Der Besuch eines Flughafens ist gerade für Kinder immer wieder spannend: Riesige Maschinen mit hunderten von Passagieren heben hier Tag für Tag ab, um tausende Kilometer hinter sich zu legen und teilweise bis auf andere Kontintente zu fliegen. Dabei werden aber nicht nur Passagiere, sondern auch Tonnen von Fracht befördert. Sieht man sich diese Gewichte einmal an, die hier in die Luft gehoben werden, bleibt in vielen Fällen die Frage, wie so ein Flugzeug überhaupt fliegen kann. Dabei gibt es verschiedenste Ansätze, die aber nicht alle wissenschaftlich korrekt sind.

Um die Idee hinter einem Tragflügel überhaupt erst einmal zu verstehen, sollte man sich kurz der Gleichung von Bernoulli widmen. Diese sagt aus, dass der statische und der dynamische Druck immer gleich sind. Wird also der dynamische Druck der Luftteilchen größer, weil diese sich schneller bewegen, nimmt der Statische ab.

Eine weitere wichtige Grundlage ist die Kontinuitätsgleichung: Wird der Querschnitt eines Rohres kleiner, so fließt die jeweilige Flüssigkeit oder der jeweilige Luftstrom schneller; Die Dichte verändert sich nicht.

Durch die Wölbung auf der Oberseite des Flügels wird der gedachte Querschnitt geringer. Durch die schnellere Flussgeschwindigkeit erhöht sich der dynamische Druck, der statische Druck nimmt damit ab. Dadurch entsteht an dieser Stelle ein Sog, der den Tragflügel nach oben zieht.

Gleichzeitig entsteht aber auch ein Wirbel um den Tragflügel, welcher als Gegenwirbel zum Anfahrtswirbel zu sehen ist. Durch diesen Wirbel fließt die Luft auf der Oberseite der Tragfläche nochmals schneller, während die Luft auf der Unterseite langsamer fließen muss. Somit entsteht auf der Unterseite ein höherer Druck, der zu einem Überdruck führt. Dabei ist der Druck zu 2/3 auf die Oberseite, zu 1/3 auf die Unterseite des Flügels verteilt: Das Flugzeug kann fliegen, sobald sich der Anfahrtswirbel ab einer bestimmten Geschwindigkeit vom Flügel abgelöst hat.

Früher wurde die Energieversorgung der deutschen Bevölkerung durch Steinkohle aus den entsprechenden Bergwerken gewährleistet. Nachdem die Bergwerke nach und nach geschlossen wurden, entstanden dort Abraumhalden. Diese befinden sich vorzugsweise im Saarland und im Ruhrgebiet. Hier konzentrierte sich der Steinkohleabbau am stärksten. In diesen Abraumhalden schwelen seit dieser Zeit sogenannte Haldenbrände. Diese sind von außen kaum erkennbar und leider auch ungenutzt. Denn bei einem Haldenbrand handelt es sich um eine potenzielle Energiequelle. Das entdeckten nun auch in Aachen die Wissenschaftler der Rheinisch Westfälischen Technischen Hochschule. Sie und die Kollegen vom Institut für Geotechnik bohrten nun eine Kohlehalde an, die seit 1943 brennt. Die Kohlehalde, die gemeint ist, befindet sich in Sichtweite des Rheins. Den genaueren Ort will man allerdings nicht nennen. Man stieß hier bereits in einer Tiefe von nur 25 Metern auf Temperaturen, die zwischen 60 Grad und 430 Grad lagen. Auf dieser Abraumhalde beträgt der Restkohle etwa 10 Prozent, wird von den Wissenschaftlern erläutert. Um eine Nutzung dieser Energie zu ermöglichen, müssen Rohre in die Halde verlegt werden. Mit drei solcher Sonden können so, über einen geschlossenen Wasserkreislauf circa acht Kilowatt Wärmeleistung erzeugt werden. Diese Leitung entspricht etwa einem Bedarf von einem Einfamilienhaus. Auf diese Weise können die Kohlehalden zum dezentralen Heizen von Gebäuden genutzt werden. Alleine im Ruhrgebiet brennen aktuell 7 solcher Abraumhalden. Allerdings eignen sich die Halden nicht zur Erzeugung von Fernwärme, da die Leistung durch die niedrige Wärmeleitfähigkeit zu klein ist. Trotzdem handelt es sich um eine alternative Energiequelle, die man nutzen kann und bei der die Nutzung auch sinnvoll ist. Da es sich hierbei um ein einzigartiges Pilotprojekt handelt, könnte dies weltweit Nachahmer finden, da man dieses Prinzip nicht nur auf Abraumhalden anwenden kann, sondern es sich auch für Mülldeponien eignet. Da man hier ohne tiefe Bohrungen und Wärmepumpen auskommt, ist der technische Aufwand ebenfalls überschaubar.

