Energie für´s Fliegen
Woher kommt sie?
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Wichtig zu beachten!
Wenn du diese Symbole siehst, klicke sie mit dem Finger an:
Hier verstecken sich weitere Infos.
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Energie für´s Fliegen:Woher kommt die Energie?
Damit ein Flugzeug abheben kann, braucht es die Energie dafür. Doch woher kommt die Energie? Treibstoff ist eine Energiequelle. Dieser ist bei fast allen Flugzeugen das sogenannte Flugzeugbenzin Kerosin.
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Kerosin
Kerosin wird aus Rohöl raffiniert. Es besteht aus verschiedenen Kohlen-Wasserstoff-Verbindungen, wie zum Beispiel aus Alkanen und Aromaten.Sie sehen so aus:
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Verbrennung von Kerosin
Um Energie zu gewinnen, wird das Kerosin in den Flugzeugtriebwerken verbrannt. Das bedeutet, es reagiert mit Sauerstoff aus der Luft. Dabei einstehen einige Stoffe, z.B. Kohlenstoffdioxid, Wasser, feine Rußpartikel und noch andere Nebenprodukte.
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Verbrennung von Kerosin
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Verbrennung von Kerosin
Die richtige Reaktionsgleichung ist also: Kerosin + O ---> H O + CO + Rauch Dabei wird deutlich, dass CO entsteht.
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Treibhauseffekt
Du hast bestimmt schon einmal davon gehört, dass Kohlenstoffdioxid (CO ) eine große Rolle beim Klimawandel spielt. Das liegt daran, dass das von uns produzierte CO den Treibhauseffekt verstärkt.
Aber was ist der Treibhauseffekt eigentlich? Und wie funktioniert er? Das schauen wir uns jetzt gemeinsam an!
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Treibhauseffekt
Bei dem natürlichen Treibhauseffekt wird Wärmestrahlung in der Atmosphäre zurückgehalten. Das CO in der Luft hat dabei einen entscheidenen Effekt. Um zu verstehen, wie das CO in der Luft dafür sorgt, dass Wärme auf der Erde gehalten wird, schauen wir uns zuerst an, was Wärme eigentlich ist.
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Treibhauseffekt
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Treibhauseffekt
Um zu verstehen, was Wärme ist, betrachten wir das elektromagnetische Spektrum. Das besteht aus elektromagnetischen Wellen verschiedener Wellenlängen. Schaue dir die verschiedenen Bereiche des Spektrums auf der folgenden Folie genauer an!
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Das elektromagnetische Spektrum
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Das elektromagnetische Spektrum
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Das elektromagnetische Spektrum
Das elektromagnetische Spektrum
Wärmestrahlung
Jeder Gegenstand, egal ob warm oder kalt, sendet Infrarotstrahlung ab. In der Fachsprache heißt das emittieren. Die Infrarotwellen von kalten Körpern haben eine große Wellenlänge:
| |
Wellenlänge
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Wärmestrahlung
Warme Körper senden kürzere Infrarotwellen aus:
<-->
| |
Wellenlänge
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Wärmestrahlung
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Wärmestrahlung
Wird ein Körper richtig heiß, sendet er so kurze Wellen aus, dass sie sich wieder im sichtbaren Spektrum befinden.
Der Körper fängt dann an rot zu glühen, wie zum Beispiel Lava.
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Infrarotstrahlung sichtbar machen
Wir können Wärme, d.h. Infrarotwellen, normalerweise nicht wie normales Licht sehen. Eine Infrarotkamera kann sie aber für uns sichtbar machen.
Mit Hilfe einer Infrarotkamera kann man Temperaturen von Gegenständen oder Personen auf einem Bild bestimmen.
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Infrarotstrahlung sichtbar machen
Ihr dürft jetzt selbst Infrarotstrahlen sichtbar machen!
- Steckt die Infrarotkamera an das Tablet an.
- Schaltet sie an.
- Öffnet die App FLIR One
Macht damit diese Bilder:
- Ein Gruppenbild von euch allen zusammen!
- Presst eine Hand für ca. 10 Sekunden auf den Tisch und macht dann ein Bild der Stelle, wo eure Hand war. Was stellt ihr fest?
- Stellt euch hinter eine der Plexiglaswände und macht ein Foto. Was könnt ihr sehen?
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Absorption von elektromagnetischen Wellen
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Absorption von elektromagnetischen Wellen
Der Handabdruck ist zu sehen, da elektromagnetische Wellen - wie die Wärmestrahlung - absorbiert werden. Der Tisch wird an dieser Stelle wärmer.
Dadurch verändert sich die Abstrahlung des Tisches an eben dieser Stelle. Diese Unterschiede können wir mithilfe der Infrarotkamera sehen.
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Was hat das nun mit dem Treibhauseffekt zu tun?
Die Sonne sendet verschiedene elektromagnetische Wellen aus, darunter auch das für uns sichtbare Licht.Diese Strahlung trifft auf unsere Erde und bewirkt dann den Treibhauseffekt. Kannst du den genauen Ablauf vom Treibhauseffekt auf der nächsten Seite selbst anordnen?
