Energiegewinnung aus dem elektrischen Feld der Erde von Elias Most Schema von Ballonkollektoren zur Gewinnung von Strom aus dem elektrischen Feld der Erde nach Dr. Paulsen. Science and Invention,1922 WEIRD SCIENCE CLUB DARMSTADT an der Lichtenbergschule Europaschule, MINT-Excellence Center, Internationale Begegnungsschule Ludwigshöhstr. 105 64285 Darmstadt
I. Zusammenfassung In Zeiten verknappender Energieressourcen, mit denen gleichzeitig ein starker Energiepreisanstieg verbunden ist, werden dringend alternative Energiequellen gesucht. Dieser Aufsatz befasst sich mit der Möglichkeit Energie in wirtschaftlichem Umfang aus dem E-Feld der Erde zu beziehen, weil die Verfügbarkeit des Erdfeldes überall gegeben ist und die Materialkosten sich in Grenzen halten. Anfangs wird durch einige Rechnungen gezeigt, dass es überhaupt möglich ist. Mit einem anschließenden Experiment auf dem Schuldach mit einer Apparatur namens E-Feld Harfe, ein Holzgestell das mit einem langen Draht bespannt war und einer Harfe ähnelte, wurden die theoretischen Werte überprüft. Dabei wurde eine Spannung von 3-3,5 Kilovolt bei einer durchschnittlichen Stromstärke von 6*10-10 Ampere erreicht. Diese liegt weit unter denen eines Experiments von Plauson aus den 20er Jahren. Allerdings verwendete Plauson mit Radium versehen Ballons zur Energiegewinnung, bei welchen die gewonnene Energie eher auf die Wirkungen des radioaktiven Zerfalls zurückzuführen ist. Es ist auf Grund der erzielten Ergebnisse vollkommen unwirtschaftlich Energie aus dem Erdfeld zu beziehen, da diese viel zu gering ist um sie kommerziell zu nutzen. 2
Inhaltsverzeichnis I. Zusammenfassung 1 II. Einleitung 3 III. Zielsetzung 3 IV. Theorie 4 V. Die E-Feld Harfe 6 VI. Ergebnis des Experiments 7 VII. Diskussion 7 VIII. Danksagungen 10 IX. Literaturverzeichnis 10 3
II. Einleitung In Zeiten verknappender Energieressourcen, in der fast täglich über steigende Energie und Erdölpreise berichtet wird, ist die Suche nach alternativen, am besten regenerativen Energien, da diese nicht nur der Umwelt zu gute kämen, sondern vor allem in unbegrenztem Maße zur Verfügung stünden, unumstößlich. Nun stellt sich lediglich die Frage, was man für neue Energiequellen erschließen könnte, denn es gibt bereits eine breitgefächerte Palette. Diese Energiequelle sollte am Besten folgende Voraussetzungen erfüllen: Hohe Verfügbarkeit, leichte Nutzbarkeit und geringe Materialkosten für die Nutzung. Von Frankenstein und einem Gewitter inspiriert, kam mir die Idee, dass man die gewaltige Kraft von Blitzen, oder zumindest die Kraft, die diese verursacht, nutzbar machen könnte, weil sie unbegrenzt überall auf der Welt zur Verfügung steht. Auf diese Idee sind übrigens auch schon mehrere Wissenschaftler Anfang des letzten Jahrhunderts gekommen, weshalb es auch schon sehr gute Forschungsergebnisse gibt, auf die ich mich im Weiteren auch beziehen werde. III. Zielsetzung Unter Zuhilfenahme dieser Erkenntnisse, sowie eines eigenen Experimentes habe ich das elektrische Feld der Erde untersucht, mit dem Ziel herauszufinden, ob eine wirtschaftliche Energiegewinnung daraus möglich ist. 4