Die Gefahr lauert unter der Erde: In der Nähe von Genf (Schweiz), liegt in rund hundert Metern Tiefe ein großer Ring: 27 Kilometer lang, entsprechend groß im Durchmesser. Dieser Ring bzw. Tunnel verbraucht Energie – viel Energie: Fast ein ganzes Kernkraftwerk muss durchgängig laufen, um die nötige elektrische Energie herzustellen.

So, oder so ähnlich, könnte ein Internetbericht aussehen, den man im Jahr 2008 bei der Online-Suche nach dem Wort “Teilchenbeschleuniger” findet. Hunderte Berichte sind rund um das Thema zu finden. In einigen davon ist sogar die Rede von einer Apokalypse, einem schwarzen Loch: Was hat es damit auf sich? Um was handelt es sich bei diesem Ring? Genau das möchten wir in diesem Artikel näher erläutern. Konkreter gesagt geht es hier um den LHC, den Large Hadron Collider – dem größten Teilchenbeschleuniger der Welt.

Nur wenige können sich jedoch etwas unter dem Wort “Teilchenbeschleuniger” vorstellen. Dabei handelt es sich um ein Gerät, welches die Grundbausteine unseres Universums beschleunigt und dann kollidieren lässt. Meist werden für diese Experimente Elektronen genutzt. Im LHC werden diese Elektronen auf fast Lichtgeschwindigkeit beschleunigt – sie fliegen also mit rund 300 000 Kilometern in der Sekunde durch eine 27 Kilometer lange Röhre.

Das Ganze ist ein wissenschaftliches Experiment. Dabei soll die Existenz des sogenannten Higgs bzw. Higgs Boson Teilchen nachgewiesen werden. Die Kollisionen der Teilchen finden an ganz bestimmten Stellen im Ring statt: Hier wurden verschiedenste Instrumente und Detektoren an der ganzen Wegstrecke verteilt aufgestellt, die das Umfeld der Kollisionen beobachten sollen. So unter anderem auch der Atlas-Detektor. Mit Hilfe dieser Instrumente möchten die Wissenschaftler die Existenz des Higgs-Boson Teilchens nachweisen. Der LHC im CERN ist seit rund einem Jahr in Betrieb, das Teilchen konnte bisher noch nicht nachgewiesen werden – das Finetuning ist aber noch nicht ganz abgeschlossen.

Geht man spazieren, so kann man allerlei Dinge beobachten: Tiere, Pflanzen, Menschen, Maschinen, Bauwerke und natürlich auch Transportmittel wie etwa Flugzeuge in der Luft. All diese Dinge bestehen aus den verschiedensten Materialien: Flugzeuge sind aus Metall gebaut und zusammengeschweißt, selbiges gilt auch für Autos. Pflanzen und Bäume bestehen aus Holz und Blättern. Aber woraus besteht eigentlich der Mensch, woraus bestehen Tiere? Haut und Knochen? Diese Antwort ist für die wenigsten befriedigend. Im folgenden erklären wir kurz das physikalische und chemische Teilchenmodell.

