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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Nutzung einer Wärmepumpe zur Gewinnung von Fusionsenergie. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen Der englische Physiker Ernest Rutherford war ein ehrlicher Mann und machte keinen Hehl daraus, dass er die Zerlegung von Stickstoff in Wasserstoff und Sauerstoff (1919) anhand eines alchemistischen Manuskripts [1] durchführte. Offenbar entstand gleichzeitig im düsteren Mittelalter der „Urgroßvater“ moderner Kühlschränke (Abb. 1), der nach Verbesserung durchaus zum legendären „Perpetuum Mobile“ werden könnte.
Warum? Schauen wir uns eine klassische Wärmepumpe an (Abb. 2), die aus 4 Teilen besteht: Pumpe (H), Gebläse, Kompressor; heißer Kreislauf (G), heißes Rohr; Expander (D), ein mit Druckgas betriebener Motor (in der kommerziellen Version einer Wärmepumpe wird die Expanderfunktion durch eine Gasdrossel, eine Membran, ein Ventil, eine poröse Trennwand, ein Ventil, einen Filter usw. übernommen); Kältekreislauf (X), Kälterohr, Kühlschrank.
Was passiert mit Luft, Wasserdampf und anderen Gasen, niedrigsiedenden Flüssigkeiten in verschiedenen Teilen der Wärmepumpe? Beginnen wir mit dem Gebläse (H), das Gas vom Kaltkreislauf (X) in den Heißkreislauf (H) pumpt. In diesem Fall nimmt das Volumen des Gases ab und die Dichte und der Druck nehmen zu. Da die im Gas enthaltene Wärmemenge unverändert bleibt, steigt die Temperatur des Gases, da die Temperatur die Dichte der im Gas enthaltenen Wärme ist. Vom Kompressor (H) gelangt das Gas in den heißen Kreislauf (G), durch dessen Wände es Wärme an die Umgebung abgibt. Der heiße Schaltkreis fühlt sich bei Berührung sehr heiß an. Die Temperatur des durch den heißen Kreislauf strömenden Gases nimmt allmählich ab, was auf den Verlust eines Teils der im Gas enthaltenen Wärme hinweist. Aus dem heißen Kreislauf gelangt das Gas in den Expander (D), dessen Funktion von einer Dampfmaschine, einer Gasturbine und anderen pneumatischen Motoren übernommen werden kann. Im Expander expandiert das Gas, wodurch sein Druck und seine Temperatur sinken. Das Gas kann teilweise oder vollständig in einen flüssigen oder sogar festen (schneeähnlichen) Zustand übergehen. Dieses Phänomen wird bei der Verflüssigung von Gasen und in Schneegeneratoren genutzt. Interessanterweise wurde das erste Gas (Ammoniak) bereits 1799 verflüssigt [2]. Wir kennen Michael Faraday (1791 -1867) als talentierten Elektrochemiker (siehe Biografie in E 4/2000), doch alle damaligen Technologen betrachten ihn als „ihren eigenen“, da es Faraday gelang, nahezu alle damals bekannten Gase in a umzuwandeln flüssigen Zustand. Im Jahr 1908 gelang es Wissenschaftlern, sogar Helium, das die niedrigste Verflüssigungstemperatur (-267,9 °C) aufweist, in einen flüssigen Zustand zu überführen. In einem Expander, insbesondere einem Turbinenexpander, tritt eines der erstaunlichsten physikalischen Phänomene auf. Tatsache ist, dass die Viskosität des Widerstands gegen die Bewegung von Flüssigkeiten mit steigender Temperatur abnimmt und Gase im Gegenteil zunimmt [4]. Da das Gas im Expander unterkühlt und die Flüssigkeit (Gaskondensat) (relativ) heiß ist, arbeitet der Expander mit einem idealen Arbeitsstoff, was ihm die höchste spezifische Leistung unter den Wärmekraftmaschinen verleiht. Turbinen mit einem Rotordurchmesser von etwa 10 cm (und sogar Millimetern) entwickeln Zehn-, Hunderttausende Umdrehungen pro Minute und erzeugen Tausende Kilowatt Strom! Einen großen Beitrag zur Verbesserung von Turboexpandern leistete der Physiker P.L. Kapitsa (ein Schüler von Rutherford), für den er den Nobelpreis erhielt. Da sich der Turbinenrotor mit einer Geschwindigkeit bewegt, die nahe an der Geschwindigkeit der Gasmoleküle selbst liegt, entsteht der Effekt der Ordnung der Brownschen Bewegung der Stoffmoleküle und die Möglichkeit einer signifikanten Änderung ihrer inneren Energie. Der elektrische Generator für einen Turboexpander kann am einfachsten eingesetzt werden: zweipolig, asynchron, hochfrequent und sogar auf Supraleitern. Aber die Hauptsache ist nicht das. Eine genaue Kalorimetrie der vom heißen Kreislauf (Q1) abgegebenen Wärme ergab, dass diese geringer ist als die vom kalten Kreislauf (Q2) aufgenommene Wärme, und es stellte sich heraus, dass die für den Gebläseantrieb (W1) aufgewendete Arbeit geringer war als die von ihm erzeugte Arbeit den Expander (W2). Hier ist das Perpetuum mobile. Tatsächlich kann man durch das Absenken eines kalten Kreislaufs ins Wasser, das Anblasen mit warmer Luft oder die Bestrahlung mit Sonnenlicht einen Motor der zweiten Art erhalten, der die Energie der Sonne empfängt. Solche Motoren wurden von A. Musho (Frankreich), J. Erickson (Schweden) und A. Enyas (USA) entwickelt. 1912 wurde auf Anregung von F. Schumann (Deutschland) und W. Beuys (Großbritannien) in der Nähe von Kairo (Ägypten) das damals größte Kraftwerk mit einer Leistung von 45 kW errichtet. Der französische Physiker F. Joliot-Curie hielt es für möglich, die Sonnenenergie in den kommenden Jahrzehnten umfassend zu nutzen [5]. Zum Arbeiten in einer Wärmepumpe E.O. Paton (Biografie in [6]) schlug die Verwendung von Helium vor. Dieses Gas gefriert nie und hat den niedrigsten kritischen Druck von 0,23–106 Pa (2,3 atm). Auch die Tiefenwärme der Erde, die überwiegend radioaktiven Ursprungs ist, kann als Wärmequelle genutzt werden [7]. Dann kann die Wärmepumpe nicht nur zum Empfänger der Energie der thermonuklearen Fusion auf der Sonne (Wasserstoff – Helium), sondern auch des thermonuklearen Zerfalls im Inneren der Erde (Uran – Blei) werden. Es stimmt auch, dass Sonne, Wasser und Luft noch nicht in Tresoren, verschlossen in Lagerhallen, vor Menschen verborgen bleiben können. Es ist schwierig, den Menschen diese Dinge wegzunehmen, um sie später zu verkaufen, weshalb wir keine kostenlose Energie nutzen dürfen. Der Millionär Henry Ford sagte einmal: „Unsere Gesellschaft versteht die Geldwirtschaft der Banken nicht. Und wenn sie es täte, würde sie sofort eine Revolution auslösen“ [8]. Schade, dass bisher nur Millionäre davon wissen... Литература:
Autor: Y. Bärtig
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