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Treibhausgase
Die Gase in der Atmosphäre, die die Wärmestrahlung der Erde absorbieren und dann wieder emittieren, werden auch Treibhausgase genannt. Zu den wichtigsten Treibhausgasen zählen Kohlenstoffdioxid (CO )und Wasserdampf. Wie stark diese Treibhausgase die Temperatur in der Atmosphäre beeinflussen, darfst du mit deinem Team jetzt herausfinden!
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Versuch
Nehmt euch folgende Materialien aus der Kiste:
- Halterung
- Wärmelampe
- 2 Thermometer
- 2 Gläser mit Deckel
- 1 Teelöffel
- 1 Päckchen Backpulver
- Essigessenz
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Versuch
Bevor ihr weitermacht:Zieht euch jetzt Handschuhe und Laborbrillen an, die auf dem Tisch bereit liegen! Folgt anschließend den Anweisungen auf den nächsten Folien.
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Versuch
- Ein Glas bleibt leer. Verschließt es mit dem Schraubverschluss.
- Füllt in das andere Glas ein Päckchen Backpulver und mindestens zwei fingerbreit Essig. Wartet, bis das Gemisch blubbert.
- Verschließt auch dieses Glas.
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Versuch
4. Steckt die Thermometer in die vorgebohrten Löcher und schaltet sie an. Das sollte so aussehen:
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Versuch
5. Stellt die Gläser in die Mulden der Halterung. 6. Richtet dann die Infrarotlampe auf die Gläser aus und von euch weg. 7. Steckt die Infrarotlampe an.
Beobachtet in den nächsten Minuten, wie sich die Temperatur verändert!
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Beobachtung
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Erklärung
Treibhausgase
Du hast gemerkt, dass die Temperatur in dem Glas mit dem Essig-Backpulver-Gemisch schneller ansteigt! Das liegt daran, dass beim Mischen von Backpulver und Essig eine Reaktion abläuft, bei der CO entsteht. So hast du in dem Glas eine Atmosphäre mit sehr viel CO geschaffen. Diese Atmosphäre mit viel Treibhausgas kann mehr Infrarotwellen absorbieren und wieder emittieren als die normale Umgebungsluft und erwärmt sich deswegen schneller.
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Natürlicher Treibhauseffekt
Die Treibhausgase in unserer Atmosphäre sorgen also dafür, dass sich unsere Erde erwärmt. Und das ist auch gut so!
Ohne den Treibhauseffekt wäre es sonst ziemlich kalt auf der Erde, nämlich -18°C!Ohne den Treibhauseffekt könnten wir also gar nicht auf der Erde leben...
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Anthropogener Treibhauseffekt
Das Problem an dem Treibhauseffekt sind wir Menschen. Durch unsere Lebensweise stoßen wir viel CO aus, das in der Atmosphäre bleibt und den natürlichen Treibhauseffekt verstärkt. Deswegen spricht man dann auch vom anthropogenen Treibhauseffekt.
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Einfluss auf das Klima
Auch beim Fliegen wird, wie zu Beginn besprochen, CO freigesetzt, was eine zusätzliche Erderwärmung und somit den Klimawandel zur Folge hat.
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Klimafreundliche Alternativen
Deswegen wird auch schon an klimafreundlichen Alternativen für Kerosin geforscht.
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Klimafreundliche Alternativen
Eine vielversprechende Alternative ist der Wasserstoffantrieb.
Du kennst ihn bestimmt schon von Wasserstoffautos. Wie das genau funktioniert, schauen wir uns jetzt an.
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Wasserstoffatom
Dafür betrachten wir zuerst das Wasserstoffatom. Das verbindet sich normalerweise mit einem anderen Wasserstoffatom, wenn es keinen anderen Reaktionspartner gibt. Sie bilden dann ein H -Molekül:
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Wasserstoffatom
Wasserstoff kann aber nicht nur Bindungen mit sich selbst eingehen, sondern auch mit anderen Elementen. Die Verbindung die für den Wasserstoffantrieb relevant ist, ist Wasser bzw. H O. Wasser besitzt nämlich zwei Wasserstoffatome, die durch die Elektrolyse aus der Bindung herausgelöst werden können.
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Elektrolyse
In diesem Video wird die Elektrolyse erklärt. Schaue es dir an!
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Elektrolyse
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Jetzt seid ihr dran!
Stellt mithilfe des Elektrolyseverfahrens Wasserstoff her! Hinweis: Wartet bis alle Teammitglieder bei dieser Folie angekommen sind und beginnt dann erst mit dem Versuch!
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Versuch
Du darfst jetzt selbst eine Elektrolyse durchführen und dabei Wasserstoff herstellen. Nimm dir dazu mit deinem Team diese Materialien aus der Kiste:
Netzteil Elektrolyseur Powermodul Multimeter
Kabel Grundplatte Drehwiderstand
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Versuch
Fülle jetzt die Kammern des Elektrolyseurs bis zur oberen Kante des Röhrchens mit destilliertem Wasser. Du findest es ebenfalls in der Kiste.Verschließe dann beide Kammern wieder mit den Deckeln und drehe den Elektrolyseur um.
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Versuch
Baue aus den Materialien folgenden Schaltplan auf:
Stecke das Netzteil noch nicht in die Steckdose!
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Versuch
Bevor ihr weitmacht:
Lasst die Schaltung von einer Betreuungsperson kontrollieren!
Wenn alles richtig ist: Befolgt schrittweise die Anleitung auf der nächsten Folie.
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Versuch
- Drehe den Widerstand auf 40Ω. Er schützt den Elektrolyseur vor einem zu hohen Stromfluss.
- Schließe jetzt das Powermodul über das Netzkabel an die Steckdose an. Schalte das Powermodul an und stelle es auf 2V ein.
- Drosselt nun langsam den Widerstand. Auf dem Multimeter darf nur eine Stromstärke von maximal 200 mA gemessen werden.
Die Elektrolyse von Wasser hat jetzt angefangen. Lasse sie laufen, während du weiterklickst.
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Wasserstoff als Energiespeicher
Die Energie aus dem Powermodul wurde verwendet, um das Wasser aufzutrennen. Wie du sicher weißt, geht Energie nie verloren (Energieerhaltungssatz). Die Energie, die wir hier verwendet haben, steckt nun gespeichert in den H - und O -Molekülen.
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Wasserstoff als Energiespeicher
Diese „Energiespeicher“ können wir jetzt in Gasflaschen packen und dorthin bringen, wo sie gebraucht werden.Dabei interessiert uns nur das gespeicherte H , weil man Sauerstoff ja ausreichend in unserer Atemluft findet. Wasserstoff kommt hier nur in minimalen Mengen vor.
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Wasserstoff als Energiespeicher
Tipp
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Freisetzung der Energie
Es gibt mehrere Wege, die Energie aus dem Wasserstoff wieder freizusetzen.
Die einfachste Methode ist das sogenannte Verbrennen von Wasserstoff. Durch kleine Wasserstoff-explosionen kann man dann einen Motor antreiben.
Hinweis: Mit Verbrennen ist hier nicht das Anzünden des Wasserstoffs gemeint, sondern die elektrochemische Reaktion des Wasserstoffs mit dem Sauerstoff. Dabei entsteht keine Flamme!
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Freisetzung der Energie
Bei einer Verbrennung geht aber auch viel Energie als Hitze verloren und kann nicht genutzt werden.
Verbrennen bedeutet immer eine Reaktion mit Sauerstoff. Verbrennen wir Wasserstoff, dann findet folgende Reaktion statt, bei der dann am Ende Wasser und Energie in Form von Wärme frei werden:
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Freisetzung der Energie
Eine bessere Methode, um die gespeicherte Energie wieder zu gewinnen, besteht darin, mit einer Brennstoffzelle aus dem Wasserstoff wieder Strom zu gewinnen.
Unser Elektrolyseur kann auch rückwärts als Brennstoffzelle verwendet werden und aus H und O wieder Wasser herstellen und dabei Strom freisetzen.
Wie diese Reaktion abläuft, schauen wir uns jetzt an.
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Freisetzung der Energie
Schaue dir das Video zur Energiefreisetzung durch die Brennstoffzelle an. Nutze dafür bitte die Kopfhörer.
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Umkehrreaktion
Die Reaktion von H und O zu Wasser findet hier nicht schlagartig als Explosion statt, sondern kontinuierlich und kontrolliert. Diese Reaktion läuft sehr ähnlich zur Aufspaltung von Wasser ab, nur rückwärts. Sieh dir auf der nächsten Folie an, wie man diese Umkehrreaktion nutzen kann.
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Umkehrreaktion
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Wasserstoff als Treibstoff
Du hast gesehen, dass Wasserstoff als Treibstoff genutzt werden kann.
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Wasserstoff als Treibstoff
Wasserstoff ist nur dann ein grüner bzw. nachhaltiger Treibstoff, wenn die Herstellung auch mit grünem Strom erfolgt. Man spricht dann von grünem Wasserstoff. In Deutschland gibt es erste Anlagen, die aus Solarstrom Wasserstoff in großen Mengen herstellen.
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Wasserstoff als Treibstoff
Leider ist ein Großteil des Wasserstoffs, den man bisher kaufen kann, nur grauer Wasserstoff. Dieser fällt als Nebenprodukt bei der Erdgasgewinnung an und ist somit nicht nachhaltig.
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Grüner Wasserstoff als Alternative
Wasserstoff scheint also als Energiespeicher gut zu funktionieren. Und wenn der Strom für die Elektrolyse aus erneuerbaren Energien stammt, ist Wasserstoff eine klimaneutrale Alternative zu Kerosin.
