MHD-Generator

MHD-Generator Übung

• 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.

• 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.

• 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 $\eta_{max} = 35\%$.

• 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.