Energie vom Dach

Wer hat nicht schon mal darüber nachgedacht, ob auf dem Eigenheim auch ein bisschen Platz für Solarzellen ist, um nachhaltig (tolles Modewort) die eigene Energieversorgung sicherzustellen.

Es gibt im "www" bestimmt zig Rechner dafür, aber für die erste Abschätzung hier mal ein kleines Beispiel:

Angenommen, das Haus ist 15 m lang und 8 m hoch, dann hat man eine ungefähre Dachfläche von 60 m2 (15x4)! 50 davon kann man ggf. Mit Solarzellen ausstatten. Die guten Variante bringen ca. 35% Effektivität. In Deutschland kann die Sonne an durchschnittlichen Sonnentagen 650 watt/m2 liefern!

Das bringt im Idealfall 11375 watt (50x650x0,35). Ideal gibt's aber leider nur im Traum!

Angenommen, die Sonne scheint in Schnitt mit einem 45 grad winkel (bedingt durch Jahreszeiten, Auf- und Untergang), ist ein weiterer Faktor von 0,7 einzurechnen (bedingt durch den Cosinus...). Dann gibt es Verluste durch Kabelwiderstände und Wärme (Faktor 0,8), sowie Alterung über die Jahre (~0,8 ganz grob geschätzt)! 

So kommt man auf eine Tagesproduktion von ca. 5000 watt. "Tag" bedeutet, wenn die Sonne scheint! Mit Batterien und Co. Könnte man so evtl. einen kontinuierlichen Bedarf (24 Std) von 2500 Watt decken. Wenn die Sonne scheint...

Den Rest könnt Ihr Euch selbst zurecht rechnen!

Basic-Message ist: Das Zeug ist toll, macht Sinn, heutzutage alleine aber noch ausreichend! Allein die Mikrowelle kann ja schon mal bis zu 1000 watt benötigen, und dann sind da ja noch Computer, Lampen, TV, Kühlschrank (!!) usw...

Heiße Angelegenheit

Bei 30 Grad am Strand liegen. Eine tolle Sache. Aber bei 60 Grad am Strand? Das wäre ein bisschen schattig! Schattig?!?! Ja, allerdings nur, wenn die 30 in Grad Celsius, und die 60 in Grad Fahrenheit angegeben werden.

Insgesamt gibt es heutzutage drei gängige Temperaturskalen:

- Grad Celsius

- Grad Fahrenheit

- (Grad) Kelvin

Weltweit ist die Celsius-Skala am verbreitesten. Sie definiert sich durch den Gefrier- (0 Grad C) und Siedepunkt von Wasser (100 Grad C). Der Bereich dazwischen wurde einfach in 100 Zwischenschritte eingeteilt, welche auch für Temperaturen unter 0 und über 100 grad gelten.

Abgeleitet wurde diese u.A. von der Kelvin-Skala, die ursprünglich den absoluten theoretischen Tiefpunkt als Nullpunkt annahm (-273,15 Grad Celsius). Die Einteilung ist ähnlich wie bei Celsius und im Nachhinein wurden diese beiden auch angenähert, und der Triple-Punkt von Wasser (~0,01 Grad Celsius = 273,16 Kelvin) als reproduzierbarer Fixpunkt festgelegt.

Zwischen der Etablierung von Kelvin (~1650) und Celsius (1742) trat Gabriel Fahrenheit mit seiner Einteilung auf den Plan, ca. 1710. Die Fixpunkte waren ein Nullpunkt, gemessen an einem der kältesten Tage in Danzig und der Festlegung vom Wasser-Gefrierpunkt mit 32 Grad Fahrenheit sowie der Körpertemperatur eines Menschen mit 96 Grad Fahrenheit. Später hat man das etwas 'gesäubert' und die gleichen Punkte wie Celsius genommen, lediglich zahlenmäßig anders angefangen (0 Grad Celsius = 32 Grad Fahrenheit; immernoch) und eingeteilt (180 Schritte anstatt 100 Schritte). Der Siedepunkt von Wasser liegt demnach bei 32+180 = 212 Grad Fahrenheit.