IV. Theorie Die Erde ist negativ geladen, woraus sich das Erste, das interessant zu wissen wäre, nämlich die Größe der Ladung der Erde, ergibt. Diese soll in folgender Rechnung berechnet werden. Bekannt sind : E 200 N an der Erdoberfläche zu ihrem Mittelpunkt gerichtet C r =6371km Erdradius 0 =8,854187817 10 12 C Vm F = 1 Q 1 Q 2 4 r 2 E = F Q E = 1 Q 4 r 2 Q=4 0 r 2 E Nun werden die gegebenen Werte eingesetzt : Q=4 8,85 10 12 C Vm 6,371 2 10 12 m 2 200 N C Q=903241 Nm V Q 900000C Das heißt, dass die Erde eine Gesamtladung von -9*10 5 C besitzt, die gleichmäßig über die Erdoberfläche verteilt ist. Ihr gegenüber steht die positiv geladene Ionosphäre, in welcher ständig Luftmoleküle, vorwiegend Stickstoff und Sauerstoff, durch Elektronen aus den Sonnenwinden ionisiert werden. Die so entstandenen, positiv geladenen Ionen werden zu Erde hin-, die negativ geladenen Ionen von der Erde weg beschleunigt. 5
Die Beschleunigung dieser Ionen soll anhand einer Beispielrechnung mit Stickstoff gezeigt werden: Folgendes ist gegeben : E = N C ; m e =9,109 10 31 kg ; e=1,6022 10 19 C; m Stickstoff =14 1,6605655 10 27 kg 2,325 10 26 kg Es gilt : a= F m ; F=E Q a=e Q m 200 N C 1,6 10 19 C a= 2,325 10 26 kg = 200 64 93 107 N kg a 137,6 10 7 kg m kg s 2 a 1,376 10 9 m s 2 Die Beschleunigung a ist also um ein vielfaches größer als die Erdbeschleunigung. Ebenfalls soll die Geschwindigkeit eines solchen Ions berechnet werden. Dies tut man unter Zuhilfenahme der mittleren freien Weglänge, da diese in der Ionosphäre mehrere Kilometer beträgt, nehme ich in Beispielrechnung den Wert 10km. s=10km : mittlere freieweglänge a=1,376 10 9 m s 2 a= v t t= v a s= a 2 t 2 a v 2 2 a 2 v = 2a s v = 2 1,376 109 10 4 m m s = m 2 2 2,752 1013 s 2 v 5,246 10 6 m s 19 106 km h 6
Da auf dem Weg zur Erde sowohl der Druck sich ändert und somit die mittlere freie Weglänge verkürzt wird, als auch Teilchen das Ion auf seinem Weg zur Erde abbremsen ist die mittlere, zu erwartende Geschwindigkeit 100 m/s. Sobald sie auf es auf die Erdoberfläche auftrifft, entlädt es die Erde ein wenig. Somit fließt ein Entladestrom von ca. 4 pa pro Quadratmeter, ca. 2000A auf der gesamten Erdoberfläche. Damit sich die Erde nicht entlädt, wird sie von etwa sieben Millionen Blitzen wieder aufgeladen, diese haben jeweils eine durchschnittliche Ladung von 25C, dauern aber nur ca. zwei Sekunden. V. Die E-Feld Harfe Um die theoretischen Ergebnisse zu untermauern und um meine Zielsetzung zu erreichen, habe ich ein Experiment dazu durchgeführt. Dazu habe ich eine Konstruktion verwendet, die wegen ihres Aussehens den Beinamen E-Feld Harfe bekommen hat. Diese besteht aus einem Holzgestell mit der Grundfläche eines Quadratmeters sowie aus einem langen, um das Gestell gewickelten Kupferdraht. Weil die Spannung um 200 Volt pro Meter steigt, habe ich das Experiment auf dem Schuldach durchgeführt, das mit seinen 15 Metern Höhe Bild1. Ich samt Experimentaufbau und E- Feld Harfe auf dem Schuldach nahe zu perfekt für mein Experiment geeignet war. Die Harfe befand sich auf zwei Styroporplatten, die gewährleisten sollten, dass die Ladung sich durch den Draht, der von der Harfe bis zum Boden gespannt war, bewegt. Der Draht war am unteren Ende mit einer Metallstange, die im Boden steckte und so als Erdung diente, verbunden. An diesen Draht, 7
war auf dem Dach ein hochempfindliches Amperemeter, das selbst Ströme von bis zu 10-11 Ampere messen kann, angeschlossen. VI. Ergebnis des Experiments Es waren Ströme zu messen, die von mehreren hundert Pikovolt bis hin zu einem Nanovolt schwankten. Durchschnittlich wurde ein Strom von 6*10-10 Ampere gemessen. Die Spannung schwankte ebenfalls zwischen 3-3,5 Kilovolt. Bild2.Elektrometer: Messwert 1*3*10-10 Ampere VII. Diskussion Anfangs hatte ich mir das Ziel gesetzt, festzustellen, ob eine wirtschaftliche Energiegewinnung aus dem E-Feld der Erde möglich ist. Mit Blick darauf lässt sich zu dem Experiment folgendes sagen: Die gemessene Ladung von 6*10-10 Ampere, wobei anzumerken ist, dass ein solches Ergebnis überdurchschnittlich gut ist, was mit dem Wetter und der Höhe des Gebäudes zusammenhängt, aber für eine auch nur annähernd wirtschaftliche Nutzung bei Weitem nicht ausreicht. Sie würde vielleicht gerade so ausreichen, eine LED zum Glimmen zu bringen. Es wurden allerdings auch schon größere Ströme aus dem elektrischen Feld der Erde gewonnen. Die gelang in den 20er Jahren des letzten Jahrhunderts dem deutschen Wissenschaftler Dr. Herrmann Plauson. Er ließ in Finnland einen Ballon, der mit mehreren Metallkollektoren, die auf 8
der Oberfläche des Ballons verteilt waren, versehen waren, in 300 Meter Höhe aufsteigen und erzielte damit eine Spannung von 400 Volt bei 1,8 Ampere. Dieses Ergebnis hört sich zwar sehr vielversprechend an, ist jedoch mit Vorsicht zu genießen, denn Plauson beschichtete seine Ballons mit Radium oder Polonium, die durch ihren Radioaktivenzerfall wohl eher für das hohe Ergebnis verantwortlich sind, da ausgestoßene Elektronen umherfliegende Luftmoleküle ionisieren die dann wiederum von dem Ballon eingefangen werden. Auch muss der Ballon eine gewisse Mindesthöhe haben(h > 100 m). Durch schwankende Wetterverhältnisse könnte man nur einen sehr stark schwankenden Strom erzeugen, woraus sich eine nicht vorhandene Versorgungssicherheit ergibt, die kein Stromkunde hinnehmen würde. Man könnte auch Hochhäuser als Kollektoren benutzen, weil diese die nötige Höhe besitzen. Jedoch ergibt sich das Problem der Isolation, denn das Hochhaus könnte man nicht ohne weiteres vom Boden isolieren, weil einerseits das Hochhaus durch z.b. Wasser- und Telefonanschluss wieder geerdet wäre, andererseits die Gefahr eines Blitzschlags bestünde, der durch fehlende Blitzableiter das Hochhaus in Brand setzen könnte. Des Weiteren wären die Stromstärken immer noch zu gering um einen ernsthaften Nutzen daraus zu ziehen. Ebenfalls wäre mit dem Experiment bewiesen, dass es sich bei der von den Esoterikern propagandierten Freien Energie nicht um Energie aus den E-Feld der Erde handeln kann, da diese viel zu gering wäre, um damit irgendwelche Apparaturen zu betreiben, obgleich sich jene Gruppierung des öfteren z.b. auf Nikola Tesla und das E-Feld der Erde beruft. Damit lässt sich feststellen, dass sich das Prinzip der Energiegewinnung auf des Erdfeld zwar perfekt für den täglichen Physikunterricht eignet, aber für eine kommerzielle Nutzung leider nicht zu gebrauchen ist, weil 9
die erzielten Ströme noch nicht mal den Energieverbrauch, der für ihre Messung erforderlich ist, decken. Eine Photovoltaikanlage würde bei gleichem Platzverbrauch höhenunabhänig ein Vielfaches mehr an Energie erzeugen, zwar sind dabei die Anschaffungskosten höher, aber dieser Fakt wird sich wohl in den nächsten Jahren relativiert haben. VIII. Danksagungen Ich möchte an dieser Stelle ganz herzlich meinem Physiklehrer Dr. Milan Dlabal für die Bereitstellung von Literatur sowie für seine Hilfe bei der Durchführung des Experiments danken. Ebenso bedanke ich mich bei meinen Eltern und meiner Großmutter für die Bereitstellung des für den Bau der E-Feld Harfe benötigten Materials. IX. Literaturverzeichnis Meridian International Research: Atmospheric Electricity Research, September 2005 Nikola Tesla: Possibilities Of Electrostatic Generators, Scientific American, March 1934 Unbekannt : Power of the Air, Science and Invention, March 1922 Unbekannt: Das elektrische Feld der Erde, http://www.matheschule.de/download/pdf/physik/rechnungen_gewitter.pdf 10