MHD-Generator
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Lerntext zum Thema MHD-Generator
Magnetohydrodynamischer Generator (MHD-Generator)
In diesem Text wirst du den magnetohydrodynamischen Generator (MHD-Generator) kennenlernen. Dieser ist ein Energiewandler, der thermische Energie und Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt. Dies geschieht, indem ein sehr heißer Plasmastrom senkrecht durch ein Magnetfeld geleitet wird. Die Ursache für die Energieumwandlung ist die Lorentzkraft. Denn ein Plasmastrom ist nichts anderes als ein teilweise oder sogar vollständig ionisiertes Gas und die Lorentzkraft besagt, dass auf Ladungsträger, die sich senkrecht zu einem Magnetfeld bewegen, eine Lorentzkraft wirkt. So werden die positiven Ionen des Gases senkrecht zur Stromrichtung und senkrecht zum Magnetfeld abgelenkt. Auf diese Weise entsteht eine elektrische Spannung. Solche MHD-Generatoren werden beispielsweise in Kernreaktoren verwendet, um den Wirkungsgrad zu erhöhen.
Wie genau das funktioniert, wollen wir uns nun im Detail anschauen. Doch zunächst veranschaulichen wir uns, was ein Plasma ist.
Plasma – was ist das?
Ein Plasma ist ein teilweise oder vollständig ionisiertes Gas. Es wird auch als der vierte Aggregatzustand bezeichnet.
Ein Plasma entsteht, wenn einem Gas Energie zugeführt wird und die Energie groß genug ist, um Elektronen aus dem Atom zu lösen, zum Beispiel thermische Energie oder hochenergetische Strahlung. Dies ist in der folgenden Abbildung gezeigt.
Je mehr Energie dem Gas zugeführt wird, desto mehr freie Ladungsträger werden entstehen. Ist ein Gas vollständig ionisiert, gäbe es keine Moleküle oder Atome mehr, lediglich positiv geladene Ionen und negativ geladene Elektronen!
Plasmastrom im Magnetfeld und Lorentzkraft
Wird dieses Plasma nun mit einem Kanal durch ein Magnetfeld geleitet, werden die Elektronen durch die Lorentzkraft in die eine Richtung abgelenkt und die positiven Elektronen in die entgegengesetzte Richtung. In welche Richtung die Lorentzkraft wirkt, kannst du ganz einfach mit deiner linken Hand für die negativen Elektronen herausfinden. Für die positiven Ionen kannst du auch die rechte Hand benutzen. Das siehst du in der folgenden Abbildung.
Durch die Ablenkung der unterschiedlich geladenen Teilchen wird es also zu einer Ladungstrennung kommen und somit wird sich schlussendlich eine Spannung zwischen den beiden „Wänden“ des Kanals aufbauen! Damit sind wir auch schon beim MHD-Generator angekommen.
Prinzip des MHD-Generators
Der MHD-Generator ist so aufgebaut, dass sich in der vertikalen Ebene das Magnetfeld und in der horizontalen Ebene die Elektroden sind, die die durch die Lorentzkraft abgelenkte Ladung abfangen. Dadurch wird eine Spannung in den Elektroden aufgebaut, die einen Strom erzeugen.
Angewendet werden solche MHD-Generatoren zum Beispiel in Kernreaktoren sowohl bei der Kernfusion als auch bei der Kernspaltung. Durch einen MHD-Generator kann der Wirkungsgrad eines solchen Kraftwerks erhöht werden.
Bei der Kernspaltung entsteht beispielsweise sehr viel Wärme bzw. thermische Energie. Durch den Reaktor wird ein Wärmeträgermedium wie flüssiges Natrium oder ein flüssiges Metall geleitet. Dieses wird durch die enorme thermische Energie so stark erhitzt, dass es ionisiert. Dieses Plasma wird dann in einem magnetohydrodynamischen System verwendet, um elektrische Energie zu erzeugen.
Auch wenn solche MHD-Generatoren einen weitaus größeren Wirkungsgrad als andere Generatoren haben, bedarf es noch weiterer Forschung. Denn bisher gibt es noch keine Elektroden, die der enormen Hitze auf Dauer standhalten können.
Zusammenfassung – MHD-Generator
- In einem MHD-Generator wird ein Plasma senkrecht durch ein Magnetfeld geleitet. Diese werden je nach Vorzeichen durch die Lorentzkraft in eine bestimmte Richtung senkrecht zum Magnetfeld und der Bewegungsrichtung der Ladungen abgelenkt. Somit entsteht eine Spannung zwischen den Elektroden im MHD-Generator, die zur Stromerzeugung genutzt wird.
- Mit MHD-Generatoren kann beispielsweise der Wirkungsgrad von Kernkraftwerken erhöht werden.
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