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Grüner Wasserstoff als Alternative
Warum fliegen die meisten Flugzeuge dann noch mit Kerosin?
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Nachteile von Wasserstoff
Der Nachteil von Wasserstoff hängt mit der Energiedichte zusammen. Ein Kilogramm Wasserstoff kann (unter Atmosphärendruck) ca. 120.000.000 Joule speichern. Das ist ungefähr der Stromverbrauch von einem Haushalt in 3 Tagen. Um die selbe Energie mit Lithium-Akkus speichern zu können, bräuchte man ca. 185 kg an Lithium-Akkus. Das ist deutlich schwerer. Wasserstoff ist gewichtstechnisch also klar besser!
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Nachteile von Wasserstoff
Das Problem liegt im Volumen von Wasserstoff!
1 kg Wasserstoff unter normalen Bedingungen hat ein Volumen von ca. 11 m³. Das ist ein ganzer Raum! Dieselbe Menge Energie würde in Lithium-Akkus gerade einmal einen Raum von 0,171 m³ einnehmen.(Das entspricht in etwa einem Würfel mit 55 cm Kantenlänge)
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Nutzungsmöglichkeit
Man kann Wasserstoff aber trotzdem platzsparend nutzen! Dafür muss man ihn: - unter sehr hohem Druck komprimieren
- stark abkühlen, denn bei sehr niedrigen Temperaturen (-252 °C) verflüssigt sich Wasserstoff.
Beides muss eine Speicherflasche für Wasserstoff natürlich aushalten. So eine Flasche zu bauen ist nicht einfach.
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Speicherflaschen von Wasserstoff
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Speicherflaschen von Wasserstoff
Eine Speicherflasche muss hohem Druck und sehr niedrigen Temperaturen standhalten können. Aber es gibt noch eine weitere Herausforderung. Wasserstoff ist das kleinste Element im Periodensystem und kann deswegen sehr gut auch durch die Wand einer Gasflasche gelangen, weil es sich sogar zwischen anderen Atomen durchdrücken kann. So entweicht auch immer ein wenig Wasserstoff und man verliert Energie.
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Man muss noch weiter forschen...
Es gibt also noch einiges zu erforschen und zu entwickeln bei der Speicherung von Wasserstoff. Auch an der Verwendung von grünem Wasserstoff als Treibstoff für Flugzeuge kann man noch viel forschen.
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Das DLR forscht zum Beispiel schon an Wasserstoff-Flugzeugen. Auf dem Bild siehst du ein umgebautes Forschungsflugzeug. Ob irgendwann mal alle Flugzeuge so aussehen werden...?
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Zurück zur Elektrolyse
Mittlerweile sollte sich genügend Wasserstoff in der Kammer des Elektrolyseurs gesammelt haben. Verringere jetzt den Strom mit dem Powermodul schrittweise auf 0V und schalte es erst dann aus. Du kannst jetzt die Kabel am Elektrolyseur abstecken.
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Wasserstoffauto
Am Ende des Tages werden wir, wie im Video vorhin abgebildet, gemeinsam ein Wasserstoffauto fahren lassen.
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Noch Zeit?
Du hast jetzt alles Wichtige zu dem Thema Energie für´s Fliegen erfahren. Falls du noch Zeit hast, findest du hier noch weitere Informationen zu den verschiedenen Arten von Wasserstoff. Klicke auf die Verlinkungen.
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Inhaltsverzeichnis
Klicke da, wo du hin willst:
Wasserstoff: Vor- und Nachteile
Alternative Wasserstoff: Elektrolyse
Treibstoff allgemein
Treibhausgase
Infrarot-strahlung im elektro-magnetischen Spektrum
Wasserstoff als Energie-speicher
Hey, du hast mich gefunden!Hier wirst du in der Regel mehr Infos zu einem Thema finden.
Über das Kreuz oben in der Ecke kannst mich wieder schließen.
Du bist dir nicht sicher, ob die Elektrolyse funktioniert und du die Werte richtig eingestellt hast?
Erfahrungsgemäß kannst du den Widerstand bis auf 0 drosseln. Behalte aber die den Maximalwert von 200mA auf dem Messmodul unbedingt im Blick. Meist pendeln sich am Multimeter folgende Werte ein: Spannung ~1,6 V Stromstärke ~ 50-100 mA Unter diesen Umstände läuft auch eine Elektrolyse ab. Du solltest im Elektrolyseur Wassertröpfchen in die oberen Kammern aufsteigen sehen und in den Wasserkammern bilden sich dafür "Gasräume". Nach 15 min Versuch sollten sich unterhalb der Wasserstoffkammer mind. 0,5cm Gasraum gebildet haben.
Vielleicht hilft dir nochmal ein Blick auf das elektromagnetische Spektrum:
Vielleicht hilft dir nochmal ein Blick auf das elektromagnetische Spektrum:
Vielleicht hilft dir nochmal ein Blick auf das elektromagnetische Spektrum:
Vereinfachtes Modell zur Darstellung des natürlichen Treibhauseffektes:
Raffinierung/Raffination
... bezeichnet den Vorgang, bei dem Rohöl durch Erhitzung in verschiedene Bestandteile zerlegt und für die Benutzung vorbereitet wird.
