001   Intro

• Guten Tag, schön, dass Sie gekommen sind.
• Ich möchte hiermit einen Kontext zu meinen Arbeiten geben.
• Den Diagrammen zum Energieverbrauch weltweit 2023 und 2011.
• Die Energieträger sind hier links: Solar, Wind, Hydro und Nuklearenergie, …..
... es folgen die Brennstoffe bzw. deren Ausgangsprodukten – die, die CO₂. erzeugen.

• Diese kommen dann entweder in ein Elektrizitätswerk und wird in Strom umgewandelt.
• Oder es wird direkt verbraucht, wie gut beim Öl zu sehen ist.

• Ein Teil wird gebraucht.
• Ein grösserer Teil geht verloren
– einerseits durch den Transport, aber größtenteils durch die Umwandlung.
__________
002   Intro
• Im Vergleich zu 2011 ist 2023 der gesamte Energieverbrauch gestiegen
– und zwar mehr, als die nichtfossilen (die die kein CO₂. erzeugen) kompensieren konnten.
__________
003   Intro

• Kulturen werden oft daran gemessen
– wie sie Energie gebrauchen.
– bzw. wie viel Energie sie verbrauchen.

• Wir fragen uns noch immer, wie die Ägypter die Pyramiden gebaut haben.
• und als eines unserer mächtigsten Werkzeuge – ist Energie
• ein zentraler Treiber der gesellschaftlichen Entwicklung – das, was wir Fortschritt nennen.

•1 Es folgt eine Übersicht der Geschichte des Werkzeuges Energie.
•2 Dann – was Energie ist, wie sie entstanden ist.
•3 und am Schluss, wie wir diese Energie nutzen.

• Es geht zum Verständnis durchaus ins Detail,
– und es ist natürlich eine Vereinfachung,
– aber es ist ein recht großer Bogen.

004   wissenschaftlicher Prozess

• Mir geht es hier um einen künstlerischen und
– einen wissenschaftlichen Diskurs bzw. Prozess.

• Nima Arkani-Hamed, ein Quantenphysiker hat diesen 2016 in einem Vortrag beschrieben.
– Nämlich wie es die Wissenschaft schafft Wissen nicht nur weiterzugeben, sondern weiter zu entwickeln.

• Folgendes sind die Strategien:

• Sei ehrlich zu dir selbst und den anderen.
• Es ist egal, wer du bist; nur der Inhalt deiner Ideen ist relevant.
• In der Wissenschaft haben wir Helden, nicht Propheten. [Zitat – Steven Weinberg]
• Wir besitzen niemals die vollkommene Wahrheit und geben niemals vor, vollkommene Gewissheit zu haben.
• Wir versuchen so gut wir können, die Ideen, auf die wir am meisten vertrauen, mutig zu extrapolieren.

– Be honest with yourself and with others [11:20]
– It doesn‘t matter who you are, only the content of your ideas are relevant [12:20]
– In Science we have heroes not prophets [13:50]
– We are never in the posession of the whole truth, and never pretend to have complete certainty [14:30]
– We do the best we can and boldly extrapolate ideas we have most confidence in. [15:00]

005   Singularität

• Am Anfang gab es keinen Raum und keine Zeit.
• Laut Theorie war vor 13,8 Milliarden [109] Jahren das Universum in einem
– unendlich heißen und unendlich dichten,
– auf einen punktförmigen, singulären Punkt reduzierten Zustand.

• An diesen Punkt kommt man, wenn man alles nach hinten rechnet.
• Dann beginnt die Zeit selbst.

• Materie und Antimaterie vorhanden → löschen sich gegenseitig aus
– bzw. wandeln sich in Energie um: Teilchen & Antiteilchen → Energie.
– Ein winziger Überschuss an Materie bleibt übrig.


• Aus diesem extremen Anfangszustand entstehen dann in Folge Unterschiede
– in Energie, Ladung & Dichte.

– Diese ermöglichen dann alle späteren physikalischen Prozesse.

006   Energieerhaltung
• Sämtliche Energie, die in unserem Universum vorhanden ist
– kann jetzt nur noch uumgewandelt wurden.
– zwischen den verschiedenen Formen der Energie.

• Energie kann nicht vernichtet werden
• Energie kann nicht aus dem Nichts entstehen.
– Die elektrische Gesamtladung bleibt konstant – lokal gesehen

(lokal gesehen – das heißt: in einem definierten Raum-Zeit-Bereich)
(und abgesehen von Effekten der kosmischen Expansion.)


• Perpetuum mobile
– deshalb ist kein Perpetuum mobile möglich.
• Es kann nicht mehr Energie aus einem System geholt werden
– als hineingesteckt wurde.

007   Big Bang

• sec 10↑-36 : Das Universum dehnt sich exponentiell aus (um den Faktor10↑26).
– als Vergleich: Ein Objekt von der Größe eines Protons
– wäre augenblicklich auf einen Durchmesser von etwa 10 Lichtjahren angewachsen.
—> Inflation

• Temperatur und die Dichte sinken mit der Expansion.
• Stoss: Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Teilchen ein anderes wieder zertrümmert,
– nimmt mehr und mehr ab.
• Erst dadurch werden Strukturen möglich.
– Erst dadurch können sich Strukturen bilden.

008   Elementarteilchen

• Inflation stoppt,
– das Universum expandiert und kühlt weiter.

Die Strukturen die sich bilden sind:
• Elementarteilchen & Strahlung →
• Quarks Gluonen • Elektronen & • Neutrinos • Photonen • W/Z Bosonen
• Higgs Teilchen (verleiht Masse durch Wechselwirkung)

009    4 fundamentale Grundkräfte
• Die gesamte Energie des Universums steckt in den Elementarteilchen und ihren Interaktionen.
– Diese werden durch die 4 Grundkräfte gesteuert und beschrieben.
– Diese Kräfte sind die „Spielregeln“, die alle Interaktionen steuern – ohne sie gäbe es keine stabilen Strukturen.

• Die Unterschiede in Energie, Ladung und Dichte ermöglichen nun innerhalb dieser Spielregeln die Bildung weiterer Strukturen.

010    4 fundamentale Grundkräfte – Wechselwirkung

• Diese Elementarteilchen sind die Grundlage der 4 physikalischen Grundkräfte.
– Deren Wechselwirkungen manifestieren sich in den 4 fundamentalen Kräften.
– Das heißt: Wie diese Strukturen miteinander interagieren, wird durch die 4 Grundkräfte beschrieben.

• Gravitation, starke und schwache Kernkraft, elektromagnetische Kraft.
(Ruhemassenenergie, Bindungsenergie und kinetische Energie)

• Um das ges. System Energie zu vervollständigen fügen wir noch die Bewegung dazu.
– Die Bewegungsenergie wird durch das Wirken der vier physikalischen Grundkräfte übertragen (oder umgewandelt).

011   Dunkle Materie & Dunkle Energie
• Wenn man das Universum betrachtet und alle Energie sowie Materie zusammennimmt, fehlt noch etwas,
– damit die Berechnungen mit den Beobachtungen übereinstimmen.
• dies wird dann als Platzhalter als Dunkle Materie & Dunke Energie bezeichnet.

• Dunkle Materie
• An den äußeren Rändern von Galaxien haben die Sterne eine zu hohe Geschwindigkeit,
– um diese allein mit der sichtbaren Materie und der daraus resultierenden Gravitation zu erklären.
→ das Konzept der Dunklen Materie wurde eingeführt.

• Dunkle Energie
• Diese wird benötigt, um die beschleunigte Ausdehnung des Universums zu erklären.
– vor etwa 7 Milliarden Jahren, als die Dunkle Energie gegenüber der Materie dominant wurde.
(Entdeckt 1998 durch die Beobachtung weit entfernter Supernovae- Typ Ia)

012   Kräfte – Gravitation

• Gravitation ist eine Wechselwirkung, die zwischen Massen wirkt.
• Atome sind die Träger der Masse.
• Die Masse der Atome bildet die Materie.

E=mc2
• Nach Einstein sind Masse und Energie äquivalent.
– Masse kann in Energie übergehen.
• Masse ist eine energetische Zustandsform
– eine besonders konzentrierte Form von Energie.
– Lichtgeschwindigkeit: 300.000 km/s
→ qualitative Änderung.

Atom
• Das Atom ist die Quelle von Gravitation
– und ist folgendermaßen aufgebaut:
• Atomkern: Protonen und Neutronen.
• Protonen-Anzahl = Ordnungszahl (Atomnummer) / Gesamt-Anzahl = Massenzahl.
• Ein Atom besteht aus Protonen und Neutronen im Kern. Der Kern ist positiv geladen.
• Die Protonen bestimmen, was für ein Element/Atom es ist.
• Die Elektronen befinden sich im Außenbereich. Sie sind negativ geladen.
• Die Anzahl der Neutronen ist variabel → Isotope.

013   Starke nukleare Kraft
• Im Nukleus sind Protonen & Neutronen.
• Diese bestehen aus Quarks. Proton: 2x Up, 1x Down / Neutron: 2x Down, 1x Up.
• Kraft wird über die Gluonen übertragen.
– Gluonen sind die Träger der starken nuklearen Kraft.

• Die Gluonen halten die Quarks zusammen.
– wirkt auf sehr kurze Distanz,
– aber weit genug um über die Quarks hinaus die Protonen und Neutronen zusammen zu halten.

