Energie - der Grundstoff der Welt

Fr, 19.02.2021 — Redaktion

Themenschwerpunkt Energie

Energie ist Ursprung aller Materie und auch das, was die Materie bewegt. Energieforschung und -Anwendung sind daher für unsere Welt von zentraler Bedeutung und beschäftigen Wissenschafter quer durch alle Disziplinen - Physiker, Chemiker, Geologen, Biologen, Techniker, etc., ebenso wie Wirtschafts- und Sozialwissenschafter. Mit dem bereits spürbaren Klimawandel steht Energie nun auch im Rampenlicht von Öffentlichkeit und Politik; das Ziel möglichst rasch fossile Energie durch erneuerbare Energie zu ersetzen, steht im Vordergrund. Energie ist auch im ScienceBlog von Anfang an eines der Hauptthemen und zahlreiche Artikel von Topexperten sind dazu bereits erschienen. Das Spektrum der Artikel reicht dabei vom Urknall bis zur Energiekonversion in Photosynthese und mitochondrialer Atmung, von technischen Anwendungen bis zu rezenten Diskussionen zur Energiewende. Ein repräsentativer Teil dieser Artikel findet sich nun in diesem Themenschwerpunkt.

Was versteht man überhaupt unter Energie?

Werner Heisenberg (1901 -1976), einer der bedeutendsten Physiker des 20. Jh, (Nobelpreis 1932) hat Energie so definiert: "Die Energie ist tatsächlich der Stoff, aus dem alle Elementarteilchen, alle Atome und daher überhaupt alle Dinge gemacht sind, und gleichzeitig ist die Energie auch das Bewegende."

Der Begründer der Quantenphysik Max Planck (1858 – 1947, Nobelpreis 1918) hat Energie beschrieben mit der Fähigkeit eines Körpers äußere Wirkungen hervorzubringen.

Richard Feynman (1918 - 1988), ebenfalls einer der ganz großen Physiker des 20. Jahrhunderts (und Nobelpreisträger) hat konstatiert: "Es ist wichtig, einzusehen, dass wir in der heutigen Physik nicht wissen, was Energie ist."

Auch, wenn wir, wie Feynman meint, nicht wissen was Energie ist, so sagt die etablierte kosmologische Schöpfungsgeschichte, dass sie am Beginn des unermesslich dichten und heißen Universums - also zur Zeit des Urknalls - bereits vorhanden war. (Abbildung 1). Energie wurde dann Ursprung aller Materie und blieb uns in Form von Energie und Masse erhalten.

Abbildung 1. Urknall-Modell: Entstehung und Expansion des Weltalls. Das anfänglich sehr dichte und heiße Universum enthielt im kosmischen Plasma Photonen, die vorerst an den geladenen Teilchen gestreut wurden, Nach der Abkühlung und Entstehung von Atomen konnten sich die Photonen nahezu ungehindert ausbreiten = Hintergrundstrahlung. Danach begann allmählich unter der Wirkung der Gravitation die Kondensation der Materie zu den Strukturen wie wir sie heute beobachten.

Wie Albert Einstein vor etwas mehr als einem Jahrhundert entdeckte, sind Energie (E) und Masse (m) ja nur zwei Seiten einer Medaille und können ineinander umgewandelt werden; dieses Naturgesetz wird durch die berühmte Formel E = mc² ausgedrückt, wobei c eine Konstante ist und für die Lichtgeschwindigkeit steht. Einer derartigen Umwandlung von Masse in Energie - als Ergebnis einer Kernfusion - verdanken wir die Sonnenstrahlung: im Sonnenkern verschmelzen Wasserstoffkerne (Protonen) zu einem Heliumkern, der etwas weniger Masse hat als die ursprünglichen Protonen. Die Massendifferenz wird in Energie umgewandelt und abgestrahlt. Eine vollständige Umwandlung von Masse in Energie hat in der für die Nuklearmedizin sehr wichtigen Positronen-Emissions-Tomografie (PET) Anwendung gefunden: wenn das Elementarteilchen Elektron auf sein Antiteilchen, das Positron stößt (das von einem Radiopharmakon emittiert wird), werden beide Teilchen in einer sogenannten Vernichtungsstrahlung annihiliert und es können dafür zwei hochenergetischen Photonen detektiert werden, die die Position des Radionuklids im Körper anzeigen.

