Sexl Physik 8, Schulbuch

| 74 steht diese Rettungsdecke? Was sind ihre Eigenschaften und welche physikalischen Prinzipien werden dabei ausgenützt? Wieso kann diese Decke Schutz vor Hitze und Käl- te bieten? Entwickle eigenständige Untersuchungen und überprüfe diese auf ihre Durchführbar- keit. Welche Genauigkeit kannst du mit deinen Ergebnissen erreichen? Wo könnten Feh- ler liegen? Untersuche, überlege, forsche: „Nano“ im Einsatz 74.1 Nanotechnologie spielt auch im Bereich der Farbstoffe eine große Rolle (Stabilisie- rung von Farbstoffen, kostengünstige Herstellung von Displays usw.). Versuche mehr darüber herauszufinden! Untersuche, überlege, forsche: Nahrungsmittel auch Nano? 74.2 Nichtschmelzende Schokolade, cremiges Eis ohne Fett, … Auch im Nahrungsmit- telbereich hält die Nanotechnologie ihren Einzug. Lies den Zeitungsartikel unter physikplus.oebv.at und besprich ihn mit deinen Mitschüle- rinnen und Mitschülern! Nanowelt und Automobilindustrie Es gibt bereits unzählige Beispiele für mögliche Einsatzbereiche nanotechnologi- scher Forschung. Im Folgenden sollen stellvertretend einige aus der Autoindustrie beschrieben werden, die auf Nanotechnologie beruhen. Verringerung von Schadstoffen Problem: Verbrennungsmotoren von Autos produzieren Kohlenstoffdioxid und an- dere Schadstoffe, die die Luft belasten. Ziel: Reduktion von Spritverbrauch und Schadstoffemissionen Beitrag der Nanotechnologie: Normalerweise lagern sich an den Einlassventilen von direkt einspritzenden Benzinmotoren störende Kohlenwasserstoffe ab. Durch gezielte Beschichtung könnten diese Kohlenwasserstoffe aufgebrochen und eine Anlagerung verhindert werden. Außerdem forscht man an Filtern, die mittels Na- noporen oder Kohlenstoff-Nanoröhren Schadstoffe aus dem Abgas entfernen. Der Spritverbrauch lässt sich drastisch reduzieren, wenn die beweglichen Teile ei- nes Motors leichter laufen. Dazu werden spezielle Öle entwickelt, die Nanopartikel enthalten. Diese bilden in dem Film zwischen zwei Teilen eine eigene Schicht, wel- che die mechanische Reibung verringert. Eine andere Möglichkeit zur Verringerung der Umweltbelastung durch Autos ist der Einsatz von sauberen Alternativen zum Verbrennungsmotor. Eine davon ist die Brennstoffzelle ( 74.1 ), deren Energie einen Elektromotor antreibt. Mit einer Brennstoffzelle kann man mit (meist) Wasserstoff und Sauerstoff chemische in elektrische Energie umwandeln. Dabei werden Wasserstoffatome (1) in Elektronen (2) und Protonen (3) gespalten. Die Elektronen sammeln sich an der nahe gelege- nen Elektrode (4), die Protonen wandern durch eine Membran (5) zur entfernten Elektrode (6). Dadurch entsteht eine elektrische Spannung zwischen beiden Elekt- roden – es fließt Strom (7). Reaktionsgleichungen Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle Anode 2 H 2 +4 H 2 O ¥ 4 H 3 O + +4e – Oxidation / Elektronenabgabe Katode O 2 +4 H 3 O + +4e – ¥ 6 H 2 O Reduktion /Elektronenaufnahme Gesamtreaktion 2 H 2 +O 2 ¥ 2 H 2 O Redoxreaktion / Zellreaktion Elektroden aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen sollen eine höhere Energiedichte erzie- len. Auch die Membran lässt sich mit Nanomaterialien verbessern. Das Problem liegt hierbei noch in der Verwendung des Wasserstoffs. Zurzeit benötigt man für eine 100 km lange Fahrt noch 20 kg Wasserstoff, der in einem sehr schweren und stark gekühlten Drucktank mitgeführt werden muss. Außerdem benötigt man zur Herstellung von Wasserstoff viel elektrische Energie. Elektrode (4) negativ geladen Elektrode (6) positiv geladen Membran (5) Wasserdampf Wasser- stoffgas Sauer- stoffgas Elektronen wandern zum Pluspol: Gleichstrom wird erzeugt (7) Elektromotor Elektron (2) Wasserstoff- atom (1) Proton (3) 74.1 Brennstoffzelle Bei einer Brennstoffzelle wird ein edelme- tallhaltiger Katalysator eingesetzt, der die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff ermöglicht (kontinuierlich und regelbar, ohne Wärmeverlust und daher mit einem größeren Wirkungsgrad, im Gegensatz zu einer Knallgas- reaktion). Der Brennstoff (Wasserstoff) wird unter Abgabe von Elektronen in H 3 O+-Ionen umgewandelt. An der Katode wird das Oxida- tionsmittel (Sauerstoff) durch Aufnahme von Elektronen zu Anionen reduziert und reagiert gleichzeitig mit den durch die Membran zur Katode gewanderten H 3 O+-Ionen zu Wasser. Die bei der Reaktion zwischen den beiden Elektroden erzeugte Potenzialdifferenz ist die „treibende Kraft“ im Stromkreis. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv