001   Intro
• Guten Tag, schön, dass Sie gekommen sind.
• Ich möchte hiermit einen Kontext zu meinen Arbeiten geben.
• Den Diagrammen zum Energieverbrauch weltweit 2023 und 2011.
• Die Energieträger sind hier links: Solar, Wind, Hydround Nuklearenergie, …..
... es folgen die und den fossilen Brennstoffen bzw. deren Ausgangsprodukten – die die CO2 erzeugen.

• Das kommt dann entweder in ein Elektrizitätswerk und wird in Strom umgewandelt.
• Oder es wird direkt verbraucht, wie gut beim Öl zu sehen ist.

• Ein Teil wird gebraucht.
• Ein grösserer Teil geht verloren
– einerseits durch den transport, aber grösstenteils durch die Umwandlung.
__________
002   Intro
• Im Vergleich zu 2011 ist 2023 der gesamte Energieverbrauch gestiegen
– und zwar mehr, als die nichtfossilen (die die kein CO2 erzeugen) kompensieren konnten.
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003   Intro

• Kulturen werden oft daran gemessen
– wie sie Energie gebrauchen.
– bzw. wie viel Energie sie verbrauchen.

• Wir fragen uns noch immer, wie die Ägypter die Pyramiden gebaut haben.
• und als eines unserer mächtigsten Werkzeuge – ist Energie
• ein zentraler Treiber der gesellschaftlicher Entwicklung – das, was wir Fortschritt nennen.

•1 Es folgt eine Übersicht der Geschichte des Werkzeuges Energie.
•2 Dann – was Energie ist, wie sie entstanden ist.
•3 und am Schluss, wie wir diese Energie nutzen.

• Es geht zum Verständnis durchaus ins Detail,
– und es ist natürlich eine Vereinfachung,
– aber es ist ein recht großer Bogen.

004   wissenschaftlicher Prozess
• Mir geht es hier um einen künstlerischen und
– einen wissenschaftlichen Diskurs bzw. Prozess.

• Nima Arkani - Hamed, ein Quantenphysiker hat diesen 2016 in einem Vortrag beschrieben.
– Nämlich wie es die Wissenschaft schafft Wissen nicht nur weiterzugeben, sondern weiter zu entwickeln.

• Folgendes sind die Strategien:

• Sei ehrlich zu dir selbst und den anderen.
• Es ist egal, wer du bist; nur der Inhalt deiner Ideen ist relevant.
• In der Wissenschaft haben wir Helden, nicht Propheten. [Zitat – Steven Weinberg]
• Wir besitzen niemals die vollkommene Wahrheit und geben niemals vor, vollkommene Gewissheit zu haben.
• Wir versuchen so gut wir können, die Ideen, auf die wir am meisten vertrauen, mutig zu extrapolieren.

– Be honest with yourself and with others [11:20]
– It doesn‘t matter who you are, only the content of your ideas are relevant [12:20]
– In Science we have heros not prophets [Steve Weinberg] [13:50]
– We are never in the posession of the whole truth, and never pretend to have complete certainty [14:30]
– We do the best we can and boldly extrapolate ideas we have most confidence in. [15:00]

005   Singularität
• Am Anfang gab es keinen Raum und keine Zeit.
• Laut Theorie war vor 13,8 Milliarden [109] Jahren das Universum in einem
– unendlich heißen und unendlich dichten,
– auf einen punktförmigen, singulären Punkt reduzierten Zustand.

• An diesen Punkt kommt man, wenn man alles nach hinten rechnet.
• Dann beginnt die Zeit selbst.

• Materie und Antimaterie vorhanden → löschen sich gegenseitig aus
– bzw. wandleln sich in Energie um: Teilchen & Antiteilchen → Energie.
– Ein winziger Überschuss an Materie bleibt übrig.


• Aus diesem extremen Anfangszustand entstehen dann in Folge Unterschiede
– in Energie, Ladung & Dichte.

– Diese ermöglichen dann alle späteren physikalischen Prozesse.

006   Energieerhaltung
• Sämtliche Energie, die in unserem Universum vorhanden ist
– kann jetzt nur noch uumgewandelt wrden.
– zwischen den verschiedenen Formen der Energie.