Bestandteile von Rohöl:
- Benzin
- Diesel
- Kerosin
- Flüssiggas
Vereinfachtes Modell zur Darstellung des natürlichen Treibhauseffektes:
Ein Tipp: Was passiert bei der Nachweisreaktion von Wasserstoff?Du kennst sie vielleicht aus der Schule als Knallgasprobe. Dabei wird das Gas mit einer Flamme in Kontakt gebracht, wobei ein lauter Knall bei einem Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch zu hören ist.
Anthropogen bedeutet, dass es von Menschen gemacht oder verursacht ist. Hier siehst du den natürlichen und den anthropogenen Treibhauseffekt im Modell als Vergleich:
Energie fürs Fliegen
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Created on May 5, 2025
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Energie für´s Fliegen
Woher kommt sie?
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Wichtig zu beachten!
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Energie für´s Fliegen:Woher kommt die Energie?
Damit ein Flugzeug abheben kann, braucht es die Energie dafür. Doch woher kommt die Energie? Treibstoff ist eine Energiequelle. Dieser ist bei fast allen Flugzeugen das sogenannte Flugzeugbenzin Kerosin.
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Kerosin
Kerosin wird aus Rohöl raffiniert. Es besteht aus verschiedenen Kohlen-Wasserstoff-Verbindungen, wie zum Beispiel aus Alkanen und Aromaten.Sie sehen so aus:
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Verbrennung von Kerosin
Um Energie zu gewinnen, wird das Kerosin in den Flugzeugtriebwerken verbrannt. Das bedeutet, es reagiert mit Sauerstoff aus der Luft. Dabei einstehen einige Stoffe, z.B. Kohlenstoffdioxid, Wasser, feine Rußpartikel und noch andere Nebenprodukte.
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Verbrennung von Kerosin
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Verbrennung von Kerosin
Die richtige Reaktionsgleichung ist also: Kerosin + O ---> H O + CO + Rauch Dabei wird deutlich, dass CO entsteht.
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Treibhauseffekt
Du hast bestimmt schon einmal davon gehört, dass Kohlenstoffdioxid (CO ) eine große Rolle beim Klimawandel spielt. Das liegt daran, dass das von uns produzierte CO den Treibhauseffekt verstärkt.
Aber was ist der Treibhauseffekt eigentlich? Und wie funktioniert er? Das schauen wir uns jetzt gemeinsam an!
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Treibhauseffekt
Bei dem natürlichen Treibhauseffekt wird Wärmestrahlung in der Atmosphäre zurückgehalten. Das CO in der Luft hat dabei einen entscheidenen Effekt. Um zu verstehen, wie das CO in der Luft dafür sorgt, dass Wärme auf der Erde gehalten wird, schauen wir uns zuerst an, was Wärme eigentlich ist.
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Treibhauseffekt
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Treibhauseffekt
Um zu verstehen, was Wärme ist, betrachten wir das elektromagnetische Spektrum. Das besteht aus elektromagnetischen Wellen verschiedener Wellenlängen. Schaue dir die verschiedenen Bereiche des Spektrums auf der folgenden Folie genauer an!
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Das elektromagnetische Spektrum
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Das elektromagnetische Spektrum
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Das elektromagnetische Spektrum
Das elektromagnetische Spektrum
Wärmestrahlung
Jeder Gegenstand, egal ob warm oder kalt, sendet Infrarotstrahlung ab. In der Fachsprache heißt das emittieren. Die Infrarotwellen von kalten Körpern haben eine große Wellenlänge:
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Wellenlänge
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Wärmestrahlung
Warme Körper senden kürzere Infrarotwellen aus:
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Wellenlänge
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Wärmestrahlung
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Wärmestrahlung
Wird ein Körper richtig heiß, sendet er so kurze Wellen aus, dass sie sich wieder im sichtbaren Spektrum befinden.
Der Körper fängt dann an rot zu glühen, wie zum Beispiel Lava.
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Infrarotstrahlung sichtbar machen
Wir können Wärme, d.h. Infrarotwellen, normalerweise nicht wie normales Licht sehen. Eine Infrarotkamera kann sie aber für uns sichtbar machen.
Mit Hilfe einer Infrarotkamera kann man Temperaturen von Gegenständen oder Personen auf einem Bild bestimmen.
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Infrarotstrahlung sichtbar machen
Ihr dürft jetzt selbst Infrarotstrahlen sichtbar machen!
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Absorption von elektromagnetischen Wellen
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Absorption von elektromagnetischen Wellen
Der Handabdruck ist zu sehen, da elektromagnetische Wellen - wie die Wärmestrahlung - absorbiert werden. Der Tisch wird an dieser Stelle wärmer.
Dadurch verändert sich die Abstrahlung des Tisches an eben dieser Stelle. Diese Unterschiede können wir mithilfe der Infrarotkamera sehen.
