Sterne und Galaxien (2)

Heute im PHYSIKUNTERRICHT: Kernfusion in der Sonne ✔ | Kernfusion auf der Erde ✔ | Der Tod eines Sterns ✔ | Supernovae und Sternenstaub ✔

Schaubild von drei Atomen: Wasserstoff, Helium und Kohlenstoff
Das Wesentliche der Materie: Alle Dinge um uns herum bestehen aus nur etwa hundert Grundstoffen, die Elemente genannt werden und aus einem einzelnen Atom bestehen. Der Kern eines Atoms besteht aus Protonen und (in den meisten Fällen) Neutronen. Jedes Element hat eine andere Anzahl von Protonen im Atomkern.

Kernfusion...

... in der Sonne

Wenn Wasserstoffkerne zu Heliumkernen verschmelzen (verbinden), wird Energie freigesetzt. Aber Atomkerne verbinden sich nicht so leicht - sie sind elektrisch geladen und stoßen sich gegenseitig ab. Um zu verschmelzen, müssen sie mit extrem hohen Geschwindigkeiten kollidieren. In der Praxis bedeutet dies, dass ein Gas bei einer extrem hohen Temperatur gehalten werden muß, zum Beispiel bei 15.000.000 °C, wie im Kern der Sonne.


Kernfusion im Inneren der Sonne
Sonne ausgeschnitten
Wenn Wasserstoffatome sich zu Heliumatomen verbinden, wird eine Menge Energie freigesetzt.
Vorgang der Kernfusion
Wasserstoffkerne Kernfusion + andere Vorgänge Heliumkern + andere Teilchen
Vier Wasserstoffkerne verschmelzen zu einem Heliumkern. Dies ist ein mehrstufiger Prozess, bei dem auch zwei Neutronen aus zwei Protonen entstehen.

... und auf der Erde

Tokamak Reaktor
Tokamak Fusionsreaktor. Die zurzeit leistungsfähigsten Anlagen zur Erforschung der Kernfusion basieren auf dem Tokamak-Prinzip.

Eines Tages werden Fusionsreaktoren in Kraftwerken die Energie für uns erzeugen, aber nicht in den nächsten Jahren. Derzeit kann nur die Sonne - durch ihre Größe und Schwerkraft - die Bedingungen für eine Kernfusion aufrechterhalten. Auf der Erde kann kein Behälter den Wasserstoff bei einer so hohen Temperatur halten und komprimieren. Um diese Probleme zu überwinden, versuchen Wissenschaftler einen Fusionsreaktor zu entwickeln, der Magnetfelder verwendet um die Kerne von der Behälterwand fernzuhalten.

Die potentiellen Vorteile von Fusionsreaktoren wären beträchtlich. Sie könnten pro Kilogramm Brennstoff viel mehr Energie erzeugen als jeder herkömmliche Kernreaktor. Der Wasserstoff könnte aus Meerwasser gewonnen werden und stünde somit unbegrenzt zur Verfügung. Das Hauptabfallprodukt - Helium - ist nicht radioaktiv, somit würden keine teuren Endlagerstätten für Atommüll benötigt. Und Fusionsreaktoren sind sicher: Wenn das System ausfällt, kommt die Fusion automatisch zum Erliegen.


Tod eines Sterns

Das Ende der Sonne in 6 Milliarden Jahren

In etwa 6 Milliarden Jahren wird die Sonne ein roter Riese werden. Später wird der Kern des Roten Riesen zu einem weißen Zwerg, bevor der sich abkühlt und für immer verblasst.


