5 Digitale Zusatzmaterialien Online-Codes Einfach den Code im Suchfenster auf www.oebv.at eingeben und du wirst direkt zu digitalem Zusatzmaterial (zB Videoclips, Animationen, interaktive Übungen) oder Lösungen weitergeleitet. Schwarz hervorgehobene Sätze helfen dir, wichtige Inhalte schneller zu erfassen. Verweise auf die Einstiegsfragen wie dieser hier ( A 8 ) helfen dir, schneller die Antwort auf die zu Beginn gestellten Fragen zu finden. Immer dort wo du das Raketensymbol siehst, findest du spannende Inhalte zur Vertiefung. 114 31.2 Stromerzeugung der Zukunft Kernfusion Warum kann die Sonne so viel Energie freisetzen? Was ist eine Wasserstoffbombe? Und an welchem Kraftwerk der Zukunft forscht man seit vielen Jahren? Die Sonne wird jede Sekunde um rund 1 Milliarde Kilogramm leichter! Das entspricht der Masse von 5000 Blauwalen (B 31.17)! Warum passiert das mit der Sonne? Denke daran, dass diese sehr viel Strahlung aussendet und hilf dir mit A 5 auf S. 110. B 31.17 Blauwale sind die größten Tiere, die je auf der Erde gelebt haben. Die größten Exemplare haben bis zu 200.000 kg. In B 31.18 siehst du den Atompilz der ersten Wasserstoffbombe „Ivy Mike“, die 1952 gezündet wurde. Recherchiere, was man unter einer Wasserstoffbombe versteht und wie sie funktioniert. B 31.18 Die Sprengkraft der ersten Wasserstoffbombe war 800-mal so groß wie die der Hiroshima-Bombe (B 31.14, S. 113). In B 31.19 siehst du einen Fusionsreaktor. In solchen Kraftwerken soll durch Kernfusion ab Mitte des Jahrhunderts Strom erzeugt werden. Wie funktionieren sie und was ist das große Problem dabei? B 31.19 Ein Fusionsreaktor: So könnte die Stromerzeugung der Zukunft aussehen. A 7 A 8 A 9 Du verdankst dein Leben der Kernfusion! Warum? Fast die gesamte Energie, die in deinem täglichen Leben eine Rolle spielt, kommt ursprünglich von der Sonne. Sie schickt ungeheure Mengen davon auf die Erde. Wo ist diese Energie aber her? Sie wird durch Kernfusion im Inneren der Sonne freigesetzt! Dabei werden leichte Elemente zu schwereren fusioniert, also gewissermaßen verschmolzen – zum Beispiel Wasserstoff zu Helium (B 31.20). B 31.20 Eine der Möglichkeiten der Kernfusion: Wasserstoffkerne (1H) werden zu Heliumkernen (4He) verschmolzen. 90 % der Energie, die unsere Sonne freisetzt, kommt von dieser Kernreaktion. Ähnlich wie bei der Kernspaltung geht auch hier Masse verloren. Der Massenverlust der Sonne ist gigantisch: Sie wird pro Sekunde um etwa 1 Milliarde Kilogramm leichter. Wieso? Energie hat ja eine Masse (siehe B 31.6, S. 111). Das sagt die berühmte Gleichung E = mc2. Die abgestrahlte Energie entspricht einer Masse, die der Sonne dann fehlt ( A 7 ). B 31.21 Die typische Schalenstruktur eines alten, großen Sterns: Je weiter innen, desto höher das Element. Damit Eisen entsteht, muss der Stern etwa 8 Sonnenmassen haben. Dann erreicht er im Inneren einige Milliarden Grad. Damit die Kernfusion erfolgreich ist, müssen Temperatur und Dichte extrem hoch sein. Beide wachsen, je näher man der Sternenmitte kommt. Deshalb können innen die schwersten Elemente entstehen (B 31.21). Je größer die Masse eines Sterns, desto extremer sind die Bedingungen im Inneren und desto höhere Elemente werden verschmolzen. Bei Eisen ist aber in jedem Fall Endstation! Noch höhere Elemente entstehen nur bei noch extremeren Bedingungen (siehe S. 100) Positron Positron Neutrino Photon 4 He 3 H 1 H 2 H Photon Neutrino H He C Wassersto Helium Kohlensto NeNeon O Sauersto Si Silicium Fe Eisen 115 31 Die größte Explosion aller Zeiten Kernfusion liefert unglaublich viel Energie. Das will man sich natürlich auch auf der Erde