Fahrenheit wird heutzutage nur in den USA und ein paar englischsprechenden Ländern verwendet, Kelvin gilt als Basis-Skala in den Naturwissenschaften durch seine 'Absolutheit', und Celsius dominiert den Rest der Welt. So viel zur Aufgabenteilung.

Früher gab es auch noch die Réaumur-, Newton-, Rankine-, Rømer- oder Delisle-Skalen, die sich aber nicht durchgesetzt haben!

Also, 30 Grad Celsius (303,15 Kelvin) sind im Vergleich zu 60 Grad Fahrenheit ([60-32]/[180/100] = 28/1,8 = 15,6 Grad Celsius) doch angenehm warm. Frohes Sonnenbaden.

Nochmal die Formel, falls Ihr Euch den amerikanischen Wetterbericht anschaut:

Fahrenheit-Wert minus 32. Das Ergebnis durch 1,8 teilen und schon hat man die Grad Celsius Angabe!

Technisch Taktisch

Heute gibt es etwas aus der Rubrik "Basiswissen Technik". Nach warum fliegt ein Flugzeug kommt nun warum fährt ein Auto, bzw. wie funktioniert ein Motor. OK, es gibt viele verschiedene Arten aber hier geht es heute um die "4 Takte" eines... Viertakters! Also der Otto-Normalverbraucher-Variante.

Ein Motor braucht Luft und Kraftstoff. Manche dazu noch eine Zündung. 

Grundelemente eines Motors sind der Kolben und der Zylinder. Ein Kolben fährt im Zylinder hin- und her. Das hört sich eigentlich nach zwei Takten an (rein und raus), aber es passiert halt nicht immer das Gleiche:

Takt 1: Der Kolben ist im Zylinder und fährt langsam heraus. Dabei zieht er ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft an. Wie bei einer Luftpumpe beim auseinander ziehen. Dafür muss das Einlassventil geöffnet sein.

Takt 2: Beide Ventile bleiben geschlossen. Der Kolben fährt wieder rein, nix kann entweichen und das Gemisch wird zusammengedrückt, sprich komprimiert. Das erhöht quasi die potentielle Energie.

Takt 3: Das Gemisch steht unter Spannung, es wird gezündet (beim Benzin-Motor) und die "Explosion" drückt den Kolben mit hoher Kraft wieder aus dem Zylinder. Hier passiert die eigentliche Arbeit. Ventile sind übrigens immer noch zu.

Takt 4: Der Kolben federt wieder zurück in den Zylinder (Kurbelwelle sei Dank) und ein Auslassventil wird geöffnet, damit das verbrannte Gas wieder aus dem Zylinder entfernt wird.

Die Geschichte beginnt dann wieder von vorne...

Die besagte Kurbelwelle verbindet alle Kolben des Motors (klassisch zwischen 3 und 6, je nach Motorengröße) und leitet die Energie weiter.

Die Ventile werden über eine Nockenwelle gesteuert. Das ist eine feinspielige Sache (und einen eigenen Blogeintrag wert).

Also dann. Ab zu Youtube (wie immer) wenn Ihr es nicht verstanden habt.

Des Lindbergh's Lösung

Warum fliegt ein Flugzeug? Das hat sich Charles Lindberg vor hundert Jahren wohl auch gefragt. Oder aber eher: Wie fliegt man überhaupt?

Na, die Ausführung ist verzwickt, aber die Theorie recht einfach. Nun ein Versuch einer Kurzerklärung. Einer sehr kurzen Erklärung...

Wenn man ein Brett (oder Flügel) schräg in den Wind hält, muss ein Teil der Luft auf der einen Seite vorbei, und ein Teil auf der anderen. Der Teil, der zuerst über die Kante muss um dann an der Brett-Hinterseite entlang herunter zu gleiten hat den etwas längeren Weg. Aber in einem Punkt kommen beide Luftteilchen, die sich vorher getrennt haben, wieder zusammen. Das heisst ein Teilchen musste schneller sein als das andere. 