• Energie kann nicht vernichtet werden
• Energie kann nicht aus dem Nichts entstehen.
– Die elektrische Gesamtladung bleibt konstant – lokal gesehen

(lokal gesehen – das heißt: in einem definierten Raum-Zeit-Bereich)
(und abgesehen von Effekten der kosmischen Expansion.)


• Perpetuum mobile
– deshalb ist kein Perpetuum mobile möglich.
• Es kann nicht mehr Energie aus einem System geholt werden
– als hineingesteckt wurde.

007   Big Bang
• sec 10↑-36 : Das Universum dehnt sich exponentiell aus (um den Faktor10↑26).
– als Vergleich: Ein Objekt von der Größe eines Protons
– wäre augenblicklich auf einen Durchmesser von etwa 10 Lichtjahren angewachsen.
—> Inflation

• Temperatur und die Dichte sinken mit der Expansion.
• Stoss: Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Teilchen ein anderes wieder zertrümmert,
– nimmt mehr und mehr ab.
• Erst dadurch werden Strukturen möglich.
– Erst dadurch können sich Strukturen bilden.

008   Elementarteilchen
• Inflation stopt,
– das Universum expandiert und kühlt weiter.

Die Strukturen die sich bilden sind:
• Elementarteilchen & Strahlung →
• Quarks Gluonen • Elektronen & • Neutrinos • Photonen • W/Z Bosonen
• Higgs Teilchen (verleiht Masse durch Wechselwirkung)

009    4 fundamentale Grundkräfte
• Die gesamte Energie des Universums steckt in den Elementarteilchen und ihren Interaktionen.
– Diese werden durch die 4 Grundkräfte gesteuert und beschrieben.
– Diese Kräfte sind die „Spielregeln“, die alle Interaktionen steuern – ohne sie gäbe es keine stabilen Strukturen.

• Die Unterschiede in Energie, Ladung und Dichte ermöglichen nun innerhalb dieser Spielregeln die Bildung weiterer Strukturen.

010    4 fundamentale Grundkräfte – Wechselwirkung
• Diese Elementarteilchen sind die Grundlage der 4 physikalischen Grundkräfte.
– Deren Wechselwirkungen manifestieren sich in den 4 fundamentalen Kräften.
– Das heißt: Wie diese Strukturen miteinander interagieren, wird durch die 4 Grundkräfte beschrieben.

• Gravitation, starke und schwache Kernkraft, elektromagnetische Kraft.
(Ruhemassenenergie, Bindungsenergie und kinetische Energie)

• Um das ges. System Energie zu vervollständigen fügen wir noch die Bewegung dazu.
– Die Bewegungsenergie wird durch das Wirken der vier physikalischen Grundkräfte übertragen (oder umgewandelt).

011   Dunkle Materie & Dunkle Energie
• Wenn man das Universum betrachtet und alle Energie sowie Materie zusammennimmt, fehlt noch etwas,
– damit die Berechnungen mit den Beobachtungen übereinstimmen.
• dies wird dann als Platzhalter als Dunkle Materie & Dunke Materie bezeichnet.

• Dunkle Materie
• An den äußeren Rändern von Galaxien haben die Sterne eine zu hohe Geschwindigkeit,
– um diese allein mit der sichtbaren Materie und der daraus resultierenden Gravitation zu erklären.
→ das Konzept der Dunklen Materie wurde eingeführt.

• Dunkle Energie
• Diese wird benötigt, um die beschleunigte Ausdehnung des Universums zu erklären.
– vor etwa 7 Milliarden Jahren, als die Dunkle Energie gegenüber der Materie dominant wurde.
(Entdeckt 1998 durch die Beobachtung weit entfernter Supernovae- Typ Ia)

012   Kräfte – Garvitation
• Gravitation ist eine Wechselwirkung, die zwischen Massen wirkt.
• Atome sind die Träger der Masse.
• Die Masse der Atome bildet die Materie.

E=mc2
• Nach Einstein sind Masse und Energie äquivalent.
– Masse kann in Energie übergehen.
• Masse ist eine energetische Zustandsform
– eine besonders konzentrierte Form von Energie.
– Lichtgeschwindigkeit: 300.000 km/s
→ qualitative Änderung.

Atom
• Das Atom ist die Quelle von Gravitation
– und ist folgendermaßen aufgebaut:
• Atomkern: Protonen und Neutronen.
• Protonen-Anzahl = Ordnungszahl (Atomnummer) / Gesamt-Anzahl = Massenzahl.
• Ein Atom besteht aus Protonen und Neutronen im Kern. Der Kern ist positiv geladen.
• Die Protonen bestimmen, was für ein Element/Atom es ist.
• Die Elektronen befinden sich im Außenbereich. Sie sind negativ geladen.
• Die Anzahl der Neutronen ist variabel → Isotope.

013   Starke nukleare Kraft
• Im Nukleus sind Protonen & Neutronen.
• Diese bestehen aus Quarks. Proton: 2x Up, 1x Down / Neutroon: 2x Down, 1x Up.
• Kraft wird über die Gluonen übertragen.
– Gluonen sind die Träger der starken nuklearen Kraft.

• Die Gluonen halten die Quarks zusammen.
– wirket auf sehr kurze Distanz,
– aber weit genug um über die Quarks hinaus die Protonen und Neutronen zusammen zu halten.

• 100x stärker als die elektromagnetische Kraft,
– deshalb können die + geladenen Protonen auch nebeneinander existieren.
• Protonen brauchen aber dennoch mindestens ein Neutron als „Puffer“.
→ Spaltung – diese Energie wird frei.

014   Schwache nukleare Kraft
• Ist ein Transformator (Down↔Up Quark).
• Protonen können in Neutronen umgewandelt werden – und umgekehrt.
– up → down Quark, sowie down → up Quark

• Proton → Neutron: (β−) z. B. Proton + Proton (Fusion in der Sonne).
• Neutron → Proton (β+) z. B. 14C zu 14N. → 14C zerfällt und wird zu 14N. (Altersbestimmung: c.a. 5800 Jahre Halbwertszeit)
– 14C (6 Protonen + 8 Neutronen) zerfällt in 14N (7 Protonen + 7 Neutronen).
– bestimmen von Alter von organischen Stoffen (aus Kohlenstoff C).

015   Elektromagnetisch – Elektrostatische Kraft
• Ladungen, die in einem statischen Zustand sind, erzeugen ein elektrostatisches Feld.

• Z. B. durch Reiben eines Plastikluftballons an Haaren.
– Beides vorher neutral; nach dem Reiben befinden sich mehr Elektronen auf dem Plastik.
→ Elektrostatische Anziehung (nicht magnetisch).

• im Atom: zwischen dem Atomkern (+) und den darum befindlichen Elektronen.
• zwischen den Atomen: bei einem Molekül / bei chemischen Verbindungen.

016   Elektromagnetisch – Elektromagnetische Kraft
• Ladungen, die in einem bewegten Zustand sind, erzeugen ein elektromagnetisches Feld.

• Elektromagnet:
– Werden Elektronen durch eine Spule geschickt
– die um einen Eisenkern gewickelt ist:
– Richtet sich der Spin der Atome (Elementarmagnete) im Eisenkern aus.
→ Magnetismus entsteht.

• Dynamo:
– Ein Magnet bewegt sich in der Spule
– Elektronen werden durch das sich ändernde Magnetfeld bewegt und erzeugen
→ Strom (Induktion).

017   Elektromagnetisch – Elektromagnetische Strahung
• Ladungen, die in einem beschleunigten Zustand sind, erzeugen elektromagnetische Strahlung.

• Die Photonen bewegen sich frei und als Schwingung.
– Die Sache mit der Gleichzeitigkeit / Dualität, dass es Teilchen und Welle zugleich ist.
– Wurde bei Photonen entdeckt: Double Slit Experiment, Young 1801.

• Sie haben verschiedene Wellenlängen = Frequenzen.
– Von den energieärmeren / langwelligen Strahlungen
– Zu den hochenergetischen & hochfrequenten Strahlungen:
• Radio, Mikro, Infrarot, Licht, UV, Röntgen (X-ray), Gamma (γ).

• Sie haben Lichtgeschwindigkeit: c≈300.000 km/s.
• Sichtbares Licht ist eine elektromagnetische Welle im mittleren Bereich.
– Wir sehen in einem Spektrum davon: das Licht.
– Die verschiedenen Wellenlängen können wir als verschiedene Farben wahrnehmen.