nutzbar machen. Statt gefährlichem, radioaktiven Abfall wie bei der Kernspaltung, entsteht bei der Fusion nur Helium, ein harmloses Gas. Außerdem ist der Brennstoff für die Fusion, nämlich Deuterium ( 1 2 H) und Tritium ( 1 3 H; siehe B 30.14, S. 101); praktisch unerschöpflich vorhanden. Das klingt nach der perfekten Energiequelle für die Zukunft. Aber es gibt große Herausforderungen ( A 9 )! Für Kernfusion braucht man nicht nur Megahitze, sondern auch ultrahohen Druck. Im Inneren der Sonne zum Beispiel ist der Druck etwa 100 Milliarden Mal so groß wie in der Erdatmosphäre. Diesen gigantischen Druck kann man im Labor nicht erzeugen. Damit man das mit der Kernfusion trotzdem hinbekommt, muss man die Temperatur mindestens 6-mal so hoch machen, wie im Inneren der Sonne, also 100 Millionen Grad. B 31.22 Der Tokamak-Fusionsreaktor. B 31.23 Der Tokamak-Reaktor von innen gesehen. Kein Material hält solche Temperaturen aus. Deshalb arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit speziellen Magnetfeldern (B 31.22), um das heiße Gas in der Luft zu halten, ohne dass es die Wände des Reaktors berührt. Warum schwebt das Gas? Bei diesen hohen Temperaturen werden die Elektronen von den Atomkernen weggerissen. Das Gas ist ionisiert, also in geladene Teilchen zerlegt, und ein sogenanntes Plasma. Diese geladenen Teilchen kann man mit Magneten in Schwebe halten. Momentan benötigen Fusionsreaktoren allerdings noch mehr Energie, als sie freisetzen – das ist natürlich nicht das Gelbe vom Ei. Die Serienreife wird nicht vor 2050 erwartet. In gewisser Weise gibt es künstliche Kernfusion schon seit 1952, allerdings nur in unkontrollierter Form. In diesem Jahr wurde nämlich in den USA die erste Wasserstoffbombe (B 31.24) gezündet. Für diese braucht man eine Atombombe als Zünder – das musst du dir mal vorstellen! Bei ihrer Explosion entstehen etwa 100 Millionen Grad. Diese enorme Hitze zündet den eigentlichen Sprengsatz, der zum Beispiel aus Deuterium besteht. Die Hitze der Kernfusion bewirkt dann die eigentliche, stärkere Explosion ( A 8 ). Die Zar-Bombe, die 1961 in Russland zu Testzwecken gezündet wurde, erzeugte die größte, jemals von Menschen verursachte Explosion. Die dabei freigesetzte Explosionskraft kann spielend die gesamte Feuerkraft des Zweiten Weltkrieges übertreffen – inklusive beider Atomschläge auf Japan (B 31.25). B 31.25 Atompilzgrößen der Hiroshima-Bombe und der stärksten Wasserstoffbombe aller Zeiten, der Zar-Bombe. Diese hatte etwa die 5-fache Sprengkraft von Ivy Mike (B 31.18). B 31.24 Schematische Darstellung einer Wasserstoffbombe: Oben befindet sich der Zünder: eine Atombombe. Unten befindet sich das Fusionsmaterial. Durch die enorme Hitze entsteht Kernfusion, die dann die eigentliche Explosion verursacht. Kurz zusammengefasst Bei der Kernfusion werden leichte Elemente zu schwereren verschmolzen, zum Beispiel Wasserstoff zu Helium. Dieser Prozess läuft in der Sonne ab. Künstlich versucht man ihn in Fusionsreaktoren nachzustellen, um die Energieversorgung der Zukunft zu garantieren. Unkontrolliert läuft der Vorgang in einer Wasserstoffbombe ab. 115 31 Die größte Explosion aller Zeiten Kernfusion liefert unglaublich viel Energie. Das will man sich natürlich auch auf der Erde nutzbar machen. Statt gefährlichem, radioaktiven Abfall wie bei der Kernspaltung, entsteht bei der Fusion nur Helium, ein harmloses Gas. Außerdem ist der Brennstoff für die Fusion, nämlich Deuterium ( 1 2 H) und Tritium ( 1 3 H; siehe B 30.14, S. 101); praktisch unerschöpflich vorhanden. Das klingt nach der perfekten Energiequelle für die Zukunft. Aber es gibt große Herausforderungen ( A 9 )! Für Kernfusion braucht man nicht nur Megahitze, sondern auch ultrahohen Druck. Im Inneren der Sonne zum Beispiel ist der Druck etwa 100 Milliarden Mal so groß wie in der Erdatmosphäre. Diesen gigantischen Druck kann man im Labor nicht erzeugen. Damit man das mit der Kernfusion trotzdem hinbekommt, muss man die Temperatur mindestens 6-mal so hoch machen, wie im Inneren der Sonne, also 100 Millionen Grad. B 31.22 Der Tokamak-Fusionsreaktor. B 31.23 Der Tokamak-Reaktor von innen gesehen. Kein Material hält solche Temperaturen aus. Deshalb arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit speziellen Magnetfeldern (B 31.22), um das heiße Gas in der Luft zu halten, ohne dass es die Wände des Reaktors berührt. Warum schwebt das Gas? Bei diesen hohen Temperaturen werden die Elektronen von den Atomkernen weggerissen. Das Gas ist ionisiert, also in geladene Teilchen zerlegt, und ein sogenanntes Plasma. Diese geladenen Teilchen kann man mit Magneten in Schwebe halten. Momentan benötigen Fusionsreaktoren allerdings noch mehr Energie, als sie freisetzen – das ist natürlich nicht das Gelbe vom Ei. Die Serienreife wird nicht vor 2050 erwartet. In gewisser Weise gibt es künstliche Kernfusion schon seit 1952, allerdings nur in unkontrollierter Form. In diesem Jahr wurde nämlich in den USA die erste Wasserstoffbombe (B 31.24) gezündet. Für diese braucht man eine Atombombe als Zünder – das musst du dir mal vorstellen! Bei ihrer Explosion entstehen etwa 100 Millionen Grad. Diese enorme Hitze zündet den eigentlichen Sprengsatz, der zum Beispiel aus Deuterium besteht. Die Hitze der Kernfusion bewirkt dann die eigentliche, stärkere Explosion ( A 8 ). Die Zar-Bombe, die 1961 in Russland zu Testzwecken gezündet wurde, erzeugte die größte, jemals von Menschen verursachte Explosion. Die dabei freigesetzte Explosionskraft kann spielend die gesamte Feuerkraft des Zweiten Weltkrieges übertreffen – inklusive beider Atomschläge auf Japan (B 31.25). B 31.25 Atompilzgrößen der Hiroshima-Bombe und der stärksten Wasserstoffbombe aller Zeiten, der Zar-Bombe. Diese hatte etwa die 5-fache Sprengkraft von Ivy Mike (B 31.18). B 31.24 Schematische Darstellung einer Wasserstoffbombe: Oben befindet sich der Zünder: eine Atombombe. Unten befindet sich das Fusionsmaterial. Durch die enorme Hitze entsteht Kernfusion, die dann die eigentliche Explosion verursacht. Kurz zusammengefasst Bei der Kernfusion werden leichte Elemente zu schwereren verschmolzen, zum Beispiel Wasserstoff zu Helium. Dieser Prozess läuft in der Sonne ab. Künstlich versucht man ihn in Fusionsreaktoren nachzustellen, um die Energieversorgung der Zukunft zu garantieren. Unkontrolliert läuft der Vorgang in einer Wasserstoffbombe ab. 115 nsreaktor. or von innen gesehen. e Temperaturen aus. Deshalb rinnen und Wissenschaftler eldern (B 31.22), um das heiße n, ohne dass es die Wände des m schwebt das Gas? Bei diesen erden die Elektronen von den n. Das Gas ist ionisiert, also in gt, und ein sogenanntes n Teilchen kann man mit alten. Momentan benötigen ngs noch mehr Energie, als sie rlich nicht das Gelbe vom Ei. ht vor 2050 erwartet. Die Zar-Bombe, die 1961 in Russland zu Testzwecken gezündet wurde, erzeugte die größte, jemals von Menschen verursachte Explosion. Die dabei freigesetzte Explosionskraft kann spielend die gesamte Feuerkraft des Zweiten Weltkrieges übertreffen – inklusive beider Atomschläge auf Japan (B 31.25). B 31.25 Atompilzgrößen der Hiroshima-Bombe und der stärksten Wasserstoffbombe aller Zeiten, der Zar-Bombe. Diese hatte etwa die 5-fache Sprengkraft von Ivy Mike (B 31.18). das