• 100x stärker als die elektromagnetische Kraft,
– deshalb können die + geladenen Protonen auch nebeneinander existieren.
• Protonen brauchen aber dennoch mindestens ein Neutron als „Puffer“.
→ Spaltung – diese Energie wird frei.

014   Schwache nukleare Kraft

• Ist ein Transformator (Down↔Up Quark).
• Protonen können in Neutronen umgewandelt werden – und umgekehrt.
– up → down Quark, sowie down → up Quark

• Proton → Neutron: (β−) z. B. Proton + Proton (Fusion in der Sonne).
• Neutron → Proton (β+) z. B. 14C zu 14N. → 14C zerfällt und wird zu 14N. (Altersbestimmung: c.a. 5800 Jahre Halbwertszeit)
– 14C (6 Protonen + 8 Neutronen) zerfällt in 14N (7 Protonen + 7 Neutronen).
– Bestimmen des Alters von organischen Stoffen (aus Kohlenstoff C).

015   Elektromagnetisch – Elektrostatische Kraft
• Ladungen, die in einem statischen Zustand sind, erzeugen ein elektrostatisches Feld.

• Z. B. durch Reiben eines Plastikluftballons an Haaren.
– Beides vorher neutral; nach dem Reiben befinden sich mehr Elektronen auf dem Plastik.
→ Elektrostatische Anziehung (nicht magnetisch).

• im Atom: zwischen dem Atomkern (+) und den darum befindlichen Elektronen.
• zwischen den Atomen: bei einem Molekül / bei chemischen Verbindungen.

016   Elektromagnetisch – Elektromagnetische Kraft

• Ladungen, die in einem bewegten Zustand sind, erzeugen ein elektromagnetisches Feld.

• Elektromagnet:
– Werden Elektronen durch eine Spule geschickt
– die um einen Eisenkern gewickelt ist:
– Richtet sich der Spin der Atome (Elementarmagnete) im Eisenkern aus.
→ Magnetismus entsteht.

• Dynamo:
– Ein Magnet bewegt sich in der Spule
– Elektronen werden durch das sich ändernde Magnetfeld bewegt und erzeugen
→ Strom (Induktion).

017   Elektromagnetisch – Elektromagnetische Strahlung
• Ladungen, die in einem beschleunigten Zustand sind, erzeugen elektromagnetische Strahlung.

• Die Photonen bewegen sich frei und als Schwingung.
– Die Sache mit der Gleichzeitigkeit / Dualität, dass es Teilchen und Welle zugleich ist.
– Wurde bei Photonen entdeckt: Double Slit Experiment, Young 1801.

• Sie haben verschiedene Wellenlängen = Frequenzen.
– Von den energieärmeren / langwelligen Strahlungen
– Zu den hochenergetischen & hochfrequenten Strahlungen:
• Radio, Mikro, Infrarot, Licht, UV, Röntgen (X-ray), Gamma (γ).

• Sie haben Lichtgeschwindigkeit: c≈300.000 km/s.
• Sichtbares Licht ist eine elektromagnetische Welle im mittleren Bereich.
– Wir sehen in einem Spektrum davon: das Licht.
– Die verschiedenen Wellenlängen können wir als verschiedene Farben wahrnehmen.

018   Bewegung

• Die 4 physikalischen Grundkräfte verrichten Arbeit (W=F⋅s),
→ die Bewegungsenergie erzeugt. (Z. B. Gravitation beschleunigt Galaxien).

• Die Bewegungsenergie wird durch die 4 physikalischen Grundkräfte erzeugt.
(Die Kraft als solche „trägt“ diese Energie nicht mehr; sie drückt sich in Bewegung aus).

• Sie drückt sich aus durch thermische Energie, Translation & Rotation.

019   Zeitleiste
• In der Sekunde 10−12 s haben sich
– die Strukturen der Elementarteilchen und Strahlung gebildet.
– und es haben sich die 4 physikalischen Grundkräfte – die Spielregeln dazu – auch abgetrennt / gebildet.

• Wir fahren nun mit der Zeitleiste fort, wie die Energie sich in ihre Formen verwandelt.

020   Protonen & Neutronen

• Quarks bilden Protonen und Neutronen.
• Die starke nukleare Kraft hält alles stark zusammen.

• Hochenergetische Photonen (Lichtteilchen)
– verhindern noch, dass Protonen und Neutronen zu komplexeren Kernen zusammenfinden.
• Temperaturen und Dichte sinket weiter

021   Atomkern
• Protonen und Neutronen bilden Atomkerne: H (Wasserstoff), He (Helium) & etwas Li (Lithium).
• Die Kraft der Gluonen hält diese zusammen.
– Die Starke Kernkraft wirkt.