Landläufig versteht man unter Energie die Fähigkeit eines Systems, "Arbeit" zu verrichten, wobei "Arbeit" ein weit gefasster Begriff ist und besser als die Fähigkeit des Systems verstanden werden sollte, Veränderungen zu bewirken. Die Übertragung der Energie erfolgt über Kräfte, die auf das System einwirken. Energie wird indirekt, nämlich über diese "Arbeit" auch gemessen: Die Einheit 1 Joule (j) entspricht dabei der Energie, die bei einer Leistung (d.i. Energieumsatz pro Zeiteinheit) von einem Watt in einer Sekunde umgesetzt wird.

Energie schafft Veränderungen in unbelebter und belebter Welt

Energie ist nötig, um einen Körper zu bewegen, ihn zu verformen, zu erwärmen, um Wellen im Bereich des elektromagnetischen Spektrum zu erzeugen (von der kürzestwelligen Höhenstrahlung über den für den Menschen sichtbaren Bereich bis zu den niederfrequenten Wechselströmen), um elektrischen Strom fließen zu lassen oder um chemische Reaktionen ablaufen zu lassen.

In unserem Alltagsleben benötigen wir Energie aus physikalisch/chemischen Prozessen, um von einem Ort zum anderen zu gelangen, um Bedürfnisse des Wohnens zu befriedigen, um diverseste Wirtschaftsgüter zu produzieren und, um eine Vielfalt an Mitteln zur Kommunikation und Unterhaltung bereit zu stellen.

Um leben zu können brauchen wir, wie alle Lebewesen, externe Energie. Externe Energie bedeutet für Pflanzen, Algen und auch einige Bakterien Sonnenenergie. Um diese einzufangen, nutzen sie den Sonnenkollektor Chlorophyll und verwandeln mittels der sogenannten Photosynthese Lichtenergie in chemische Energie: das heißt, sie synthetisieren aus den ubiquitären, energiearmen Ausgangsstoffen CO2 und Wasser energiereiche Kohlehydrate und in weiterer Folge alle für Aufbau und Wachstum nötigen Stoffe - Proteine, Lipide, Nukleinsäuren und die Fülle an Intermediärmetaboliten. Abbildung 2.

Abbildung 2: Photosynthese und Stoffkreislauf (modifiziert nach Amsel, Sheri: “Ecosystem Studies Activities.” Energy Flow in an Ecosystem. https://www.exploringnature.org/)

Für uns und alle nicht Photosynthese-tauglichen Lebewesen besteht die externe Energie aus den durch Photosynthese entstandenen energiereichen Stoffen, die über die Nahrungskette zu unseren Lebensmitteln werden. Wir oxydieren ("verbrennen") diese energiereichen Stoffe schrittweise unter hohem Energiegewinn (in Form der metabolischen Energiewährung ATP) schlussendlich zu den energiearmen Ausgangsprodukten der Photosynthese CO2 und Wasser.

Diesen schrittweisen Prozess haben bereits in der Frühzeit bestimmte Bakterien entwickelt; es waren dies zelluläre Kraftwerke, die später als Mitochondrien in die Zellen höherer Lebewesen integriert wurden und nun über Citratcyclus und Atmungskette den Großteil der von den Zellen benötigten chemischen Energie liefern.

Energieerhaltungssatz, Energieumwandlung und Energieverbrauch

Energie charakterisiert den Zustand eines System, ist also eine sogenannte Zustandsgröße. Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik (Energieerhaltungssatz) ist ein bewiesener, fundamentaler physikalischer Satz; er sagt aus, dass in einem geschlossenen System Energie weder verloren gehen noch erzeugt werden kann. Energie kann nur von einem Körper auf den anderen übertragen und von einer Form in die andere verwandelt werden.

Kinetische Energie (Bewegungsenergie), wie beispielsweise in der Windkraft, in den Gezeiten oder im fließenden Wasser, kann mittels Turbinen /Generatoren in elektrische Energie umgewandelt werden und diese wiederum in chemische, mechanische und thermische Energie. Potentielle Energie (Lageenergie), die ein System aus seiner Lage in einem Kraftfeld erhält (im Gravitationsfeld wie beispielsweise Wasser im Stausee, im elektrostatischen Feld von Kondensatoren, oder im magnetischen Feld) oder auch in der in Stoffen gespeicherten chemischen oder nuklearen Energie, wird ebenfalls in unterschiedliche Energieformen verwandelt.