Die Welt besteht aus sogenannten “kleinsten Teilchen” – das sind die Atome. Diese kann man sich praktisch als kleine Kügelchen vorstellen, die in jedem Material und in jedem Objekt vorkommen – beziehungsweise anders ausgedrückt: Jedes Material und jedes Objekt besteht aus diesen Atomen. Selbiges gilt auch für die Luft, die ihrerseits ein Teilchengemisch ist. Sie besteht aus vielen verschiedenen Atomen.

Wieso gibt es aber verschiedene Atome? Welche Eigenschaften sorgen dafür, dass ein Atom anders aufgebaut ist als sein Nachbar? Zur Zeit sind 118 verschiedene Atomarten, die auch als Elemente bezeichnet werden, bekannt. Diese sind jedoch nochmals aus kleineren Teilchen aufgebaut: Elektronen, Protonen und Neutronen. Während Elektronen nur eine sehr geringe Masse besitzen, sind Protonen und Neutronen deutlich schwerer. Protonen sind dabei positiv geladen, Elektronen negativ – Neutronen besitzen gar keine Ladung.

Je nach Anzahl der Elektronen, Protonen und Neutronen wird ein Atom dann zu einem bestimmten Element. In einem Modell dargestellt kann man sich Atome als Kugeln vorstellen: Im eigentlichen Atom selbst gibt es dann nochmals eine Art Kern; Hier sitzen die Protonen und Neutronen. Die Elektronen hingegen kreisen, vereinfacht dargestellt, in sogenannten “Elektronenhüllen” in verschiedenen Höhen um diesen Kern.

Die europäische Forschung kommt in Schwung. Die Entwicklung einer neuen Energiequelle nach dem Vorbild der Sonne wurde beschlossen. Konkret geht es hier um einen Fusionsreaktor namens ITER. Dieses Projekt erfährt die Unterstützung von Plasmaforschern aus den Universitäten in Bochum und Düsseldorf sowie den Forschungszentren in Jülich. Diese haben sich verbunden und ein virtuelles Institut namens „ITER-relevant Plasma Boundary Physics“ gegründet. Diese Vereinigung soll das gemeinsame Wissen stärker konzentrieren und ein vielfältige und breitaufgestelltes Know-How zur Verfügung stellen. Durch die Tatsache, dass die Kernenergie neu überdacht wurde und aus dieser Überlegung, eine Stilllegung verschiedener Kernkraftwerke hervorging, droht nun ein Energieengpass. Umso wichtiger wird nun die Forschung nach neuen und alternativen Energiequellen. Bei der Kernfusion nach dem Vorbild der Sonne handelt es sich um eine mögliche alternative Energiequelle, bei der Wasserstoffkerne unter der Freisetzung großer Energiemengen. Ein weiterer Vorteil dieser Technologie liegt darin, dass die Brennstoffe beinahe nicht erschöpflich sind. Die Fusionsforschung bewies mit ihren bisherigen Erkenntnissen, dass sie das physikalische Prinzip der Zündung des Fusionsfeuers begriffen hat. Seitens der Forscher muß nun ein wirtschaftlicher Weg gefunden werden, der einen Dauerbetrieb ermöglicht. Hierzu soll ein 500-Megawatt-Experimentalreaktor gebaut werden, der von den internationalen Forschern zur Ermittlung eines Wegs genutzt werden soll. Die Realisierung des Dauerbetriebs hängt in erster Linie davon ab, ob die Forscher die Belastung der Wände beherrschen. Hierbei spielt die Physik des Millionen Grad heißen Fusionsplasmas eine wichtige Rolle, das durch seine Nähe zu den Wänden eine erhebliche Belastung entstehen lässt. Es geht also in erster Linie darum einen Weg zu finden, die Wände gegen solche Dauerbelastungen haltbar zu machen. Der Einsatz von Forschern mit unterschiedlichen Kompetenzen wird durch die Helmholtz-Gemeinschaft gefördert und soll somit auch zum Erfolg des gesamten Projekts beitragen. Man darf also gespannt sein, ob die Bündelung der Fachkräfte hier zum gewünschten Ergebnis und somit zum Erfolg führt.