Am Beispiel eine Tragfläche, die auch nicht mehr ist als ein optimiertes "Brett" ist es so, dass die Luft auf der Oberseite, dort wo der Flügel nach außen gewölbt (konvex) ist, schneller sein muss als unten. Ein tolles physikalisches Gesetzt sagt zudem: Wo die Geschwindigkeit steigt, sinkt der Druck. Es gibt dazu das schöne Beispiel mit den zwei Blättern Papier. Einfach mal zwischendurch pusten und dann kommen sich die Blätter in der Mitte komischerweise näher. "Unterdruck" halt.

Also: Oben ist die Luft schneller, deswegen der Druck geringer. Da nun ein Druckunterschied herrscht, möchte sich das "Ding in der Mitte", also der Flügel mit dem ganzen Flugzeug, eigentlich in Richtung geringerer Druck. Wenn da nur die Schwerkraft nicht wäre.... Das heisst, der Druckunterschied muss so hoch sein, dass die Kraft die nach oben wirkt größer ist als die, die den Flieger nach unten zieht. Und das geht wie? Einfach verdammt schnell sein und den Druckunterschied verdammt hoch zu gestalten. Dann klappt's auch mit dem Fliegen. Und deswegen fallen Boeings auch vom Himmel wenn sie versuchen, mit 50km/h über das Steinhuder Meer zu segeln. Das reicht einfach nicht. Aber keine Sorge vor dem kommenden Urlaub, denn beim Fallen wird das Flugzeug schneller (doof) und damit steigt aber der Druckunterschied (Juchu).

Anbei ein kleines Fundstück aus dem Internet, welches das Geschriebene ein bisschen unterstützt. Die ersten paar Sekunden aber den Ton aus machen...;)

Eine kurzer Einblick in das "STS"

Die unromantischte Abkürzung für das Space Shuttle, die man sich vorstellen kann: Space Transportation System (STS). Da gibt die NASA seit Jahrzehnten Millionen Dollar für Eigenwerbung und Merchandising aus und dann so etwas. Gut ist es wohl nur für die Ingenieure gewesen. Die mussten weniger schreiben (3 anstatt 12 Buchstaben). Und da kommen bei dem Haufen an Dokumenten die man jährlich in der Raumfahrt produziert schon einige gesparte Seiten zusammen...

 

30 Jahre lang sind die Shuttles geflogen, von 1981 bis 2011. Insgesamt 135 Missionen. Zwei davon endeten tragisch. 1986 ist die Challenger beim Start explodiert, 2003 die Columbia beim Wiedereintritt in der Erdatmosphäre verbrannt. Insgesamt gab es 5 flugtaugliche Modelle:

• Atlantis
• Challenger
• Columbia
• Discovery
• Endeavour

Das Alleinstellungsmerkmal war, dass dieses Raumtransportsystem wiederverwendet werden konnte. Alle anderen Raketen, sei es bemannt oder unbemannt, fliegen ins All und dabei fallen einige Teile (Stufen) während des Starts einfach ins Meer und der Rest versauert im Orbit. Was übrigens gar nicht so toll ist, denn die stören da oben heutzutage ganz gewaltig. Aber das ist eine andere Geschichte.

 

Die Idee beim "STS" war halt, Kosten zu sparen, in dem man den Großteil mehrfach nutzt, und das am besten in einer hohen Frequenz. Wie bei der der Serienfertigung von Autos. Immer das gleiche und schnell, schnell... Das hat leider nicht ganz geklappt. Der Sicherheitsaspekt, die intensiven Wartungen und nicht erreichten Startzahlen haben einen Shuttle Start am Ende zwischen einer halben bis ganzen Milliarde Dollar kosten lassen.

