DIE LAGE.
Die Tatsache, dass alle natürlichen Ressourcen begrenzt sind, hat das Massenbewusstsein der Menschen bereits erreicht. Im Bereich der Versorgung mit Energie ist die Lage besonders verheerend.
Alle derzeit bekannten Technologien sind, aufgrund von mangelnder Wirtschaftlichkeit und Verfügbarkeit, dazu nicht in der Lage!
DIE VISION.
Kann man die thermische Energie der Ozeane in nutzbare Energie umwandeln?
Folgende Tatsache ist jedem Bergsteiger bekannt: Dass es umso kälter wird, je höher man sich auf einem Berg befindet. Ein Luftballon mit mäßiger Füllung bläht sich auf. Über der 3000-Meter Grenze liegen die Gletscher.
Eine Erklärung dieser Phänomene liefert die Meteorologie: Mit Hilfe der „Adiabatischen Atmosphäre“ wird diese Tatsache formelmäßig erfasst. Je nach Art des Gases ergibt sich bei einem idealen Gas ein unterschiedliches Temperaturprofil (s. Abb. 1).
Abb. 1:
Temperaturprofil verschiedener Gase als Funktion der Höhe
Auf alle diese Gase wirkt das Gravitationsfeld und sie befinden sich im thermodynamischen Gleichgewicht.
Was passiert, wenn man die Temperatur der Wasserstoffsäule auf Meeresniveau um einen kleinen Betrag δT1 anhebt? – Dann würde die unmittelbar darüber liegende Schicht um einen kleinen Betrag aufgeheizt werden, ebenso die darüber liegende, usw., sodass ein gewisser Wärmestrom vom Meer durch die Wasserstoffsäule nach oben fließt.
Analog fließt Wärme durch die Sauerstoffsäule nach unten, wenn man die Temperatur am oberen Ende der Säule um einen kleinen Betrag δT2 anhebt. Es sei darauf hingewiesen, dass in diesem Fall Wärme von der kalten Seite der Säule „von selbst“ auf die wärmere Seite fließt.
Da die Steigungen der Geraden von Abbildung 1 von der Art des verwendeten Gases abhängen, kann ein Gedankenexperiment konstruiert werden, wie man prinzipiell die thermische Energie eines Wärmereservoirs (z. B. eines Meeres) in nutzbare Energie umformen kann, indem man dessen Temperatur senkt.
Abb. 2:
Schema eines Gedankenexperiments
EIN GEDANKENEXPERIMENT.
Stellen wir uns vor, wir hätten zwei riesige Zylinder mit einer Höhe von dutzenden Kilometern, deren senkrechte Wände ideal wärmeisolierend sind. Im einen Zylinder befinde sich Wasserstoff, im anderen Sauerstoff. Die Unterseiten beider Behälter seien mit einem Wärmereservoir (Meer) verbunden und seien auf (fast) gleicher Temperatur. Wie aus Abb. 1 zu ersehen ist, bilden sich in einer entsprechenden Höhe verschiedene Temperaturen aus: Die Sauerstoffsäule hat in 10 km Höhe eine Temperatur von knapp über 200 K, die des Wasserstoffs bleibt noch auf knapp unter 300 K. Damit hat man ein unteres und oberes Temperaturniveau für eine Wärmekraftmaschine, mit deren Hilfe man auf konventionelle Weise thermische Energie in nutzbare, beispielsweise elektrische, umwandeln kann.
DIE BERECHNUNG.
Mit T2 = 300 K und T1 = 200 K erhalten wir einen Wirkungsgrad von η = 33 %. Das heißt: Bei einem entsprechend großen Querschnitt der Säule würde eine thermische Energie von, sagen wir, 10 Megawatt dem Meer entzogen werden und in der Wasserstoffsäule nach oben zur „Heißstelle“ der Wärmekraftmaschine fließen. Diese betreibt einen Generator, der 1/3 der Wärme in elektrische Energie umwandelt. Die restlichen zwei Drittel der Wärmeenergie fließen zur Kaltstelle (200 K) und weiter durch die Sauerstoffsäule nach unten, zurück zum Meer, in unserem Zahlenbeispiel 6.67 Megawatt.
Dem Meer werden auf diese Weise 10 Megawatt entzogen und es bekommt 6.67 Megawatt zurück. Die restlichen 3.33 Megawatt liegen in Form von elektrischer Energie vor, was mit einer entsprechenden Abkühlung des Meeres bilanziert wird. Die Temperaturabsenkung wird jedoch unmessbar klein bleiben, wenn man das gesamte Meerwasser als Wärmereservoir betrachtet.
In der klassischen Thermodynamik wurden, bis auf wenige Ausnahmen [2], keine weitreichenden Kräfte, wie die Gravitation, berücksichtigt.
Das beschriebene Gedankenexperiment würde erlauben, thermische Energie direkt in elektrische umzuwandeln. In der Thermodynamik spricht man von einem Perpetuum mobile zweiter Art. Gemäß der klassischen Thermodynamik ist ein Perpetuum mobile zweiter Art unmöglich (zweiter Hauptsatz der Thermodynamik).
Bei der Ableitung des zweiten Hauptsatzes argumentiert man sinngemäß folgendermaßen [1]: „Da bisher kein Vorgang bekannt ist, bei dem Wärme von einem kälteren Körper von selbst auf einen wärmeren übergeht, folgt die Unmöglichkeit eines Perpetuum mobiles zweiter Art.“
Genau diese Voraussetzung (Wärmeübergang von „kalt“ auf „warm“) wurde im beschriebenen Gedankenexperiment angenommen, und zwar in der Sauerstoffsäule. Dies ist experimentell zu überprüfen.
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