Jeder weiß darum, dass mit Röntgenstrahlen in das Innere eines Körpers geschaut werden kann. Kurz nach der Entdeckung fand diese Methode schon Anwendung in der Medizin. Selbst heute noch wird diese Technik im medizinischen Bereich verwendet. Aber auch in den Bereichen der Archäologie und Kunst leistet sie wertvolle Dienste. Röntgenstrahlen haben Wellenlängen im Nanobereich und entstehen, wenn in einem Atom die Elektronen die Bahnen um den Kern ändern und dabei Energie freisetzen. Im Jahre 1895 entdeckte Wilhelm Conrad Röntgen zufällig diese Strahlung. Er konnte sich nicht erklären, woher diese Strahlen kamen und gab ihnen den Namen X-Strahlung. Die Besonderheit dieser Strahlung war recht schnell erkannt, denn sie konnte Materie durchdringen und die ersten Bilder vom Inneren des Menschen erzeugen. Damals war allerdings noch nicht bekannt, dass die Bestrahlung mit Röntgenstrahlen große Gefahren mit sich brachte und bis zum Tode führen konnte. Viele Menschen starben nach der Diagnose mit der Bestrahlung. Über die Jahre hinweg wurde weiter mit der Röntgenstrahlung geforscht und Geräte entwickelt, die, angefangen von Ganzkörperbildern, bis hin zu Filmen über die Prozesse im Körper machen konnten. Die Archäologie benutzt die Röntgenstrahlung, um Erkenntnisse über einbalsamierte Tote zu bekommen. Bei Mumien ist es so, dass, wenn man sie auspackt, der balsamierte Körper zu Staub zerfällt. Die Röntgenstrahlung bietet nun die perfekte Möglichkeit, den Leichnam unter den Tüchern zu durchleuchten, um zum Beispiel die Todesursache zu ermitteln. Mit Hilfe der Strahlung kann auch die Art und Weise der Mumifizierung festgestellt werden. Im kunsthistorischen Bereich werden Röntgenstrahlen dazu eingesetzt, um beispielsweise nicht erkennbare Signaturen und Jahreszahlen zu identifizieren. Der Vorteil dieser Methode ist die Erhaltung des Kunstwerks. Es wird durch die Strahlung nicht beschädigt. Wer sich heute einmal in den Röntgeninstituten umschaut, wird feststellen, dass die Entwicklung große Fortschritte gemacht hat. Neben den normalen Röntgengeräten gibt es viele Möglichkeiten den Menschen zu durchleuchten und Diagnosen zu stellen.

Ein jeder hat diese Formel schon einmal irgendwo gelesen oder gehört: E = mc². Nur die Wengisten wissen jedoch, was tatsächlich auch dahinter steckt. Eigentlich ist an der Formel nichts schweres, in Worten ausgedrückt steht sie für Energie ist gleich Masse mal die Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat. Das heißt im Klartext: Je schwerer ein Körper, desto höher ist auch seine Energie.

Diese Formel steht jedoch in Verbindung mit einer weit größeren und komplexeren Theorie, die im folgenden Artikel nur ganz grob erläutert werden soll – und das noch in Stichpunkten. Ganz getreu dem Motto – Physik einfach, kurz und bündig erklärt. Bei dieser sagenumwobenen Theorie, wie man sie fast schon nennen könnte, handelt es sich um Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie.

Die Grundlage für diese legt das Licht. Das Licht bewegt sich immer gleich schnell, egal von welchem Standpunkt aus gesehen. Blicken wir direkt auf den Mond, so ist dieser etwa 300000 Kilometer entfernt. Blickt man auf diese Strecke nun jedoch von einem anderen Standpunkt aus, scheint die “sichtbare” Strecke sich zu verkleinern. Das Problem: Für Beobachter an Punkt A kommt ein Lichtimpuls schneller am Mond an, als für jenen am Punkt B.