018   Bewegung
• Die 4 physikalischen Grundkräfte verrichten Arbeit (W=F⋅s),
→ die Bewegungsenergie erzeugt. (Z. B. Gravitation beschleunigt Galaxien).

• Die Bewegungsenergie wird durch die 4 physikalischen Grundkräfte erzeugt.
(Die Kraft als solche „trägt“ diese Energie nicht mehr; sie drückt sich in Bewegung aus).

• Sie drückt sich aus durch thermische Energie, Translation & Rotation.

019   Zeitleiste
• In der Sekunde 10−12 s haben sich
– die Strukturen der Elementarteilchen und Strahlung gebildet.
– und es haben sich die 4 physikalischen Grundkräfte – die Spielregeln dazu – auch abgetrennt / gebildet.

• Wir fahren nun mit der Zeitleiste fort, wie die Energie sich in ihre Formen verwandelt.

020   Protonen & Neutronen
• Quarks bilden Protonen und Neutronen.
• Die starke nukleare Kraft hält alles stark zusammen.

• Hochenergetische Photonen (Lichtteilchen)
– verhindern noch, dass Protonen und Neutronen zu komplexeren Kernen zusammenfinden.
• Temperaturen und Dichte sinket weiter

021   Atomkern
• Protonen und Neutronen bilden Atomkerne: H (Wasserstoff), He (Helium) & etwas Li (Lithium).
• Die Kraft der Gluonen hält diese zusammen.
– Die Starke Kernkraft wirkt.

→ Minute 20: Kernfusion stoppt – denn die Temperaturen sind inzwischen zu gering.
• In diesen 17 Minuten sind H und He entstanden in einer Ratio von: 75% H, 24% He, 1% Lithium.
• Elektronen fliegen noch frei herum; Photonen prallen an Elektronen ab – Streuung.

• Temperaturen und Dichte sinken weiter

022   Atom
• Es ist nun kühl genug, dass sich die Elektronen an die Kerne binden (ca. 3.000 °C).
• Das elektrostatische Feld bindet Elektronen an den Kern.

• Photonen (= Licht) haben mehr Platz, stoßen nicht mehr permanent an Elektronen
→ sie werden frei → Das Universum wird durchsichtig.
– Vor diesem Moment war das Universum wie ein extrem dichter, leuchtender Nebel – Plasma
– Das Licht wurde permanent abgelenkt (gestreut).

• Hintergrundstrahlung ab JETZT.
– Dieses Signal kommt deshalb auch aus jeder Richtung im Weltall gleichzeitig bei uns an.
– Da alles sich von allem ausdehnt (kosmische Expansion).

• Damals: Wellenlängen im Infrarot-Bereich (ca. 1.000 nm).
– Heute: Langgezogen durch die Ausdehnung des Raumes in den Mikrowellen-Bereich → 1,9 mm (1,9 Mio. nm).

• Temperaturen und Dichte sinken weiter

023   Gaswolken Nebel
• Durch Gravitation bilden sich Gasnebel aus H (Wasserstoff) und He (Helium).
– Je mehr Masse, desto höher die Gravitation – desto mehr Anziehung für weitere Masse.

• Im Inneren der Gasnebel steigt der Druck und die Temperatur,
– bis sich sehr heisse sehr dichte Gasbälle bilden – die ersten Sterne

024   Serne
• Die ersten Sterne entstehen.
– Durch die Fusion von Protonen in dem dichten, heißen Gas.

• H → He + Energie: Gamma-Strahlung (γ).
– Entsteht im Kern.
– Nach ∼ 10.000–170.000 Jahren erreichen die Photonen die Oberfläche.
(γ-Photonen stoßen mit Protonen/Elektronen zusammen – verliert γ Energie → Wellenlänge wird größer).
– Sie werden langwelliger: UV-Licht und sichtbares Licht, und Infrarot

• In der Region der Oberfläche können dann auch Elektronen an den Nukleus gebunden werden.
– Vollständige He-Atome entstehen. (davor war es zu heiß – der Zustand war zu plasmartig)

• Spektrum der Sonnenstrahlung:
– 49% Infrarot (IR), 41% Sichtbares Licht, 8% Ultraviolett (UV), 2% Reststrahlung: Neutrinos, wenig Röntgen, fast kein Gamma.