→ Minute 20: Kernfusion stoppt – denn die Temperaturen sind inzwischen zu gering.
• In diesen 17 Minuten sind H und He entstanden in einer Ratio von: 75% H, 24% He, 1% Lithium.
• Elektronen fliegen noch frei herum; Photonen prallen an Elektronen ab – Streuung.

• Temperaturen und Dichte sinken weiter

022   Atom

• Es ist nun kühl genug, dass sich die Elektronen an die Kerne binden (ca. 3.000 °C).
• Das elektrostatische Feld bindet Elektronen an den Kern.

• Photonen (= Licht) haben mehr Platz, stoßen nicht mehr permanent an Elektronen
→ sie werden frei → Das Universum wird durchsichtig.
– Vor diesem Moment war das Universum wie ein extrem dichter, leuchtender Nebel – Plasma
– Das Licht wurde permanent abgelenkt (gestreut).

• Hintergrundstrahlung ab JETZT.
– Dieses Signal kommt deshalb auch aus jeder Richtung im Weltall gleichzeitig bei uns an.
– Da alles sich von allem ausdehnt (kosmische Expansion).

• Damals: Wellenlängen im Infrarot-Bereich (ca. 1.000 nm).
– Heute: Langgezogen durch die Ausdehnung des Raumes in den Mikrowellen-Bereich → 1,9 mm (1,9 Mio. nm).

• Temperaturen und Dichte sinken weiter

023   Gaswolken Nebel

• Durch Gravitation bilden sich Gasnebel aus H (Wasserstoff) und He (Helium).
– Je mehr Masse, desto höher die Gravitation – desto mehr Anziehung für weitere Masse.

• Im Inneren der Gasnebel steigt der Druck und die Temperatur,
– bis sich sehr heisse sehr dichte Gasbälle bilden – die ersten Sterne

024   Serne

• Die ersten Sterne entstehen.
– Durch die Fusion von Protonen in dem dichten, heißen Gas.

• H → He + Energie: Gamma-Strahlung (γ).
– Entsteht im Kern.
– Nach ∼ 10.000–170.000 Jahren erreichen die Photonen die Oberfläche.
(γ-Photonen stoßen mit Protonen/Elektronen zusammen – verliert γ Energie → Wellenlänge wird größer).
– Sie werden langwelliger: UV-Licht und sichtbares Licht, und Infrarot

• In der Region der Oberfläche können dann auch Elektronen an den Nukleus gebunden werden.
– Vollständige He-Atome entstehen. (davor war es zu heiß – der Zustand war zu plasmartig)

• Spektrum der Sonnenstrahlung:
– 49% Infrarot (IR), 41% Sichtbares Licht, 8% Ultraviolett (UV), 2% Reststrahlung: Neutrinos, wenig Röntgen, fast kein Gamma.

(Gamma- und Röntgenstrahlen kommen primär von Solar Flares, Supernovae, Neutronensternen)
(und anderen hochenergetischen kosmischen Ereignissen).
____________________
Proton-Proton Kette
• H → He + Energie,
– der Helium-4-Kern eine geringere Masse hat als die vier einzelnen Protonen.
→ Energie wird frei

(In versch. grossen Sternen verschmelzen diese Kerne stufenweise zu immer schwereren Elementen)

025   Sterne M + XL

• H → [C N O] He + Energie (γ - Strahlen, Neutrino, Positron)
• C, N, O, werden nur als Katalysatoren verwendet
____________________
– am Anfang ist ein C, am Ende ist ein C, es kommen mehrere Protonen nacheinander hinzu –> He
(dazu muss es bereits C N O geben z.B. aus weiteren Prozessen in XL Sternen und sterbenden S & M Sternen)

026   Sterne XL & sterbender Stern S M

• He → C, O + Energie: Fusion von Helium zu Kohlenstoff (C) und Sauerstoff (O).
(Endphase eines Sterns: Durch den erschöpften Wasserstoffvorrat im Kern steigt der Druck und die Temperatur massiv an.) ____________________
• Triple Alpha Prozess
• Es entsteht Sauerstoff und Kohlenstoff – die Grundlage unserer organischen Chemie.
(C kann sich aneinanderreihen, Ketten bilden und dadurch sehr vielfältige Moleküle bilden)

027   sterbender Stern XL

• Elemente bis Fe Eisen entstehen:: C → Ne → O → Si → Fe.
– Entsteht: Eisen Fe / 26 Protonen (und etwas Nickel / Ni).
– Red Super Giant ist die finale Phase eines M und XL Sternes.

• Eisen ist die stabilste Form der Materie.
– bis Fe: Die Fusion setzt Energie frei (Exotherm).
– ab Fe: Die Fusion verbraucht Energie (Endotherm).