Das mag verwirrend erscheinen und ist nur schwer vorstellbar – dieses Phänomen existiert aber theoretisch. Aus diesem Grund muss sich der Raum krümmen – damit das Licht weniger Strecke für Betrachter B hat und somit auch zum gleichen Zeitpunkt wie für Beobachter A ankommt. Aus diesen Ergebnissen formulierte Einstein dann seine allgemeine Relativitätstheorie, die aus der speziellen Relativitätstheorie resultierte. Das Thema ist jedoch weit komplexer und dies waren nur die Grundsätze. Wer sich wirklich mit der Materie beschäftigen will, kommt nicht um den ein oder anderen, längeren Fachartikel oder eine TV-Dokumentation herum.

Wer sich für physikalische Experimente interessiert, der ist bei iter-boundary.de genau richtig. Speziell in der Physik begegnen einem immer wieder Begriffe, Abkürzungen und Formeln die einem zunächst, wie böhmische Dörfer vorkommen. Das muss jedoch nicht sein, denn Physik besteht nicht nur aus trockenen Abkürzungen und Formeln sowie die dazugehörigen Zahlen, sondern Physik kann auch interessant sein. Wenn Physik erstmal lebendig wird, dann gewinnt diese Thematik auch an Attraktivität. Das ist im Übrigen bei allen Altersklassen gleich. Wenn man aktiv zu experimentieren anfängt, steigert es das Interesse. Dies steigert sich dann nochmals, wenn die Experimente spektakulärer werden. Wenn Effekte hinzukommen, die einen Knall hervorrufen, oder vielleicht Feuer und Wasser im Spiel sind. Im Laufe der Jahre hat man aus verschiedenen Gründen, die Physik und deren Experimente zusätzlich in Altersklassen aufgeteilt. Das hat den Vorteil, dass man nun auch bereits im Kindergarten beginnen kann, physikalische Experimente durchzuführen. Das hat den großen Vorteil, dass man Kinder spielerisch an das Thema heranführt und man sie auch auf eventuelle Gefahren hinweisen kann. Zudem tritt eine gewisse Grundbegeisterung bei Kindern auf, wenn sie den Begriff „experimentieren“ hören. In diesem Alter setzen Kinder das nicht mit lernen gleich, sondern verbinden es mit einem Professor aus der Welt der Wissenschaft. Sie fühlen sich größer, quasi schon als Schüler, weil sie jetzt erst den Lerneffekt reininterpretieren. Weiterhin erhalten die Kinder eine wichtige Unterstützung bereits vor dem Eintritt in die Schule. Es verschafft ihnen einen kleinen Wissensvorsprung, der ihnen später unter Umständen hilfreich sein wird. Speziell in der heutige Zeit, in der die Bildungspolitik sehr zu wünschen übrig lässt, ist es wichtig, den Kindern ein Höchstmaß an Unterstützung bei der Bildung zukommen zu lassen. Dies sollte von allen Seiten, im Leben eines Kindes, erfolgen. Hier sind Eltern als auch Erziehungs- und Bildungsstätten gefragt und hier sollte so viel Kreativität verwendet werden wie möglich.

Nicht jeder kennt sich in der Welt der Physik aus. Nicht selten fallen Namen wie etwa “Ohm” oder “Ampere”. Allerdings kann sich nicht jeder hinter diesen Bezeichnungen etwas vorstellen. Gerade wenn es dann um physikalische Formeln oder Namen von physikalischen Kräften geht, stellen viele ihre Hirne ab. Tatsächlich ist die Welt der Physik jedoch lange nicht so schwer, wie oft verbreitet. Ab und an fehlt es einfach an etwas physikalischem Grundverständnis – mit einer passenden Erklärung und guten Experimenten kann dieses jedoch problemlos erlernt werden.