Im Kern der Sonne verhindert die thermische Energie, dass die Schwerkraft die Materie weiter nach innen zieht. In ungefähr 6 Milliarden Jahren wird jedoch der gesamte Wasserstoff im Kern zu Helium umgewandelt sein, die Fusion wird aufhören und der Kern der Sonne wird kollabieren. Gleichzeitig wird sich die äußere Schicht der Sonne auf etwa das Hundertfache ihres gegenwärtigen Durchmessers aufblähen, abkühlen und rot glühen. Die Sonne wird dann ein Roter Riese sein. Schließlich wird die äußere Schicht in den Weltraum driften und einen heißen, extrem dichten Kern hinterlassen, der als Weißer Zwerg bezeichnet wird. Dieser winzige Stern wird nun Helium als Kernbrennstoff verwenden und durch Fusion in Kohlenstoff umwandeln. Wenn das Helium aufgebraucht ist, kühlt der Stern ab und verblasst für immer.

Supernovae und Sternenstaub

Schwarze Löcher

Wenn die massereichsten Sterne explodieren, kann der Kern der Schwerkraft nicht widerstehen und kollabiert weiter. Das Ergebnis ist ein schwarzes Loch.

Nichts kann aus einem schwarzen Loch entkommen, nicht einmal Licht. Ein schwarzes Loch ist also nicht zu sehen. Wenn jedoch Gase von einem nahen Stern hineingezogen werden, geben sie Röntgenstrahlen ab, die nachgewiesen werden können.

Wissenschaftler glauben, dass es im Zentrum jeder Galaxie ein schwarzes Loch geben könnte.

.In jeder Galaxie bilden sich neue Sterne und alte Sterne sterben. Massereichere Sterne als unsere Sonne haben ein anderes Schicksal. Ihre äußeren Schichten werden in einer gigantischen nuklearen Explosion weggesprengt, die als Supernova bezeichnet wird. Dabei bleibt ein Kern zurück, in dem Materie so komprimiert ist, dass Elektronen und Protonen miteinander reagieren und dabei Neutronen entstehen. Das Ergebnis ist ein Neutronenstern.

In Sternen wandelt die Kernfusion leichtere Elemente in schwerere Elemente um. Damit jedoch sehr schwere Elemente (zum Beispiel Gold oder Uran) entstehen können, werden so extreme Bedingungen benötigt, wie sie nur eine Supernova hervorbringen kann. Das heißt, um Elemente in einem Stern zu erzeugen, die schwerer als Eisen sind, müsste - um die Kernfusion aufrecht zu erhalten - Energie zugeführt werden. Die Sonne und die inneren Planeten enthalten aber auch genau diese sehr schweren Elemente. Das deutet darauf hin, dass der kosmische Nebel, in dem sie sich bildeten, bereits "Sternenstaub" von einer früheren Supernova enthielt. Mit anderen Worten, die Sonne ist ein Stern der zweiten Generation.


Fragen

Richtig ist:
Helium

Richtig ist:
Sie wird sich langsam aufblähen und zu einem Roten Riesen werden. Die äußeren Schichten des Roten Riesen driften ins Weltall ab und es bleibt ein heißer, dichter Kern übrig. Damit ist die Sonne zu einem Weißen Zwerg geworden.

Richtig ist:
Wenn ein Stern am Ende seines Lebens in einer Supernova explodiert, herrschen die extremen Temperaturen, die benötigt werden, um leichtere Elemente in schwerere Elemente umzuwandeln.

Richtig ist:
als Supernova bezeichnet man die die Explosion eines massereichen Sterns.

Richtig ist:

Bei einer Supernova bleibt ein Kern mit so hoher Dichte übrig, dass Elektronen und Protonen miteinander reagieren und dabei Neutronen entstehen. Das Ergebnis ist ein Neutronenstern.

Richtig ist:
weil alle Objekte im Sonnensystem auch schwere Elemente wie Gold und Uran enthalten. Diese Elemente können aber nur in einer Supernova entstehen.

Richtig ist:
Um zwei Elemente zu verschmelzen sind extreme Bedingungen erforderlich, zum Beispiel Temperaturen von rund 15 Millionen °C. Kein denkbarer Behälter auf der Erde hält solchen Temperaturen stand.


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