 

Wie auch immer, etwas Faszinierenderes wird es wohl auf längere Zeit nicht geben. Wo sonst gibt es mit einer Selbstverständlichkeit Starts, die die Erde beben lassen und ein paar Tage später Landungen mit einer Anfluggeschwindigkeit von bis zu 500 km/h und nur einem einzigen Versuch. Triebwerke für eine zweite Schleife gab es nicht. Die kleinen Dinger zur Lageregelung wurden auch bereits in 15km Höhe abgeschaltet.

 

Für das was die Menschen aus dem Flugzeug in folgendem Video gesehen haben, würde ich mehrere Monatsgehälter hinblättern... Enjoy!! Und schönes Wochenende!

 

 

Fallen ins Unendliche

- Warum fallen Satelliten eigentlich nicht runter? 
- Tun sie doch. Sie treffen nur nicht das Ziel.
- Und warum fliegen sie nicht weg?
- Daran ist die Schwerkraft schuld.

Satelliten kreisen um die Erde. Das tun sie, weil Raketen sie dorthin gebracht haben. Warum sie dort oben bleiben ist in wenigen Schritten erklärt.

Man stelle sich einen Menschen vor der einen Stein in der Hand hält. Lässt er ihn los, fällt das Teil runter. Grund ist die Schwerkraft. Jede Masse hat eine Schwerkraft, nur muss die Masse groß genug sein, damit man das auch merkt (ein McDonalds-Stammgast reicht nicht).

Wirft die Person den Stein, fliegt das Ding erst einmal weg, und landet dann mit einer kurvenähnlichen Flugbahn auf dem Boden, je nachdem wie dolle man den Stein weggeballert hat.

Nächste Stufe ist eine Pistole oder ein Gewehr. Mehrere hundert Meter kann man mit den größeren Geschützen überbrücken, bis die Kugel sich im Boden verewigt, falls kein Ziel vorher getroffen wurde.

Das die Erde rund ist, und man eigentlich schon ein bisschen "um die Ecke" geschossen hat, fällt auch hier kaum auf.

Nun stelle man sich vor, das Projektil (oder ein Satellit) wird auf 25.000 km/h beschleunigt, und zwar auch so lange, bis es die Atmosphäre verlassen hat (ca. bis auf 200 km Entfernung) und eine "parallele" Flugbahn zur Erdoberfläche hat. Dann passiert genau das gleiche wie mit dem Stein oder der Kugel:

• Der Satellit fliegt von mir weg, nur dass er nicht langsamer wird. Es gibt ja keinen (oder nur super-wenig) Luftwiderstand der ihn daran hindert.
• Der Satellit fällt auf die Erde, nur dass er so schnell ist, und so weit weg ist, dass er kontinuierlich an der Erde vorbei fällt. Die ist ja schließlich rund.

Auf verschiedenen Höhen der Kreisbahnen (Orbits) braucht man verschiedene Geschwindigkeiten. In Erdnähe (ca. 200 - 800 km) etwa 23.000 - 25.000 km/h, und bei 36.000 km Entfernung noch ca. 11.000 km/h. 

Die Unterschiede haben mit Energieerhaltung zu tun: Je weiter weg, desto langsamer. Das geht nicht anders und erklärt auch, warum die Satelliten in Erdnähe (hunderte Kilometer) regelrecht über die Erde hinweg fliegen, z.B. für Erd- und Wetterbeobachtung, und in weiterer Entfernung (genauer: 36.000 km) sich mit der Erde mit drehen, sprich über der Erde "schweben". Letztere sind für unser Fernsehprogramm zuständig. Da hat man ja keine Lust, jede Sekunde an der Antenne rumzudrehen.

Da die Erde und das Weltall nicht ganz "perfekt" sind, würden die Satelliten nicht auf ewig um die Erde fallen, sondern tatsächlich irgendwann einmal abdriften oder zurückkommen und verbrennen. Deswegen haben die Geräte z.B. kleine Triebwerke und Treibstoff an Bord um sie in Position zu halten und den Störungen (u.A. Schwerkraft, Rest-Atmosphäre, Solarstrahlung) entgegenzuwirken.

