehört zu den regenerativen oder erneuerbaren Energiequellen. Wasser wird natürlicherseits durch Verdunstung, den Wind (beides von der Sonne verursachte Phänomene) und schließlich den Regen in eine Hochlage gebracht, aus der es dann abfließt und dabei eine Nutzung durch den Menschen mittels Wasserkraftmaschinen erlaubt. Die meisten modernen Wasserkraftwerke arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie die Wasserräder, die früher die Mühlen antrieben. Dabei wird die Kraft des fließenden Wassers ausgenutzt, um ein Rad anzutreiben, das wiederum einen Generator antreibt. Wasserkraft bezeichnet die Umwandlung kinetischer und potentieller Energie von Wasser in elektrische Energie. Dies bleibt jedoch nicht ohne Auswirkungen auf die so genutzten Flüsse. Der erforderliche Ausbau und Aufstau hat für das Fließgewässer eine Reihe nachteiliger Folgen, die nur zum Teil ausgeglichen werden können. So bewirken beispielsweise die Begradigung und Befestigung der Ufer und die Veränderung der Wasserstände und der Strömungsverhältnisse erhebliche Änderungen in der Tier- und Pflanzenwelt des Gewässers und der Uferbereiche. Wanderbewegungen von Fischen werden ganz oder teilweise unterbrochen, der Schwebstoff- und Geschiebetransport im Gewässer wird gestört, das heißt es kommt zu Ablagerungen (Verschlammung) oberhalb und zu Eintiefungen unterhalb des Aufstaus. Dies führt zu einem Zielkonflikt zwischen Klimanutzen und Gewässerschutz. Dieser wird umso schärfer, je naturnäher das betroffene Fließgewässer ist bzw. war. In Zusammenhang mit Großprojekten zur Nutzung von Wasserkraft durch riesige Stauseen dürfen auch Klimaeinflüsse und tektonische Auswirkungen nicht unberücksichtigt bleiben. Wasserkraft liefert knapp 18 Prozent der weltweit erzeugten elektrischen Energie und liegt damit fast gleichauf mit der Kernkraft. Wasserkraft ist derzeit die einzige erneuerbare Energiequelle, die nennenswert zur Versorgung der Erdbevölkerung beiträgt (Sonne, Wind, Erdwärme und Biomasse zusammen rund 2%). Die Wasserkraft erzielt gleichzeitig einen hohen Wirkungsgrad. Ihre Turbinen und Generatoren können bis zu 90% der Energie, die im fließenden Wasser steckt, in elektrischen Strom umwandeln (Zum Vergleich: Leichtwasserreaktoren: 33%, Kohlekraftwerke: 40%, moderne Erdgas-Kombikraftwerke: knapp 60%).

Siehe auch

Wasserrad, Wasserkraftwerk, Staudruckmaschine, Meeresströmungskraftwerk, Gezeitenkraftwerk

Weblinks

- [http://www.bine.info/templ_meta.php/publikationen/basisenergie/ www.bine.info] - Basiswissen: Wasserkraft
- [http://www.wasserkraft.org www.wasserkraft.org] - Bundesverband Deutscher Wasserkraftwerke
- [http://www.energie-fakten.de/html/wasserkraft.html www.energie-fakten.de] - Welche Bedeutung hat die Wasserkraft für Deutschland?
- [http://www.energiewelten.de/elexikon/lexikon/seiten/htm/050201_Die_Wasserkraefte_der_Erde.htm www.energiewelten.de] - eLexikon: Die Wasserkräfte der Erde
- [http://www.thema-energie.de/category/show_category.cfm?cid=781 www.thema-energie.de] - Wissenskatalog Energie: Wasserkraft
- [http://www.transverpello.de www.transverpello.de] - Alternative Wasserkraft aus Flüssen
- [http://www.energie-fakten.de/PDF/meeresenergie.pdf www.energie-fakten.de] - Das Meer als unerschöpfliche Energiequelle? (pdf)
- [http://www.iwr.de www.iwr.de] - Wasserkraft-Marktplatz, Internationales Wirtschaftsforum Regenerative Energien IWR
- [http://www.renewable-energy-industry.com www.renewable-energy-industry.com] - Internationale Brancheninfos zur Wasserkraft !