– Unser Sonnensystem entstand aus einem solchen Todesprozess.
(unser Erdkern besteht aus Eisen (Fe), Nickel (Ni) und Spuren von Kobalt (Co).
(Fakt: 96 % der Erdmasse bestehen aus nur vier Elementen: Fe, O, Si, Mg)

028   Supernova

• Elemente ab Fe (Eisen)
– bis hin zu Iridium Ir / 77 Protonen

• Wenn der Stern am Ende in sich selbst kollabiert
– aber aufgrund seiner extremen Dichte
– prallt diese Materie auf diesen dichten Kern auf.
→ Dieser plötzliche Aufprall führt zu einem gewaltigen Rückstoß (Bounce)
→ Supernova.

• Elemente werden in das Weltall geschleudert.

– nach Supernova M-Stern
• Neutronenstern:
• ca. 10–20 km Durchmesser, 2- bis 3-fachen Sonnenmasse. Rotation 10 – 50000 km/sek
– Strahlen Radio-, Röntgen- und Gammastrahlen entlang der Magnetpole aus.
– Wenn Rotations- und Magnetachse verschieden sind → periodische Pulse → Pulsar.

– nach Supernova XL-Stern
• Schwarzs Loch:
• Wenn der verbleibende Kern nach der Supernova extrem massiv ist.
– Die Gravitation (Masse/Energie) ist so stark ist und die Rotation so gross ist,
– dass keine Kraft die Teilchen oder Licht mehr voneinander trennen kann.
– die Materie stürzt in sich selbst zusammen.
→ Schwarzes Loch.

029   Neutronen Stern Merger

•= Kilonova
• Tritt in Binärsystemen (Doppelsternsystemen) auf.
(ca. 50 % aller massiven Sterne existieren in Paaren)

• die schwersten stabilen Elemente des Periodensystems entstehen
– ab Platin (77) über Gold (78) bis Uran (92) und Plutonium (94).

• Nach einem solchen Neutron Star Merger (Neutronenstern-Verschmelzung)
– bleib auf jeden Fall ein Schwarzes Loch zurück.
(Die Masse der beiden Sterne konzentriert sich auf einen Punkt)

• Ein supermassereiches Schwarzes Loch bildet das Gravitationszentrum fast jeder Galaxie.

030   Galaxien

• Wenn Sterne aufgrund der Gravitation zusammenfinden, entsteht eine Galaxie.
• Galaxien sind gigantische Ansammlungen von Sternen, Gas, Staub und Dunkler Materie.

• In einer Galaxie bewegen sich Sterne um ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum.
– Die meisten formen sich als flache Scheiben mit Spiralarmen.
– Planeten um die Sterne sind zunächst nur Planetesimale. (1 – 10km)

• im jahr 900 millionen entstand unsere Milchstrasse.
– Unsere Milchstraße hat einen Durchmesser von ca. 100.000 Lichtjahren.
– Unsere Position befindet sich im Orion-Arm. (26.000 Lichtjahre vom Zentrum)

• Die Voyager Raumsonden, welche 1977 gestartet sind haben inzwischen eine Distanz von 1Lichttag erreicht
(Das nächste Sternensystem [Alpha Centauri] ist 4,2 Lichtjahre entfernt.)

031   Planeten

• Elemente (Fest und Gas) akkumulieren sich.
– Unter der Gravitation formen sich rotierende protoplanetare Scheiben aus Staub und Gas.
→ von Planetesimalen zu Protoplaneten und schließlich zu runden Planeten.

• Erde: 96 % der Masse: Fe (Eisen), O (Sauerstoff), Si (Silizium) und Mg (Magnesium).

032   Sternensysteme

• Aus den verbleibenden Staub- und Gasresten der Sternentstehung bilden sich Planeten und Monde.
– Diese Himmelskörper werden von der massereichen Zentralsonne eingefangen kreisen auf stabilen Bahnen.
– Gemeinsam bilden sie ein Sonnensystem.

033   Universum – beschleunigte Ausdehnung

• die Gravitation bremste das Universum zunächst ab – für Milliarden Jahre.
(Dunkle Energie hat eine konstante Dichte, wenn der Raum aber immer größer wird – gewinnt sie über die Zeit an relativer Wirkung*)
• dann durch Überhandname der dunklen Energie → beschleunigte Ausdehnung

– 1929 Hubble – Universum dehnt sich aus
– 1998: beschl. Ausdehnung ( bei Beobachtungen von Supernovas) – durch Dominanz dunkler Energie.

• kosmologischen Konstante beschreibt die beschleunigte Ausdehnung,
– die kommt von Einsteins Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie 1917, – mit der Konstante wollte er das Universum statisch macht.

(*Wenn sich der Raum verdoppelt, gibt es doppelt so viel Vakuum.)
(Da die Energiedichte pro Kubikmeter starr (konstant) ist, verdoppelt sich also auch die Gesamtmenge an abstoßender Energie.)