Ach, und wenn man die Raketen mit mehr als 40.000 km/h (am Äquator) und dem richtigen Winkel auf die Reise schickt, hauen sie ab. Diese Geschwindigkeit nennt man dann Fluchtgeschwindigkeit. Dann kann auch die Schwerkraft nichts mehr tun. Aber irgendwie müssen wir ja zu Mond und Mars kommen. Wäre ja sonst auch langweilig. Kostet halt etwas mehr Treibstoff.

Faktor 125000

Ich habe ein Worddokument auf dem PC, genauer: Auf dem Desktop. Eines von vielen. Was ist besonderes daran? Nichts! Es beinhaltet ~250 Wörter, eine Überschrift sowie eine einfache Tabelle mit 4 Spalten und ca. 20 Zeilen. Die Dateigröße ist 60 Kilobyte. Total normal.

 

Vor etwas mehr als 30 Jahren wurde der wahrscheinlich meistverkaufteste Heim-Computer der Welt eingeführt, der Commodore 64 (C46). Den einzigen Speicher den dieser Rechner hatte, war der Arbeitsspeicher von 64 Kilobyte. Sonst nichts. Keine Festplatte.

 

Ein simples Word-Dokument von Office 2010 benötigt also genauso viel Speicher wie damals ein ganzer Computer Rechenleistung hatte. Und der PC damals lief stabil, wobei heutzutage Speichern in Word das A und O ist, weil sich so ein Dokument auch gerne einmal "aufhängt"...

 

Klar, der C46 hat sich an anderen Speichern bedient, zum Beispiel den Datasetten oder Disketten. Eine klassische 5 1/4 Zoll Disk. Die High-End Variante im Jahr 1984 hatte eine Kapazität von 1,2 Megabyte. Das entspricht lediglich einem (!) kleinen Foto, geschossen von Mobiltelefonen von vor 5-10 Jahren. Ein Schnappschuss unter Normaleinstellungen eines iPhone 4 würde schon 2-3 Disketten brauchen, um dort abgeladen zu werden.

 

Wenn man sich den Arbeitsspeicher eines Macbook Pro heutzutage anschaut, dann hat man in einer besseren Standardvariante schon 8 Gigabyte zur Verfügung. Noch einmal zum Veranschaulichen: Jedes Mal wenn sich das Wort VOR dem Wort Byte ändert, kann man 3 Nullen an die Byte-Zahl dranhängen... Im Klartext:

• 1 Megabyte sind ~1000 Kilobyte (genauer: 1024)
• 1 Gigabyte sind ~1000 Megabyte
 

Der Faktor zwischen dem C64.Arbeitsspeicher und einem heutigen "Home-Computer" beträgt in also diesem Fall verrückte:

 

125.000

 

Der Unterschied zwischen einer guten 5 1/4 Zoll Diskette und einem guten gängigen USB Stick für Normalverbraucher (meine Annahme: ebenfalls 8 Gigabyte) im Jahre 2013 beträgt immerhin noch circa:

 

6.500

 

Ich bin mir sicher, auch die heutigen Standards werden von unseren Kindern und Enkeln später belächelt.

Gestatten, Herr Gas!

So oder so ähnlich würde man wahrscheinlich in der Welt der Elemente ein Edelgas vorstellen. Mit Respekt. 'Weil edel und so'. Aber was macht diese Gase eigentlich edel? Woher kommt der Name?

Edelgase sind vollkommen. Deswegen heißen sie wahrscheinlich so wie sie heißen. Jeder kennt aus der Schule bestimmt noch das (Bohr'sche) Atommodel, oder? Das oft für den Unterricht erbastelte und benutzte Pappkugel-Konstrukt, was irgendwie aussah wie unser Sonnensystem. In der Mitte ein dicker Klotz, aussen die kleineren Kugeln auf einem Ring. Aber anstatt einer Sonne im Zentrum mit Planeten drumherum findet sich hier der Kern mit Protonen und Neutronen wieder, umrundet von Elektronen. Und genau das ist, worum es geht: Edelgase haben nämlich eine „gesättige“ Aussenschale. Jeder von diesen Ringen in diesem vereinfachten Model, kann eine bestimmte Menge an den kleinen Elektronen aufnehmen. Und bei Edelgasen ist die jeweils äusserste Schale, sowie aller anderen die näher am Kern sind, vollständig belegt. Vollkommen also. Edel.