Wärme

Wärme kann sowohl mikroskopisch durch die Kinetische Theorie, als auch makroskopisch durch die Thermodynamik beschrieben werden. Wärme in der Thermodynamik ist über eine Systemgrenze hinweg transportierte thermische Energie. Wärme tritt als Vorgangs- oder Prozess-Größe nur bei dem Vorliegen eines Temperaturgradienten auf. Im allgemeinen Sprachgebrauch wird der Begriff Wärme aber häufig mit der thermischen Energie selbst verwechselt. Wärme ist wie Arbeit an Transportvorgänge gebunden und daher eine Vorgangs- oder Prozessgröße, im Gegensatz zu einer Zustandsgröße. Dabei wird thermische Energie aufgrund des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik immer vom System mit der höheren Temperatur in Richtung des Systems mit der geringeren Temperatur übertragen. Dies gilt solange, wie eine Temperaturdifferenz zwischen zwei thermisch gekoppelten Systemen besteht und sich diese noch nicht im thermischen Gleichgewicht befinden. Die übertragene Wärme Q ist meist mit einer Temperaturänderung

\mathrmT

verbunden: :

Q= C_V \; \mathrmT \!

Hierbei ist C_V die Wärmekapazität bei konstantem Volumen V. Es existieren jedoch auch Systeme, bei denen eine Wärmezufuhr zur Phasenumwandlung und nicht zur Temperaturerhöhung führt, zum Beispiel beim Verdampfen von Flüssigkeiten. Als thermodynamische Größe ist die Wärme eindeutig über den ersten Hauptsatz definiert. Die Einzelheiten der physikalischen Vorgänge, die zum Transport von thermischer Energie führen, sind damit allerdings nicht genau festgelegt. In der Theorie der Wärmeübertragung wird der Wärmestrom nach Jean Baptiste Joseph Fourier mit Hilfe eines Temperaturgradienten definiert. Bei der Wärmeabgabe bzw -aufnahme hat die Masse des Körpers einen direkt proportionalen Einfluss, so dass die Wärme mit Q = c
- m
- dT berechnet werden muss.

Siehe auch

Wärmeleitfähigkeit, Wärmeleitungsgleichung, Wärmedurchgangswiderstand, Kälte, Wärmebad, Wärmezähler, Abwärme, Gasenergie Kategorie:Thermodynamik Kategorie: Eigenschaft ja:熱 Kategorie:Thermodynamik

Schwerkraft

Unter Schwerkraft, Schwere oder Erdanziehung versteht man die Kraft, die auf einen Körper auf der Erdoberfläche wirkt. Sie setzt sich zusammen aus der durch die Gravitation bewirkten Anziehungskraft der Erde und der durch die Erdrotation bewirkten Zentrifugalkraft. Der Begriff Schwerkraft wird auch oft synonym für Gravitation verwendet. Im folgenden ist nur von Schwerkraft im Sinne von Erdanziehung die Rede. Die Schwerkraft verleiht den Körpern ihr Gewicht. Während Schwerkraft das Grundphänomen bezeichnet, ist das Gewicht eine Eigenschaft, die einem konkreten Körper zugeordnet wird. Die Schwerkraft ist die Ursache der Erdbeschleunigung oder Fallbeschleunigung, die ein frei fallender Körper auf der Erdoberfläche erfährt, der außer der Schwerkraft keiner weiteren Kraft ausgesetzt ist. Dabei ist die auf einen Körper wirkende Schwerkraft gleich dem Produkt aus seiner Masse und der Erdbeschleunigung. Die lokale Variation der Schwerkraft und damit auch der Erdbeschleunigung entspricht dem des Erdschwerefeldes. Sie ist hauptsächlich eine Folge der Zentrifugalkraft und der Abplattung der Erde und beträgt für verschiedene geografische Breiten 0,5%. Sie hängt auf der Erdoberfläche ferner geringfügig von der Höhe über dem Meer ab.