034   Periodensystem

• zur Übersicht das Periodensystem mit den Elementen.
– H (Wasserstoff): Direkt nach dem Urknall entstanden.
– He (Helium): Urknall & Sternfusion.
– … schwerere Elemente: In sterbenden Sternen und Supernovae geschmiedet.

035   Periodensystem – Atome

• das Periodensystem ist nun gegliedert
– vertikal nach der Anzahl der Elektronen un der äussersten Schale, den Valenzelektronen.
• Ganz links: 1 Elektron in der Außenschale (hochreaktiv).
• Ganz rechts: 8 Elektronen in der Außenschale (Edelgase – reaktionsträge/stabil).
(1869: Dmitri Mendelejew erstellte das Grundgerüst)

• Am liebsten haben Atome eine stabile Formation von 8 Elektronen in der äussersten Schale

• um stabilere Edelgaskonfigurationen zu erreichen - 8 Elektronen äusserste Schale
– önnen die Elemente / Atome nun weiter kombiniert werden - zu komplexeren Strukturen
• zu Molekülen

036   Moleküle

• Die meisten Atome streben nach einer stabilen Verbindung mit 8 Elektronen in der äußersten Schale (Edelgaskonfiguration).
• C (Kohlenstoff): 4 Valenzelektronen. Er kann 4 weiteren Elektronen „die Hand geben“.
– Das macht ihn zum perfekten Baustein für lange Ketten, an denen andere Atome andocken.
• O (Sauerstoff): 6 Valenzelektronen – somit sind 2 Plätze frei für Bindungen.
• H (Wasserstoff): 1 Elektron und kann sich damit fast überall leicht anbinden.

Verbindungen
• H₂O (Wasser), CH₄ (Methan).
• O₂ (Sauerstoff): Das, was wir einatmen.
• CO₂. (Kohlendioxid): Das, was wir ausatmen.
(NaCl Salz)

037   Photosynthese – Energiespeicherung

• bei Pflanzen und Algen

• Hier wird Energie zugeführt um komplexe Moleküle zu bilden
– es wird in so einer komplexen Verbindung Energie gespeichert.
– löst man diese Verbindung wieder wird diese Energie wieder freigesetzt

• Reaktion: Aus CO₂. (Kohlendioxid) + H₂O (Wasser) + Licht = entsteht O₂ (Sauerstoff) und Zucker (Glucose).
– 6CO₂. +6H2 O+Energie (Licht)→C₆ H₁₂ O₆ +6O₂

038   Verbrennung – Energiefreisetzung

• Hier beginnt nun der Prozess, wie wir aus diesen Verbindungen
– Energie wieder extrahieren können
– Zucker / Glucose wird hier abgebaut.

• Dies ist nun ein Prozess, in dem die gespeicherte Energie freigesetzt wird.
(z. B. wenn die Photosynthese nun quasi umgedreht wird)
– Es verbrennt Zucker (C₆ H₁₂ O₆) mit Sauerstoff (O₂) (dem aus der Atmung).

→ In diesem Prozess entsteht ATP (Adenosintriphosphat)
– das dann in den Zelle als Energielieferant dient.

039   Energiespeicherung & Fossilierung

• weitere komplexe Moleküle wie z.B Lipide / Fette sind auch Kohlenstoffketten
Lebewesen speichern Energie in Form von Kohlenhydraten (wie Glukose) und Fetten (Lipiden).

• hier z.b ein Lipid /Fett, das aus dem Lebewesen wie Plankton und Algen bestehen
– wenn diese nun Absterben und lässt sie ohne Sauerstoff unter Druck und Hitze ca. 500 / 250 mio Jahre liegen
–> Umwandlung zu Erdöl – zu Kohlenwasserstoffen (C-Ketten – CH₄, C₆ H₁₂,…)

• ist das Ausgangsmaterial nun Zellulose, das aus dem Pflanzen bestehen
– wenn diese nun Absterben und lässt sie ohne Sauerstoff unter Druck und Hitze ca. 500 / 250 mio Jahre liegen
–> Umwandlung zu Kohle

(Lebewesen & Pflanzen aus : C H O & N S )

• Entstehung fossile Treibstoffe entstanden, zu
10 % im Paläozoikum [-540.000.000 —> -250.000.000 jahren]
70% im Mesozoikum [-250.000.000 —> -66.000.000]
20% im Cenozoikum, [-66.000.000 —> 0] wo wir quasi jetzt sind

040   Verbrennung - Fossil

• Nimmt man nun diese Kohlenstoffketten / Kohlenwasserstoffe,
• können diese mit Sauerstoff (O₂ ) oxidiert / verbrannt werden.