(Gamma- und Röntgenstrahlen kommen primär von Solar Flares, Supernovae, Neutronensternen und anderen hochenergetischen kosmischen Ereignissen).


____________________
Proton-Proton Kette
• H → He + Energie,
– der Helium-4-Kern eine geringere Masse hat als die vier einzelnen Protonen.
→ Energie wird frei

(In versch. grossen Sternen verschmelzen diese Kerne stufenweise zu immer schwereren Elementen)

025   Sterne M + XL
• H → [C N O] He + Energie (γ - Strahlen, Neutrino, Positron)
• C, N, O, werden nur als Katalysatoren verwendet
____________________
– am Anfang ist ein C, am Ende ist ein C, es kommen mehrere Protonen nacheinander hinzu –> He
(dazu muss es bereits C N O geben z.B. aus weiteren Prozessen in XL Sternen und sterbenden S & M Sternen)

026   Sterne XL & sterbender Stern S M
• He → C, O + Energie: Fusion von Helium zu Kohlenstoff (C) und Sauerstoff (O).
(Endphase eines Sterns: Durch den erschöpften Wasserstoffvorrat im Kern steigt der Druck und die Temperatur massiv an.) ____________________
• Triple Alpha Prozess
• Es entsteht Sauerstoff und Kohlenstoff – die Grundlage unserer organischen Chemie.
(C kann sich aneinanderreihen, Ketten bilden und dadurch sehr vielfältige Moleküle bilden)

027   sterbender Stern XL
• Elemente bis Fe Eisen entstehen:: C → Ne → O → Si → Fe.
– Entsteht: Eisen Fe / 26 Protonen (und etwas Nickel / Ni).
– Red Super Giant ist die finale Phase eines M und XL Sternes.

• Eisen ist die stabilste Form der Materie.
– bis Fe: Die Fusion setzt Energie frei (Exotherm).
– ab Fe: Die Fusion verbraucht Energie (Endotherm).

– Unser Sonnensystem entstand aus einem solchen Todesprozess.
(unser Erdkern besteht aus Eisen (Fe), Nickel (Ni) und Spuren von Kobalt (Co).
(Fakt: 96 % der Erdmasse bestehen aus nur vier Elementen: Fe, O, Si, Mg)

028   Supernova
• Elemente ab Fe (Eisen)
– bis hin zu Iridium Ir / 77 Protonen

• Wenn der Stern am Ende in sich selbst kollabiert
– aber aufgrund seiner extremen Dichte
– prallt diese Materie auf diesen dichten Kern auf.
→ Dieser plötzliche Aufprall führt zu einem gewaltigen Rückstoß (Bounce)
→ Supernova.

• Elemente werden in das Weltall geschleudert.

– Supernova M-Stern
• Der Neutronenstern
• ca. 10–20 km Durchmesser, 2- bis 3-fachen Sonnenmasse. Rotation 10 – 50000 km/sek
– Strahlen Radio-, Röntgen- und Gammastrahlen entlang der Magnetpole aus.
– Wenn Rotations- und Magnetachse verschieden sind → periodische Pulse → Pulsar.

– Supernova XL-Stern
• Das Schwarze Loch
• Wenn der verbleibende Kern nach der Supernova extrem massiv ist.
– Die Gravitation (Masse/Energie) ist so gewaltig, dass keine physikalische Kraft die Teilchen mehr voneinander abstoßen kann, auch kein Licht.
– Materie stürzt in sich selbst zusammen.
→ Schwarzes Loch.

029   Neutronen Stern Merger
•= Kilonova
• Tritt in Binärsystemen (Doppelsternsystemen) auf.
(ca. 50 % aller massiven Sterne existieren in Paaren)

• die schwersten stabilen Elemente des Periodensystems entstehen
– ab Platin (77) über Gold (78) bis Uran (92) und Plutonium (94).

• Nach einem solchen Neutron Star Merger (Neutronenstern-Verschmelzung)
– bleib auf jeden Fall ein Schwarzes Loch zurück.
(Die Masse der beiden Sterne konzentriert sich auf einen Punkt)

• Ein supermassereiches Schwarzes Loch bildet das Gravitationszentrum fast jeder Galaxie.