Fusionsmaterial. Durch die enorme Hitze entsteht Kernfusion, die dann die eigentliche Explosion verursacht. Kurz zusammengefasst Bei der Kernfusion werden leichte Elemente zu schwereren verschmolzen, zum Beispiel Wasserstoff zu Helium. Dieser Prozess läuft in der Sonne ab. Künstlich versucht man ihn in Fusionsreaktoren nachzustellen, um die Energieversorgung der Zukunft zu garantieren. Unkontrolliert läuft der Vorgang in einer Wasserstoffbombe ab. Zum Schluss wird das Wichtigste der Doppelseite nochmals kurz und verständlich zusammengefasst. 62 Übung und Vertiefung Ein halbes Jahr lang Tag 1 L Solarkraftwerke (B 26.34) funktionieren klarerweise mit Sonnenenergie. Aber auch Wasser- und Windkraftwerke werden eigentlich von der Sonne betrieben. Begründe mit Hilfe von B 26.4 (S. 54) und B 26.27 (S. 60). B 26.34 Ein Solarkraftwerk 1 L Die Sonne strahlt in etwa einer Stunde so viel Energie auf die Erde, wie die gesamte Erdbevölkerung in einem Jahr benötigt! Begründe, was du daran sehr gut sehen kannst. 1 L Wann beginnen die Jahreszeiten und was ist das Besondere mit Tag und Nacht an diesem Datum? Vervollständige T 26.2 und recherchiere dazu im Internet. Jahreszeit Datum Besonderheit Frühlingsbeginn längster Tag 22. oder 23.9. T 26.2 Anfang der Jahreszeiten und Zusammenhang mit Tag und Nacht 1 L Recherchiere, an welchen Orten auf der Erde und zu welchen Zeiten der Polartag auftritt, bei dem die Sonne zu bestimmten Zeiten nicht untergeht (B 26.35). Erkläre, warum es dieses Phänomen gibt und beschreibe, wie sich der Polartag auf das Leben und den Alltag der Menschen in diesen Regionen auswirkt und wie eine mögliche Anpassung an dieses Phänomen aussehen könnte. B 26.35 Die Sonne zwischen 23:40 und 3:40 in der Nacht: Wieso geht sie nicht unter? A 12 A 13 A 14 A 15 Wetterstation Teil 1: Lies an einem Außenthermometer oder in einer Wetterapp an mehreren Tagen zu denselben Zeiten die Temperatur ab, trage sie in eine Tabelle ein. Später kannst du die Werte in ein Diagramm übertragen (B 26.36) und den Durchschnitt über einen ganzen Monat berechnen. Wetterstation Teil 2: Bastle dir ein Barometer (B 26.37). Wenn du ein „richtiges“ Barometer zu Hause hast, dann kannst du die Skala beschriften. Wenn das echte Barometer zum Beispiel 1020 hPa zeigt, dann schreibst du diesen Wert dorthin, wo die Nadel des selbstgemachten gerade steht. Wenn du das bei verschiedenen Drücken machst, bekommt du eine ganze Skala. Überprüfe dann den Zusammenhang zwischen Druck und Wetter. B 26.37 Ein selbstgemachtes Dosenbarometer (B 26.23, S. 59) Wetterstation Teil 3: Baue dir einen Luftfeuchtigkeitsmesser (B 26.38). Das Kernstück ist ein Föhrenzapfen. Steigt die Luftfeuchtigkeit, schließen sich die Schuppen. Der aufgeklebte Strohhalm verdeutlicht die Bewegung. Die Skala kannst du mit Hilfe eines echten Luftfeuchtigkeitsmessers beschriften. A 16 30 20 10 1 7 12 20 2 3 4 5 April Tagestemperatur in °C 6 7 8 9 1 B 26.36 Temperaturverlauf über mehrere Tage A 17 Luftdruck Nadel HOCH TIEF Trinkhalm Karton Knetmasse Marmeladeglas Ballon Gummiring Alleskleber A 18 Trinkhalm Skala Föhrenzapfen Knetmasse B 26.38 Ein selbstgemachter Luftfeuchtigkeitsmesser 63 26 Das Smalltalk-Thema Nr. 1 1 L Wetterstation Teil 4: Baue dir aus einer Kunststoffflasche einen Regenmesser (Ombrometer; B 26.39) und miss beim nächsten Regenguss die Millimeter Niederschlag. Begründe, warum das Oberteil wichtig ist und vergleich deine Messung mit den Prognosen aus WetterApps und Wetterdiensten. Recherchiere, wie diese Geräte in der Praxis genutzt werden, zum Beispiel in der Landwirtschaft oder im Bauwesen, und erkläre, wie präzise Wetterdaten dort helfen. 