• z. B. CH₄
– CH₄ ist die simpelste dieser Verbindungen – Methan
– verbrennt man das CH₄ nun mit O₂, wird auch hier Energie freigesetzt
– durch das lösen der chemischen Verbindungsenergie

• CH₄ + 2O₂ ⟶ CO₂. + 2H2 O+Energie

041   Verbrennung - Zucker / Fossil

• der Prozess des Verbrennens von Kohlenwasserstoff und Kohlenhydrat mit O₂ ist chemisch analog.

042   Kernspaltung – nuklear

• Bindungsenergie wird freigesetzt.
• Bei der Kernspaltung (Fission) gewinnt Energie, die bei einer Supernova hineingesteckt wurde
• das Uran 235 ist instabil – und wird zu im vergleich 2 stabilere Kerne gespalten + Neutronen + Energie
(Dennoch recht instabil und zerfällt weiter)

• z.b. U_Uranium [235/92] [unstable] + n [1/0] ––> Ba_Barium [144/56 + Kr_Krypton [89/36] + 3 n [1/0] + Energie
(sie sind radioaktiv → sie zerfallen weiter, bevor sie stabil werden)
– radioaktiver Müll 300 Jahre hochgefährlich, nach 1 mio Jahre ungefährlich
(U-235: Halbwertszeit 700 Millionen Jahre, Pu 239: 24.000 Jahre)

• Strahlungsarten: • Gamma (γ) durchdringt alles zerstöhrt Zellkern und Erbgut
• Beta (β): Hautverbrennung, Gewebeschäden
• Alpha (α): zerstöhrt die Zelle wenn geschluckt oder eingeatmet

• Endlager eines weltweit: Finland, Onkalo, 2004-2026 (jetzt Probebetrieb)
• Zwischenlager sonst: Castor-Behälter: Spezialbehälter aus Stahl und Beton für Transport und Zwischenlagerung.
• bis jetzt: 430 000T R-Muell (=Fussballfeld, 3m hoch), jedes Jahr +10.000 Tonnen
– nur in Planung Endlager Frankreich, Schweden

• Lager - keine Brennstäbe (kontaminierte Werkzeuge, Schutzkleidung, Filter, Metallteile, Bauschutt)
– Schacht Konrad 2002 – 2030er,...
• Dokumentation über Endlager Onkalo: Into Eternity, da es 300 – 100 Mio. Jahre nicht geöffnet werden darf
– Thematisch bau aber auch wie man dieses Lager markiert,
- Mathe, Kunst?
– oder garnicht = vergessen, beste Chancen dass es nicht geöffnet wird

043   elektromagnetische Strahlung – Photovoltaik

• Basiert darauf dass
• Elektronen sich durch Energie anregen lassen: abhängig von der Frequenz
(Photoelektrischer Effekt: Entdeckt durch Hertz 1887, theoretisch erklärt durch Einstein 1905)
→ Photonen (Lichtteilchen) können Elektronen aus einer Oberfläche herausschlagen.

• Ein Siliziumkristall/gitter wird hergestellt und mit Phosphor (P) und Bor (B) dotiert.
• Silizium (Si): hat wie Kohlenstoff (C) 4 Valenzelektronen in der äußeren Schale
– kann somitmit 4 weitere Elektronen an sich binden.

• Dotierung mit:
• Phosphor (P): hat 5 Elektronen in der äußersten Schale
– somit bleibt ein Elektron zu viel für die stabile 8er-Schale im Gitter (n-Schicht).
• Bor (B): hat nur 3 Elektronen in der äußersten Schale
– es entsteht somit ein Loch (ein fehlendes Elektron) im Gitter (p-Schicht).

• → wo beide Schichten zusammenkommen (Grenzschicht)
– wandern die überschüssigen Elektronen in die Löcher.

• Wenn nun Sonnenlicht , sichtbares Licht, IR und etwas UV auf
– Solarzelle: 400 – 1000nm trifft
→ Photon kicked das Elektron aus dem gefüllten Loch in die n-Schicht
– Das Elektron kann nicht in die Grenzschicht zurück
– muss den Umweg über die Leitung nehmen
• Strom fließt.

044   elektromagnetische Strahlung – Erde

• kommt die Sonnenstrahlung zur Erde
– trifft diese auf die Atmosphäre.

• Die Atmosphäre = leichte Gasmolekülen die durch die Gravitation daran gehindert werden, ins Weltall zu entweichen.
• diese Molekülverbindungen sind nicht starr
– sondern bewegen sich gegeneinander – schwingen in spezifischen Eigenfrequenzen.

• Trifft Strahlung mit einer Frequenz auf ein Molekül mit der gleichen Frequenz,
– absorbiert und re-emittiert,
→ diese Strahlung kommt durch die Atmosphäre nicht durch.