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Was hat das nun mit dem Treibhauseffekt zu tun?
Die Sonne sendet verschiedene elektromagnetische Wellen aus, darunter auch das für uns sichtbare Licht.Diese Strahlung trifft auf unsere Erde und bewirkt dann den Treibhauseffekt. Kannst du den genauen Ablauf vom Treibhauseffekt auf der nächsten Seite selbst anordnen?
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Treibhausgase
Die Gase in der Atmosphäre, die die Wärmestrahlung der Erde absorbieren und dann wieder emittieren, werden auch Treibhausgase genannt. Zu den wichtigsten Treibhausgasen zählen Kohlenstoffdioxid (CO )und Wasserdampf. Wie stark diese Treibhausgase die Temperatur in der Atmosphäre beeinflussen, darfst du mit deinem Team jetzt herausfinden!
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Versuch
Nehmt euch folgende Materialien aus der Kiste:
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Bevor ihr weitermacht:Zieht euch jetzt Handschuhe und Laborbrillen an, die auf dem Tisch bereit liegen! Folgt anschließend den Anweisungen auf den nächsten Folien.
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Versuch
4. Steckt die Thermometer in die vorgebohrten Löcher und schaltet sie an. Das sollte so aussehen:
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5. Stellt die Gläser in die Mulden der Halterung. 6. Richtet dann die Infrarotlampe auf die Gläser aus und von euch weg. 7. Steckt die Infrarotlampe an.
Beobachtet in den nächsten Minuten, wie sich die Temperatur verändert!
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Erklärung
Treibhausgase
Du hast gemerkt, dass die Temperatur in dem Glas mit dem Essig-Backpulver-Gemisch schneller ansteigt! Das liegt daran, dass beim Mischen von Backpulver und Essig eine Reaktion abläuft, bei der CO entsteht. So hast du in dem Glas eine Atmosphäre mit sehr viel CO geschaffen. Diese Atmosphäre mit viel Treibhausgas kann mehr Infrarotwellen absorbieren und wieder emittieren als die normale Umgebungsluft und erwärmt sich deswegen schneller.
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Natürlicher Treibhauseffekt
Die Treibhausgase in unserer Atmosphäre sorgen also dafür, dass sich unsere Erde erwärmt. Und das ist auch gut so!
Ohne den Treibhauseffekt wäre es sonst ziemlich kalt auf der Erde, nämlich -18°C!Ohne den Treibhauseffekt könnten wir also gar nicht auf der Erde leben...
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Anthropogener Treibhauseffekt
Das Problem an dem Treibhauseffekt sind wir Menschen. Durch unsere Lebensweise stoßen wir viel CO aus, das in der Atmosphäre bleibt und den natürlichen Treibhauseffekt verstärkt. Deswegen spricht man dann auch vom anthropogenen Treibhauseffekt.
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Einfluss auf das Klima
Auch beim Fliegen wird, wie zu Beginn besprochen, CO freigesetzt, was eine zusätzliche Erderwärmung und somit den Klimawandel zur Folge hat.
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Klimafreundliche Alternativen
Deswegen wird auch schon an klimafreundlichen Alternativen für Kerosin geforscht.
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Klimafreundliche Alternativen
Eine vielversprechende Alternative ist der Wasserstoffantrieb.
Du kennst ihn bestimmt schon von Wasserstoffautos. Wie das genau funktioniert, schauen wir uns jetzt an.
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Wasserstoffatom
Dafür betrachten wir zuerst das Wasserstoffatom. Das verbindet sich normalerweise mit einem anderen Wasserstoffatom, wenn es keinen anderen Reaktionspartner gibt. Sie bilden dann ein H -Molekül:
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Wasserstoffatom
Wasserstoff kann aber nicht nur Bindungen mit sich selbst eingehen, sondern auch mit anderen Elementen. Die Verbindung die für den Wasserstoffantrieb relevant ist, ist Wasser bzw. H O. Wasser besitzt nämlich zwei Wasserstoffatome, die durch die Elektrolyse aus der Bindung herausgelöst werden können.
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Elektrolyse
In diesem Video wird die Elektrolyse erklärt. Schaue es dir an!
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Elektrolyse
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Jetzt seid ihr dran!
Stellt mithilfe des Elektrolyseverfahrens Wasserstoff her! Hinweis: Wartet bis alle Teammitglieder bei dieser Folie angekommen sind und beginnt dann erst mit dem Versuch!
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Versuch
Du darfst jetzt selbst eine Elektrolyse durchführen und dabei Wasserstoff herstellen. Nimm dir dazu mit deinem Team diese Materialien aus der Kiste:
Netzteil Elektrolyseur Powermodul Multimeter
Kabel Grundplatte Drehwiderstand
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Fülle jetzt die Kammern des Elektrolyseurs bis zur oberen Kante des Röhrchens mit destilliertem Wasser. Du findest es ebenfalls in der Kiste.Verschließe dann beide Kammern wieder mit den Deckeln und drehe den Elektrolyseur um.
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Baue aus den Materialien folgenden Schaltplan auf:
Stecke das Netzteil noch nicht in die Steckdose!
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Bevor ihr weitmacht:
Lasst die Schaltung von einer Betreuungsperson kontrollieren!
Wenn alles richtig ist: Befolgt schrittweise die Anleitung auf der nächsten Folie.
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Versuch
Die Elektrolyse von Wasser hat jetzt angefangen. Lasse sie laufen, während du weiterklickst.
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Wasserstoff als Energiespeicher
Die Energie aus dem Powermodul wurde verwendet, um das Wasser aufzutrennen. Wie du sicher weißt, geht Energie nie verloren (Energieerhaltungssatz). Die Energie, die wir hier verwendet haben, steckt nun gespeichert in den H - und O -Molekülen.
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Wasserstoff als Energiespeicher
Diese „Energiespeicher“ können wir jetzt in Gasflaschen packen und dorthin bringen, wo sie gebraucht werden.Dabei interessiert uns nur das gespeicherte H , weil man Sauerstoff ja ausreichend in unserer Atemluft findet. Wasserstoff kommt hier nur in minimalen Mengen vor.
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Wasserstoff als Energiespeicher
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Freisetzung der Energie
Es gibt mehrere Wege, die Energie aus dem Wasserstoff wieder freizusetzen.
Die einfachste Methode ist das sogenannte Verbrennen von Wasserstoff. Durch kleine Wasserstoff-explosionen kann man dann einen Motor antreiben.
Hinweis: Mit Verbrennen ist hier nicht das Anzünden des Wasserstoffs gemeint, sondern die elektrochemische Reaktion des Wasserstoffs mit dem Sauerstoff. Dabei entsteht keine Flamme!
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Freisetzung der Energie
Bei einer Verbrennung geht aber auch viel Energie als Hitze verloren und kann nicht genutzt werden.
Verbrennen bedeutet immer eine Reaktion mit Sauerstoff. Verbrennen wir Wasserstoff, dann findet folgende Reaktion statt, bei der dann am Ende Wasser und Energie in Form von Wärme frei werden:
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Freisetzung der Energie
Eine bessere Methode, um die gespeicherte Energie wieder zu gewinnen, besteht darin, mit einer Brennstoffzelle aus dem Wasserstoff wieder Strom zu gewinnen. Unser Elektrolyseur kann auch rückwärts als Brennstoffzelle verwendet werden und aus H und O wieder Wasser herstellen und dabei Strom freisetzen. Wie diese Reaktion abläuft, schauen wir uns jetzt an.
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Freisetzung der Energie
Schaue dir das Video zur Energiefreisetzung durch die Brennstoffzelle an. Nutze dafür bitte die Kopfhörer.
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Umkehrreaktion
Die Reaktion von H und O zu Wasser findet hier nicht schlagartig als Explosion statt, sondern kontinuierlich und kontrolliert. Diese Reaktion läuft sehr ähnlich zur Aufspaltung von Wasser ab, nur rückwärts. Sieh dir auf der nächsten Folie an, wie man diese Umkehrreaktion nutzen kann.
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Umkehrreaktion
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Wasserstoff als Treibstoff
Du hast gesehen, dass Wasserstoff als Treibstoff genutzt werden kann.
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Wasserstoff als Treibstoff
Wasserstoff ist nur dann ein grüner bzw. nachhaltiger Treibstoff, wenn die Herstellung auch mit grünem Strom erfolgt. Man spricht dann von grünem Wasserstoff. In Deutschland gibt es erste Anlagen, die aus Solarstrom Wasserstoff in großen Mengen herstellen.
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Wasserstoff als Treibstoff
Leider ist ein Großteil des Wasserstoffs, den man bisher kaufen kann, nur grauer Wasserstoff. Dieser fällt als Nebenprodukt bei der Erdgasgewinnung an und ist somit nicht nachhaltig.
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Grüner Wasserstoff als Alternative
Wasserstoff scheint also als Energiespeicher gut zu funktionieren. Und wenn der Strom für die Elektrolyse aus erneuerbaren Energien stammt, ist Wasserstoff eine klimaneutrale Alternative zu Kerosin.
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Grüner Wasserstoff als Alternative
Warum fliegen die meisten Flugzeuge dann noch mit Kerosin?
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Nachteile von Wasserstoff
Der Nachteil von Wasserstoff hängt mit der Energiedichte zusammen. Ein Kilogramm Wasserstoff kann (unter Atmosphärendruck) ca. 120.000.000 Joule speichern. Das ist ungefähr der Stromverbrauch von einem Haushalt in 3 Tagen. Um die selbe Energie mit Lithium-Akkus speichern zu können, bräuchte man ca. 185 kg an Lithium-Akkus. Das ist deutlich schwerer. Wasserstoff ist gewichtstechnisch also klar besser!