Siehe auch:

- Schwere Masse
- Schwerefeld
- Schwereanomalie
- Gravimetrie
- Gravimeter Kategorie:Mechanik Kategorie:Physik Kategorie:Geodäsie Kategorie:Astronomie

Licht

Licht ist der Teil der elektromagnetischen Strahlung, die vom menschlichen Auge wahrgenommen werden kann. Dies sind die elektromagnetischen Wellen im Bereich von etwa 380-780 Nanometer (nm) Wellenlänge. Die unterschiedliche Empfindlichkeit von Pigment-Molekülen (Blau, Grün-Gelb, Orange-Rot) in verschiedenen Sehzapfenarten und Stäbchen des menschlichen Auges für verschiedene Wellenlängen (V(λ)-Kurve) ist Thema der Fotometrie. Während die Sehzapfen für Farbsehen verantwortlich sind, registrieren die Sehstäbchen in der Netzhaut mit den Retinal-Molekülen unter Rhodopsin-Abspaltung bei Photonen-Einfang die Lichtstärke. Wenn Elektronen vom einem höheren Energieniveau auf ein niedrigeres Energieniveau springen, werden Photonen emittiert, diese können vom Menschen als Licht wahrgenommen werden (Lumineszenz). Meist wird die Energie beim Rückfallen auf das niedrigere Niveau allerdings als Bewegungsenergie oder thermische Energie (Infrarotstrahlung) abgegeben. Bei den Autotrophen

Antrieb (Technik)

Nähere Bezeichnung einer Antriebsart:

nach der primären Energiequelle

nach dem maschinellen Umsetzungsprinzip

nach dem Antriebsprinzip am Ende der Umsetzungskette

nach dem Ziel der Antriebsverwendung

nach der Bewegungsrichtung

Technik

Bedeutungsvarianten

Technik als Anwendung naturwissenschaftlicher Erkenntnisse

Technik als menschliche Handlungsfertigkeit

Technik als Kürzel für Hochschulen

Umgangssprachliche Verwendung und Abgrenzung des Begriffs zur Technologie

Das Attribut „technisch“

Siehe auch:

Literatur

Dieselmotor

Bedeutung

Technologie

Prinzip

Ausführungen

Einspritzverfahren

Kraftstoffe

Vor- und Nachteile

Abgase und Umwelt

Gesetzgebung

Geschichte

Besonderheiten

Drehmomentverlauf und Leistungsabgabe

Drosselklappen

Zündstrategien

Der Diesel-Boom im PKW-Bereich

Die Leistungssteigerung der Dieselmotoren

Thermodynamik

Motorräder

Flugzeuge

Literatur

Weblinks

Energiequelle

Fossile Energiequellen

Braun- und Steinkohle

Regenerative Energiequellen

Solarthermische Kraftwerke und Aufwindkraftwerke

Erdwärme (Geothermie)

Biomasse

Nukleare Energiequellen

Kraft

Wort- und Begriffsgeschichte

Wirkung und vektorieller Charakter von Kraft

Kraft in den newtonschen Gesetzen

Messung von Kräften

Verschiedene Kräfte

Gewichtskraft, träge und schwere Masse, ultra schwere Masse

Elektromagnetische Kräfte

Scheinkräfte

Eingeprägte Kräfte und Zwangskräfte, Auflagerkräfte

Weblinks

Fuß

Pedal

Wasserkraft

Siehe auch

Weblinks

Wärme

Siehe auch

Schwerkraft

Siehe auch:

Licht