• dies geschieht bei
• Ozon (O3 ) – absorbiert die hochenergetische UV-Strahlung.

• das sichtbare Licht und etwas Infrarot kommen durch bis zur Erde
– die Erde nimmt die Energie auf / erwärmt sich und strahlt retour – mit ca. 15 grad celsius / 4000– 20000 nm zurück.

• jetzt kommt diese Strahlung von unten auf die Atmosphäre
• auf Moleküle mit der gleiche Frequenz
– auf CH₄
– auf H20
– und trifft auf das CO₂. das unter anderem mit ca. 16.000 nm schwingt

• dies erwärmt die Atmosphäre, und damit unsere Luft
→ Treibhauseffekt, wird immer wärmer

• CO₂. wird auch im Meer aufgenommen
– Kohlensäure entsteht: CO₂. + H2 O ⟶ H2 CO3
– Kohlensäure (H2 CO3) löst Kalk (CaCO3 ) in Muschelschalen und Korallen auf (oder kann gar nicht erst gebildet werden)
– CaCO3 +H2 CO3 ⟶Ca2++2 HCO3− (Hydrogencarbonat).

045   Temperaturdiagram Erde

• als Abschluss die Temperaturleiste der Erde.
– die Erde ist vor ca. 4,6 Milliarden Jahren entstanden.
– die hybride Zeitleiste beginnt vor ca. 66 Millionen Jahren (Aussterben der Dinosaurier).

• Die Erde hat Phasen unterschiedlicher Sonneneinstrahlung
– daraus resultierende verschiedene Temperaturphasen.
– die sich durch die Eiszeiten ausdrücken

• Dies geschieht “natürlich” aufgrund von:
• Astronomische Ursachen (Milanković-Zyklen)

– und den Wechselwirkungen (Verstärker & Regler):
– Albedo-Effekt (Eis reflektiert Sonnenlicht; je mehr Eis, desto kälter)
– Kontinentaldrift (Position Landmassen – ist Kontinent am Pol wird Bildung von Eisschild begünstigt)
– Meeresströmungen (verteilen die Wärme global (z. B. versieget Golfstrom -> Kontinentalbereich kühlt ab)
• sowie durch die Treibhausgaskonzentration (CO₂. & Methan) – natürlich und Menschen verursacht

• die geometrische Faktoren unseres Sonnensystemssind beschrieben durch die
– Milanković-Zyklen ( Sonneneinstrahlung wird dadurch verändert):
• alle 100.000 Jahre; Exzentrizität – Form der Erdbahn schwankt (kreisförmig ↔ elliptisch)
• alle 41.000 Jahre: Achsneigung der Erde – Neigung der Erdachse: zw. 22,1° und 24,5°
• alle 25.800 Jahre: Axiale Drehung - Wackelbewegung der Erdachse um 23,5°

• Überlagert man diese Faktoren kommt man auf die Zyklen der Eiszeiten.

• durch die axiale Wackelbewegung ändert sich unsern Nordstern:
– aktuell seit 500 Polaris. – Thuban (Sternbild Drache) um 2800 BCE (Pyramidenbau), Kochab (Kleiner Bär) von 400 BCE. bis 500, 4000 wird es Gamma Cephei sein.


• – 21.000 letzte Eiszeit, Letztes Glazialmaximum (maximale Vereisung)
• Kulturen begannen ab ~11.700 v. Chr massiv durchzustarten / expandieren & aufblühen
– Die Bevölkerung expandiert durch stabile Nahrungsgrundlagen und ideale Lebensumstände.
– –9.000: Göbekli Tepe als frühes Zentrum.
– –4.000 : Hochkulturen in Mesopotamien, Ägypten, Asien und Amerika.

• nächste natürliche Eiszeit wäre
– ohne die industrielle Revolution in ca. 50.000 Jahren zu erwarten gewesen. (ohne der industrelle Revolution.)
• Aufgrund des menschengemachten Treibhauseffekts verschiebt sich dieser Zyklus massiv:
– die nächste Eiszeit kommt eventuell erst in 100.000 Jahren oder gar nicht mehr.

– seit der industrielle Revolution wird eine sehr grosse Menge an CO₂. freigesetzt
– und dreht damit den Trend um

• es wird wie wir Anfangs gesehen haben
– die Fossile Verbrennung und somit der CO₂. Ausstoss noch immer erhöht
– und damit wird es immer wärmer

• das Diagramm zeigt verschiedene Projektionen, die auf dem zukünftigen Ausstoß von Treibhausgasen basieren
– wir bewegen uns aktuell im Bereich der oberen 3 Pfade.
– projizieren wir diese Werte in der Zeitleiste zurück
– wird deutlich, dass wir in ein für die Menschheit völlig unbekanntes Gebiet steuern.

046   vielen Dank