Das tolle ist, sie sind somit irgendwie vollendet. Unter normalen Umständen haben diese Atome kein Interesse, sich mit anderen zu verbinden. Die Reaktivität ist extrem gering. Wasserstoff (kein Edelgas) zum Beispiel hat zwei Plätze auf der Außenschale (welche zugleich die einzige Schale ist). Davon ist aber nur einer belegt. Deswegen ist dieses Element auch total irre wenn es ums Reagieren geht. Es möchte sich mit dem einen Elektron irgendwo anders „einklinken“, um ein Elektron eines anderen Atoms bei sich einzusetzen. Da die anderen Atome ihre Elektronen aber nicht so leicht abgeben, wird sich oft einfach zusammengetan. Schon mal von der Knallgasprobe gehört? 

Edelgase haben da kein Bock drauf. Deswegen werden sie oft als Schutzgas verwendet. Da knallt nix! Man kann ja auch Helium (Edelgas) einatmen, ohne zu ersticken. Die Stimme hört sich zwar komisch an, aber Helium oder auch Argon, also alle Elemente der 8. Hauptgruppe (in dem Periodensystem ganz rechts) haben diese Eigenschaft. Keine Reaktion. Sie sind ja 'satt'. Entspannt. Irgendwie.... edel! Warum die jetzt auch noch Gase heißen ist eine andere Sache!

Aliens außer Atem

Auf dem Mond kann man nicht atmen, oder? Nein, das wissen wir spätestens seit den Apollo Missionen. Ehrlich gesagt, eigentlich schon sehr viel früher. Es gibt halt keine Atmosphäre auf dem ollen Stein- und Sandklotz da oben am Himmel. Was die Astronauten nicht genau wussten war, ob der Boden fest ist oder die Landefähre tief einsackt. Aber das ist ein anderes Thema. Ist ja schließlich auch gut gegangen...

 

Auf dem Mond gibt es ja auch keinen Sauerstoff, oder? Naja, das stimmt so nicht ganz. Luft gibt es keine, soviel ist klar. Aber darin ist auch bei uns auf der Erde nur 21% Sauerstoff. Der Rest ist Stickstoff und anderes Zeug. Auf dem Mond (genau wie hier auch) steckt aber verdammt viel Sauerstoff im 'Fußboden', also im Staub und in den Felsen, beziehungsweise in den Mineralen. Wie auch auf der Erde gibt es zum Beispiel Aluminiumoxide, Silikate und glasähnliche Stoffe, welche insgesamt zu fast 50% (!) aus Sauerstoffatomen bestehen.

 

Toll wäre, wenn man das irgendwie auch zum Atmen Verwenden könnte. Geht aber noch nicht. Man kann das "O" (chemisches Zeichen für Sauerstoff)  entweder herausbrennen, also die Minerale in die Einzelteile zerlegen, aber dann muss man den Sauerstoff auch irgendwie einfangen. Man könnte andere, hochreaktive (nicht: radioaktive) Stoffe in Kontakt mit den Mineralen bringen und unter Energieeinfluss (z.B. konzentrierte Sonnenstrahlung) die Sauerstoffmoleküle versuchen  zu motivieren, doch mit Ihnen anstatt mit den schnöden Metallen 'Händchen zu halten'. Diese Verbindungen (z.B. Wasser) könnten dann ebenfalls aufgespalten werden, was etwas leichter geht als bei den Mineralen, um dann so alleinigen Sauerstoff herzustellen. Testen tut man so was schon in den Laboren auf der Erde, aber bis zur Einsatzreife dauert es noch ein wenig. Wie auch immer. Es bleibt spannend....