030   Galaxien
• Wenn Sterne aufgrund der Gravitation zusammenfinden, entsteht eine Galaxie.
• Galaxien sind gigantische Ansammlungen von Sternen, Gas, Staub und Dunkler Materie.

• In einer Galaxie bewegen sich Sterne um ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum.
– Die meisten formen sich als flache Scheiben mit Spiralarmen.
– Planeten um die Sterne sind zunächst nur Planetesimale. (1 – 10km)

• im jahr 900 millionen entstand unsere Milchstrasse.
– Unsere Milchstraße hat einen Durchmesser von ca. 100.000 Lichtjahren.
– Unsere Position befindet sich im Orion-Arm. (26.000 Lichtjahre vom Zentrum)

• Die Voyager Raumsonden, welche 1977 gestartet sind haben inzwischen eine Distanz von 1Lichttag erreicht
(Das nächste Sternensystem [Alpha Centauri] ist 4,2 Lichtjahre entfernt.)

031   Planeten
• Elemente (Fest und Gas) akkumulieren sich.
– Unter der Gravitation formen sich rotierende protoplanetare Scheiben aus Staub und Gas.
→ von Planetesimalen zu Protoplaneten und schließlich zu runden Planeten.

• Erde: 96 % der Masse: Fe (Eisen), O (Sauerstoff), Si (Silizium) und Mg (Magnesium).

032   Sternensysteme
• Aus den verbleibenden Staub- und Gasresten der Sternentstehung bilden sich Planeten und Monde. – Diese Himmelskörper werden von der massereichen Zentralsonne eingefangen kreisen auf stabilen Bahnen. – Gemeinsam bilden sie ein Sonnensystem.

033   Universum – beschleunigte Ausdehnung
• die Gravitation bremste das Universum zunächst ab – für Milliarden Jahre.
(Dunkle Energie hat eine konstante Dichte, wenn der Raum aber immer größer wird – gewinnt sie über die Zeit an relativer Wirkung*)
• dann durch Überhandname der dunklen Energie → beschleunigte Ausdehnung

– 1929 Hubble – Universum dehnt sich aus
– 1998: beschl. Ausdehnung ( bei Beobachtungen von Supernovas) – durch Dominanz dunkler Energie.

• kosmologischen Konstante beschreibt die beschleunigte Ausdehnung,
– die kommt von Einsteins Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie 1917, mit der Konstante wollte er das Universum statisch macht.

(*Wenn sich der Raum verdoppelt, gibt es doppelt so viel Vakuum.)
(Da die Energiedichte pro Kubikmeter starr (konstant) ist, verdoppelt sich also auch die Gesamtmenge an abstoßender Energie.)

034   Periodensystem
• zur Übersicht das Periodensystem mit den Elementen.
– H (Wasserstoff): Direkt nach dem Urknall entstanden.
– He (Helium): Urknall & Sternfusion.
– … schwerere Elemente: In sterbenden Sternen und Supernovae geschmiedet.

035   Periodensystem – Atome
• das Periodensystem ist nun gegliedert
– vertikal nach der Anzahl der Elektronen un der äussersten Schale, den Valenzelektronen.
• Ganz links: 1 Elektron in der Außenschale (hochreaktiv).
• Ganz rechts: 8 Elektronen in der Außenschale (Edelgase – reaktionsträge/stabil).
(1869: Dmitri Mendelejew erstellte das Grundgerüst)

• Am liebsten haben Atome eine stabile Formation von 8 Elektronen in der äussersten Schale

• um stabilere Edelgaskonfigurationen zu erreichen - 8 Elektronen äusserste Schale
– önnen die Elemente / Atome nun weiter kombiniert werden - zu komplexeren Strukturen
• zu Molekülen

036   Moleküle
•xxxxxxx

037   Energieerhaltung
•xxxxxxx

038   Energieerhaltung
•xxxxxxx

039   Energieerhaltung
•xxxxxxx

040   Energieerhaltung
•xxxxxxx

041   Energieerhaltung
•xxxxxxx

042   Energieerhaltung
•xxxxxxx

043   Energieerhaltung
•xxxxxxx

044   Energieerhaltung
•xxxxxxx

045   Energieerhaltung
•xxxxxxx

046   Energieerhaltung
•xxxxxxx