1 L Die Niederschlagsmenge wird entweder in Litern pro m2 angegeben oder in Millimetern. Wie viele l/m2 entsprechen 1 mm? Versuche umzurechnen und überprüfe dann mithilfe des Internets, ob deine Rechnung stimmt. 1 L Recherchiere, was man unter Starkregen versteht. In Wels (OÖ) fiel 2023 innerhalb von 24 h ein Niederschlag von 125 l/m2. Angenommen, das Wasser kann nicht abrinnen, wie hoch würde es dann stehen? Recherchiere, was man unter dem Begriff Bodenversiegelung versteht und welches Problem sich in Zusammenhang mit Starkregen ergibt. Diskutiert in der Gruppe darüber, was man gegen die zunehmende Bodenversiegelung machen könnte und in welchen Zusammenhang der Begriff Renaturierung steht. Recherchiert dazu im Internet. 1 L In B 26.41 siehst du Tropfen, die aus einer Pipette in eine Flüssigkeit fallen. Diskutiere mit Hilfe des Bildes darüber, wie es zur Fehlvorstellung der „tropfenförmigen Tropfen“ kommen konnte. Suche im Internet nach Bildern, in denen fallende Tropfen falsch tropfenförmig dargestellt sind und erstelle eine aufklärende Präsentation. Nutze dafür virtuelle Simulationen oder Videos. A 19 B 26.39 Ein Ombrometer Oberteil der Kunststo - asche Kunststo - asche Skala A 20 A 21 B 26.40 Was früher einmal ein Feld war, ist heute ein Parkplatz A 22 A 23 Wie kommt es zur Druckeinheit mmHg? Recherchiere dazu im Internet. 1 L Erkläre einer Mitschülerin oder einem Mitschüler mit Hilfe von B 26.42, wie eine Blutdruckmessung funktioniert. B 26.42 Blutdruckmessung mit einer Druckmanschette 1 L Leg eine dünne Holzleiste mit etwa 40cm Länge auf einen Tisch, sodass sie etwa ein Drittel übersteht (B 26.43). Lege einige Doppelseiten Zeitungspapier darüber und streiche sie flach (a), damit sie eng anliegen. Wenn du nun auf das Ende der Leiste schlägst, kannst du dieses abbrechen (b). Welche Begründung hast du dafür? Suche aktuelle Daten aus Österreich zu Stürmen und Hagelstürmen, zu Starkregen und Gewittern. Beantworte folgende Fragen: Wo treten diese Unwetter auf und welche Schäden wurden dabei verursacht. Welcher Zusammenhang zum Klimawandel wird angenommen? Welche Vorhersagen für die Häufigkeit und Heftigkeit von Unwettern in Österreich gibt es? Recherchiere dazu im Internet und suche Seiten, denen man vertrauen kann, etwa von Universitäten oder von GeoSphere Austria. Erstelle eine Präsentation und diskutiere in der Gruppe über die vorgestellten Ergebnisse. 1 dZM B 26.41 Tropfen gefärbten Wassers lösen sich von einer Pipette und fallen in eine Flüssigkeit. Wie sehen die Tropfen kurz vor dem Abreißen aus? A 24 A 25 kein Blut uss eingeschränkter Blut uss normaler Blut uss kein Geräusch > 120 mm Hg a b c 120 mm Hg 80 mm Hg kein Geräusch Rauschen A 26 B 26.43 Eine Leiste zerbrechen a b A 27 Übung und Vertiefung Am Ende jedes Großkapitels gibt es eine spannende Doppelseite mit vertiefenden Aufgaben und Experimenten. Hier kannst du das Gelernte gleich anwenden. Bei allen Aufgaben, die mit einem L gekennzeichnet sind, findest du die Lösungen wieder hinten im Buch. Experimente sind wieder grün markiert. Bei Aufgaben die mit „dzM“ gekennzeichnet sind (jeweils eine pro Kapitel) findet ihr online dazu er- weiterte und differen- zierte Arbeitsaufträge. Android iOS 1. Scanne den QR-Code und lade die App auf dein Smartphone oder dein Tablet. 2. Scanne deinen Buchumschlag oder wähle dein Schulbuch in der App-Medienliste aus. 3. Scanne eine gekennzeichnete Buchseite oder wähle ein Audio/Video aus der App-Medienliste aus. öbv QuickMedia Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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