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Nachteile von Wasserstoff
Das Problem liegt im Volumen von Wasserstoff! 1 kg Wasserstoff unter normalen Bedingungen hat ein Volumen von ca. 11 m³. Das ist ein ganzer Raum! Dieselbe Menge Energie würde in Lithium-Akkus gerade einmal einen Raum von 0,171 m³ einnehmen.(Das entspricht in etwa einem Würfel mit 55 cm Kantenlänge)
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Nutzungsmöglichkeit
Man kann Wasserstoff aber trotzdem platzsparend nutzen! Dafür muss man ihn:
- unter sehr hohem Druck komprimieren
- stark abkühlen, denn bei sehr niedrigen Temperaturen (-252 °C) verflüssigt sich Wasserstoff.
Beides muss eine Speicherflasche für Wasserstoff natürlich aushalten. So eine Flasche zu bauen ist nicht einfach.Weiter
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Speicherflaschen von Wasserstoff
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Speicherflaschen von Wasserstoff
Eine Speicherflasche muss hohem Druck und sehr niedrigen Temperaturen standhalten können. Aber es gibt noch eine weitere Herausforderung. Wasserstoff ist das kleinste Element im Periodensystem und kann deswegen sehr gut auch durch die Wand einer Gasflasche gelangen, weil es sich sogar zwischen anderen Atomen durchdrücken kann. So entweicht auch immer ein wenig Wasserstoff und man verliert Energie.
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Man muss noch weiter forschen...
Es gibt also noch einiges zu erforschen und zu entwickeln bei der Speicherung von Wasserstoff. Auch an der Verwendung von grünem Wasserstoff als Treibstoff für Flugzeuge kann man noch viel forschen.
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Das DLR forscht zum Beispiel schon an Wasserstoff-Flugzeugen. Auf dem Bild siehst du ein umgebautes Forschungsflugzeug. Ob irgendwann mal alle Flugzeuge so aussehen werden...?
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Zurück zur Elektrolyse
Mittlerweile sollte sich genügend Wasserstoff in der Kammer des Elektrolyseurs gesammelt haben. Verringere jetzt den Strom mit dem Powermodul schrittweise auf 0V und schalte es erst dann aus. Du kannst jetzt die Kabel am Elektrolyseur abstecken.
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Wasserstoffauto
Am Ende des Tages werden wir, wie im Video vorhin abgebildet, gemeinsam ein Wasserstoffauto fahren lassen.
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Noch Zeit?
Du hast jetzt alles Wichtige zu dem Thema Energie für´s Fliegen erfahren. Falls du noch Zeit hast, findest du hier noch weitere Informationen zu den verschiedenen Arten von Wasserstoff. Klicke auf die Verlinkungen.
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Inhaltsverzeichnis
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Wasserstoff: Vor- und Nachteile
Alternative Wasserstoff: Elektrolyse
Treibstoff allgemein
Treibhausgase
Infrarot-strahlung im elektro-magnetischen Spektrum
Wasserstoff als Energie-speicher
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Über das Kreuz oben in der Ecke kannst mich wieder schließen.
Du bist dir nicht sicher, ob die Elektrolyse funktioniert und du die Werte richtig eingestellt hast?
Erfahrungsgemäß kannst du den Widerstand bis auf 0 drosseln. Behalte aber die den Maximalwert von 200mA auf dem Messmodul unbedingt im Blick. Meist pendeln sich am Multimeter folgende Werte ein: Spannung ~1,6 V Stromstärke ~ 50-100 mA Unter diesen Umstände läuft auch eine Elektrolyse ab. Du solltest im Elektrolyseur Wassertröpfchen in die oberen Kammern aufsteigen sehen und in den Wasserkammern bilden sich dafür "Gasräume". Nach 15 min Versuch sollten sich unterhalb der Wasserstoffkammer mind. 0,5cm Gasraum gebildet haben.
Vielleicht hilft dir nochmal ein Blick auf das elektromagnetische Spektrum:
Vielleicht hilft dir nochmal ein Blick auf das elektromagnetische Spektrum:
Vielleicht hilft dir nochmal ein Blick auf das elektromagnetische Spektrum:
Vereinfachtes Modell zur Darstellung des natürlichen Treibhauseffektes:
Raffinierung/Raffination
... bezeichnet den Vorgang, bei dem Rohöl durch Erhitzung in verschiedene Bestandteile zerlegt und für die Benutzung vorbereitet wird.
Bestandteile von Rohöl:
Vereinfachtes Modell zur Darstellung des natürlichen Treibhauseffektes:
Ein Tipp: Was passiert bei der Nachweisreaktion von Wasserstoff?Du kennst sie vielleicht aus der Schule als Knallgasprobe. Dabei wird das Gas mit einer Flamme in Kontakt gebracht, wobei ein lauter Knall bei einem Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch zu hören ist.
Anthropogen bedeutet, dass es von Menschen gemacht oder verursacht ist. Hier siehst du den natürlichen und den anthropogenen Treibhauseffekt im Modell als Vergleich: