Jetzt wo wir wissen welche Stoffe man woher bekommt, stellt sich die Frage: Wie erzeugt man Strom aus Wärme? Und wie tut man das im Weltraum?
Das ist Teil 4 einer (wahrscheinlich) 5-teiligen Serie. Teil 1 hat sich damit beschäftigt, warum man Radioisotopenbatterien braucht. Teil 2 beschrieb, welche Anforderungen man an die Radioisotopen für so eine Batterie stellen muss. Im Teil 3 steht, woher man die Radioisotopen bekommt.
Bevor wir darüber reden, wie man das im Weltraum anstellt, sollte man sagen, wie wir das hier auf der Erde tun. Und das fing ganz ohne Wärme an, sondern nass und kalt, mit Wassermühlen.
Ein Wasserstrom kann ein Mühlrad antreiben. Woher kommt der Wasserstrom? Von Stromaufwärts. Wohin geht der Wasserstrom? Stromabwärts. Nur durch den Höhenunterschied kommt der Wasserstrom zu stande. Noch wichtiger als der Höhenunterschied ist aber, dass das Wasser nicht ausgeht. Bei der Wasserkraft übernimmt diesen Job der Regen. Im bestreben mehr Energie aus dem Wasser zu gewinnen, entwickelte man schließlich die ersten Wasserturbinen mit Turbinenschaufeln aus Stahl die auch große Wassermengen mit hohen Geschwindigkeiten aushielten.
Immernoch feucht, aber dafür um so heißer wurde es dann, als aus der Wasserturbine die Dampfturbine entwickelt wurde. Dampf strömt durch eine Turbine und bringt sie dabei wegen der Form der Turbinenschaufeln zum drehen. Woher kommt der Dampf? Von dort wo viel Druck ist. Viel Druck ist da, wo der Dampf heiß ist, im Heizkessel. Wohin geht der Dampf? Dahin wo wenig Druck ist. Wenig Druck ist da, wo der Dampf gekühlt wird und wieder zu flüssigen Wasser kondensiert. Im Kondensator. Das flüssige Wasser wird zurück in den Heizkessel gepumpt, wo es wieder verdampft wird. Der Dampf ist in einem geschlossenen Kreislauf, der vom Heizkessel auf der einen Seite und dem Kondensator auf der anderen Seite am Laufen gehalten wird. Das sieht dann ungefähr so aus (Quelle):
Der Kondensator ist einfach nur ein Kühler der von außen gekühlt wird. Entweder kühlt man direkt mit dem Wasser aus einem nahen Gewässer oder man verdampft einen Teil dieses Wassers in einem Kühlturm um so die Kühlwirkung zu verstärken. Auch möglich ist Luftkühlung. Die erfordert aber entweder äußerst große Kühltürme um einen großen Kamineffekt zu erzeugen oder ein leistungsstarkes Gebläse, das die Effizienz der Stromerzeugung verhagelt.
Wir werden noch über andere Wege als Dampfturbinen sprechen, wie man aus Wärme Strom gewinnen kann. Aber das eine bleibt immer gleich: Einer Seite wird eingeheizt. Eine Seite wird abgekühlt. Dazwischen steht eine Maschine die Strom erzeugt. Um so größer der Unterschied zwischen heiß und kalt, um so effizienter kann die Maschine werden. (Genau genommen: Um so größer das Verhältnis zwischen der hohen und niedrigen Temperatur in Kelvin.)
Es ist dabei extrem hilfreich, wenn die Maschine nicht schmilzt, verdampft oder sich sonstwie in ihre Einzelteile auflöst.
Im Weltraum gibt es keinen Ozean als Kühlreservoir und keine Luft die einen Kamineffekt erzeugen könnte. Da ist nur ein Vakuum und die kosmische Hintergrundstrahlung mit einer Temperatur von 3K. Zum Kühlen kommt also nur Wärmestrahlung ins Weltall in Frage. Effektives Kühlen ist schwieriger als auf der Erde, gerade wenn man sehr viel Wärme los werden muss. Der wichtigste Unterschied ist, dass kein Techniker mitfliegt der defekte Teile austauscht oder repariert.
Thermoelemente
Am besten nimmt man also keine Maschine, sondern ein Gerät das seine Arbeit ohne bewegliche Teile tut. Thermoelektrische Elemente können das. Man heizt eine Seite auf, die andere kühlt man ab und schon hat man an zwei Drähten eine nutzbare Spannung. Dahinter steckt der Seebeck-Effekt. Die Elektronen in einem Metall bewegen sich um so schneller, um so heißer es ist. Ist ein Ende eines Metallstücks kälter als das andere, werden einige der schnellsten Elektronen der heißen Seite schon per Zufall von allein zur kalten Seite finden, umgekehrt jedoch viel weniger.
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