Dieser Artikel wird näher auf die sogeannnte Lorentzkraft eingehen. Dabei handelt es sich um eine Kraft, die stromdurchflossene Körper erfahren, welche sich in Magnetfeldern befinden. Das hört sich kompliziert an, ist aber an sich gar nicht schwer zu verstehen: Es geht etwa um Drähte, durch die Strom fließt. Diese werden dann in ein Magnetfeld, etwa das eines Hufeisenmagnets, geschoben. Dann sollte theoretisch die Lorentzkraft wirken und der Körper sollte sich bewegen.

Ganz so einfach ist das dann doch nicht: Die Kraftvektoren müssen noch senkrecht aufeinander stehen. Das heißt im Klartext: Die Richtung des Magnetfelds (Von Süd- nach Nord) muss senkrecht auf dem jeweiligen Leiterstück stehen. Um nun heraus zu finden, in welche Richtung sich das Leiterstück bewegt bzw. in welche Richtung die Lorentzkraft wird, muss noch die Linke- bzw. Rechte-Hand-Regel genutzt werden.

Diese lässt sich am Einfachsten mittels eines Bilds veranschaulichen. Dieses googelt man am Besten. Die Linke-Hand-Regel wird für die physikalische Stromrichtung (Elektronen fließen vom Minus- zum Pluspol) genutzt, die Rechte-Hand-Regel für die Technische (Also von Plus nach Minus).

Wissenschaft an sich ist faszinierend und hochinteressant, allerdings nur, wenn man sie versteht. Für die meisten, die nicht in irgendeiner Art und Weise in wissenschaftliche Arbeiten eingebunden sind, ist dies jedoch absolut unverständliches Neuland. Wissenschaft und wissenschaftliche Experimente, sie kosten Millionen und bringen Milliarden, sie können Menschenleben retten, ebenso wie sie sie zerstören können. Die Wissenschaft hat im Grunde genommen eine nahezu unüberschaubare und unbegrenzte Macht, was sie nur noch faszinierender macht. Um den Menschen die Wissenschaft in all ihrer Vielfalt und die wissenschaftlichen Experimente mit all ihren Möglichkeiten näher zu bringen, ist die Seite iter-boundary.de gedacht. Alle wichtigen und eklatanten Informationen rund um die Wissenschaft im Allgemeinen und die wissenschaftlichen Experimente im Besonderen, findet man hier gebündelt, übersichtlich und vor allem transparent erklärt. Wissenschaft zum Anfassen, das ist nicht nur für viele Erwachsene eine interessante Sache, vor allem Schüler können auf dieser Seite viel lernen, was ihnen nicht nur in der Schule zum Vorteil gereicht, sondern unter Umständen kann es ihnen auch die berufliche Entwicklung beeinflussen und sie im Leben voran bringen. Ein allgemeines und tiefgreifendes Verständnis für die Wissenschaften und ihre Experimente zu schaffen, das ist es, was sich diese Seite zur Aufgabe gemacht hat Dabei wird großen Wert auf klare Fakten gelegt, komplexe Vorgänge in einfache Worte zu kleiden und sie so einer breiten Leserschaft zuträglich zu machen, das ist das primäre Ziel. Wissenschaft ist wichtig, nahezu von existenzieller Bedeutung für die gesamte Menschheit, egal ob es darum geht, Krankheiten zu behandeln, deren Verlauf zu stoppen oder zu verlangsamen, effizientere Lösungen für Produktionsvorgänge oder für wirtschaftliche Prozesse zu erreichen, die Wissenschaft ist in nahezu allen Bereichen des menschlichen Seins angesiedelt. Auf der Seite iter-boundary.de werden alle relevanten Themen behandelt, es werden viele Fragen verständlich beatwortet und es gibt kaum etwas, was an Fragen offenbleibt, egal um welche Bereiche der Wissenschaft oder der wissenschaftlichen Experimente es geht.