Wenn Energie erhalten bleibt, wie kommt es aber zum Energieverbrauch?

Wird Energie von einem Körper zum anderen übertragen und oder von einer Form in die andere umgewandelt, so entsteht dabei immer etwas an Energie, die für uns nicht (direkt) nutzbar ist. Infolge von Reibung, Abstrahlung, Ohmschen Widerständen wird ein Teil der zu übertragenden Energie in Wärmeenergie verwandelt, die an die Umgebung abgegeben wird. Ein herausragendes Beispiel von ineffizienter Energiewandlung ist die nun nicht mehr verwendete Glühlampe, die Auer von Welsbach entwickelt hat. Diese nutzt nur 10 % der elektrischen Energie zur Erzeugung von Strahlung (d.i. den Glühdraht zum Leuchten zu bringen), die 90 % restliche Energie heizen Lampe und Umgebung auf. Verlorene thermische Energie verteilt sich (man denke an die Aufnahmen der infraroten Strahlung von Häusern) und wird schlussendlich als IR-Strahlung in den Weltraum emittiert.

Auch, wenn in Summe die übertragenen/umgewandelten Energien konstant geblieben sind, ist ein Verbrauch an nutzbarer Energie entstanden.

Energieverbrauch und Klimawandel

Wachsender Wohlstand einer in den letzten Jahrzehnten unverhältnismäßig stark gewachsenen Weltbevölkerung bedeutet natürlich höheren Energiebedarf. Nach wie vor stammt der bei weitem überwiegende Teil (85 %) der globalen Primärenergie noch aus fossilen Quellen. Abbildung 3. Die Umwandlung der chemischen Energie in diesen fossilen Brennstoffen hat mit dem Anstieg des Energieverbrauchs zu einem rasanten Anstieg der CO2-Emissionen in allen Sparten geführt, die wiederum kausal für den nun nicht mehr wegdiskutierbaren Klimawandel stehen.

Abbildung 3. Der globale Verbrauch von Primärenergie ist seit 1965 stetig gestiegen und speist sich zum überwiegenden Teil aus fossilen Energieträgern. Solar- und Windenergie spielen eine minimale Rolle. Primärenergie: Energie, die aus natürlich vorkommenden Energieformen/-quellen zur Verfügung steht. In einem mit Verlusten behafteten Umwandlungsprozess (z.B. Rohöl zu Benzin) entsteht daraus die Sekundärenergie/Endenergie. (Grafik modifiziert nach: BP Statistical Review of World Energy, 67th ed. June 2018)

Um atmosphärisches CO2 zu reduzieren, ist ein Umbau des Energiesystems unabdingbar - weg von fossiler Energie, hin zu erneuerbarer Energie, wobei hier die Erzeugung von elektrischer Energie durch Windkraft, Solarenergie, Wasserkraft und Biomasse im Vordergrund steht. Ob ein solcher Umbau allerdings rasch erfolgen kann, ist fraglich. Auch bei Akzeptanz durch politische Entscheidungsträger, vorhandener Finanzierung und Zustimmung der Bevölkerung fehlen nicht nur in Europa ausreichend große, für den Ausbau von Windkraft und Solarenergie geeignete Flächen.

Der Schlüssel für eine sofort wirksame globale CO2-Reduktionsstrategie ist Energieeinsparung: d.i. ohne Einbußen mit weniger Primärenergie auskommen, indem man den Energieverbrauch senkt, d.i. die Umwandlung zu nicht nutzbarer Energie reduziert. Dies ist u.a. möglich durch thermische Isolation, industrielle Verbesserungen, Wärmepumpen für Kühlung & Heizung, etc.

Energie - Themenschwerpunkt im ScienceBlog

Von Anfang an gehört Energie zu unseren Hauptthemen und zahlreiche Artikel von Topexperten sind dazu bereits erschienen. Das Spektrum der Artikel reicht dabei vom Urknall bis zur Energieumwandlung in Photosynthese und mitochondrialer Atmung, von technischen Anwendungen bis zu rezenten Diskussionen zur Energiewende. Ein repräsentativer Teil dieser Artikel ist nun in einem Themenschwerpunkt "Energie" zusammengefasst. Derzeit sind die Artikel unter drei Themenkreisen in chronologische Reihenfolge gelistet.