Wissenschaft Für Kinder - Max Planck Society

Wissenschaft für KinderEnergie und Fusion1

InhaltEnergie hat viele Gesichter2Experiment: Energy-DrinkWo kommt die Energie her?46Experiment: Bau dir ein AtommodellMagnetismus – die geheimnisvolle KraftExperiment: Du baust dir einen Magneten10Experiment: Fusion der WassertropfenExperiment: Energie erzeugenDas Atom – unbekannt und überallStrom aus Fusion – wie geht das?8Prüfe deine Beobachtungen12Hier findest du die Erklärung für deineExperimenteBegriffe – kurz und knappNeugierig auf Wissenschaft?Das Projekt „kidsbits“Impressum13161718

Darf ich mich vorstellen?Ich heiße Solina. Du hastes sicherlich schon an meinemNamen gemerkt und siehst es anmeiner rundlichen Figur: Ich bindie Sonne, einer von vielen Sternen. Ich bin über vier MilliardenJahre alt und stelle gern knifflige Fragen. Ich weiß viel überEnergie, weil ich sie selbst inmeinem heißen Bauch herstelle.Die Wissenschaftlerinnen undWissenschaftler im Max-PlanckInstitut für Plasmaphysik versuchen auf die gleiche Art Energiezu gewinnen, wie ich es tue.„Max-Planck-Institut für Plasmaphysik“ ist ein sehr komplizierterName, du kannst auch einfach„IPP“ sagen.Energie ist ein äußerst spannen des Thema. Ich will dir allesdarüber erzählen und über Kraft werke und die kleinsten Teilchenund die Atome. Und was Fusionist und was, aber halt!Ich bin schon wieder zu unge duldig. Mein kleiner Fehler.Wenn du neugierig bist, kannstdu mit mir in diesem Heftaußerdem verblüffende Experimente machen. Wir werden vielSpaß haben! Versprochen!11

Energie hat viele GesichterIch bin für euch auf der Erdedie wichtigste Energiequelle! Obwohlich 150 Millionen Kilometer von euchentfernt bin, bringen euchmeine Strahlen gute Laune,lassen Pflanzen wachsen odererzeugen Strom in Solaranlagen. Ichbin eben vielseitig!Experiment: Energy-DrinkWas brauchst du? verschließbaren Becheroder Glas mitSchraubdeckel 1/4 Liter Milch 1 kleine Banane 1 Teelöffel Zitronensaft Zucker nach Geschmack Teller und GabelWie wird’s gemacht?Die Banane schälen, inStücke brechen und aufeinem Teller mit derGabel zu feinem Muszerdrücken,Zitronensaft dazumischen, Milch und2Bananenmus in Glas oderBecher geben, dicht verschließenund kräftig schütteln. Sing’ deinLieblingslied, während duschüttelst!Der Energy-Drink sollte schönschaumig sein. Wenn er nichtsüß genug ist, gib noch einwenig Zucker dazu und schüttlenoch einmal.

Energie hat viele GesichterWas ist eigentlich Energie?Den ganzen Tag nimmstdu Energie auf verschiedenenWegen auf und verbrauchstsie. Energie gibt es in vielenErscheinungsformen: Wenn dueinen fruchtigen, süßen Bananenshake trinkst, gibt er dirEnergie, die dein Körper beimSpielen oder Lesen verbraucht.Hunger zeigt dir an, dass duwieder Energie aufnehmenmusst. Leben, ohne Energiezu verbrauchen, ist gar nichtmöglich.Form umgewandelt werden.Zum Beispiel wird der Strom,der in eine Glühbirne fließt,in Lichtenergie umgewandelt.Doch ein Teil der Energie erhitztdie Glühbirne und kann nichtEnergie kann nicht vernichtet,sondern lediglich in eine andereals Licht genutzt werden. Auchder Umwandlung sind Grenzengesetzt: Die Energie, die imBenzin steckt, kann in dieBe wegung eines Autos umge wan delt werden, aber es istunmöglich Bewegungsenergiein Benzin zurückzuverwandeln! Das ist eigentlichganz einfach, oder?Warum denkst du, istder Zucker wichtig?Schau auf Seite 12 nach, wenn dudie Antwort wissen möchtest.Auf unserer Erde leben sieben Milliarden Menschen. Jeder fünfte muss noch ohne Strom auskommen.Kannst du dir ein Leben ohne Strom vorstellen? Alle brauchen doch elektrisches Licht, einen Kühlschrank oder wollen fernsehen.Da es von Jahr zu Jahr mehr Menschen auf der Erde gibt, weiß man schonheute, dass der Energiebedarf steigen wird.3

Wo kommt die Energie her?Experiment: Energie erzeugenWas brauchst du? 1 Luftballon buntes Seidenpapier ReiskörnerWie wird’s gemacht?Blase den Luftballon auf undverknote ihn.Reiße das Seidenpapier inmöglichst kleine Schnipsel undverteile sie auf dem Tisch.Wie ihr seht, muss man nach neuenEnergiequellen suchen! Das Max-PlanckInstitut für Plasmaphysik geht mitgutem Beispiel voran und arbeitetan einer neuen Energiequelle füreure Zukunft. Nach meinem Vorbild!Was hast dubeobachtet?Reibe den Ballon an deinemKopf oder an Kleidung.Halte den Ballon über dieSchnipsel und die Reiskörner.Probiere verschiedeneMaterialien – Pullover, Bluse,T-Shirt – zum Reiben aus undbeobachte!4Warum denkst du,passiert das?

Wo kommt die Energie her?Wie kommt der elektrischeStrom in die Steckdose?Von einem Kraftwerk wird derStrom mit langen Überlandleitungen zu den Städtengebracht. Von dort wird er überUmspannwerke und Verteilerkästen in die Häuser verteilt.Findest du bei deinem nächstenSpaziergang die Verteilerkästenin deiner Straße?Es gibt verschiedeneMöglichkeiten Strom zu erzeugen und in das Stromnetz zu„speisen“, wie Kraftwerksbetreiber dazu sagen. Mehr alsdie Hälfte des Stroms wirdin Deutschland aus Kohle undErdgas erzeugt. Diese energiereichen Stoffe werden verbranntund die gewonnene Wärme inStrom umgewandelt.Ein weiterer großer Anteildes benötigten Stroms wirdaus Uran in Atomkraftwerkenherge stellt.Schau auf Seite 12 nach, wenndu mehr wissen willst.Unsere Vorräte an Kohle, Ölund Erdgas sind ein Energiespeicher, der sich in Millionenvon Jahren gebildet hat. Gemessen an einem Menschen-DieFachleutestreitendarüber, obKohle, Öl undGas in 20, 50 oder100 Jahren verbrauchtsein werden. Der Zeitpunktist allerdings gar nicht so wichtig.Die Wissenschaftlerinnen und Wis senschaftler müssen nach neuenEnergiequellen suchen, bevor dieheute genutzten ganz aufgebrauchtsind.leben dauert es viel zu lang, bisdiese Brennstoffe wieder entste hen – deshalb nennen wir sie„nicht erneuerbare“ Energien.Zu den „erneuerbaren Energien“zählen Biomasse – die wir ausschnell nachwachsenden Pflanzen gewinnen – und Sonne,Wind und Wasser. Mit Son nenstrahlen können Solarkraftwerke betrieben werden, derWind treibt Windräder an unddie Bewegung des Wassers kannebenfalls zur Stromerzeugunggenutzt werden.5

Das Atom – unbekannt und überallExperiment: Bau dir einAtommodellWas brauchst du? etwa 50 Zentimetersteifen Draht 1 Stück Knete 1 Teller 1 Gabel oder Stöckchen 6 Esslöffel fertige Seifenblasen-Lösung oder3 Esslöffel dickflüssigesSpülmittel und 3 EsslöffelWasser, selbst angerührt6Ihr könnt das einzelne Atom mitbloßem Auge nicht sehen, weil esviel zu klein ist. Diese winzigenDinger in meinem Bauch könnennoch weitere fünf Milliarden JahreEnergie liefern. Da ich die Energieaus Atomkernen gewinne, sprichtman von “Kernenergie”.Wie wird’s gemacht?Biege den Draht zu einerSchlinge, im Durchmesser etwaskleiner als dein Teller.Forme die Knete zu einer Kugel,sie stellt den „Atomkern“ dar.Gieße die Seifenlauge in denTeller und mische sie mit derGabel gründlich durch:Setze den „Atomkern“ in dieMitte des Tellers.Lege die Drahtschlinge um den„Atomkern“ ins Seifenwasser,bewege sie etwas hin und herund ziehe die Schlinge hoch:es entsteht eine Seifenblase überdem „Atomkern“.

Das Atom – unbekannt und überallLange glaubten die Menschen, unsere gesamteUmwelt setze sich aus den Elementen Erde, Feuer, Wasser undLuft zusammen. Heute wissenwir, winzige Bausteine, dieAtome, bilden alles, was unsumgibt: Erde und Steine, Tiere,Pflanzen und Menschen, diePlaneten und die Sterne. EinAtom kannst du dir vorstellenwie einen Pfirsich: Es besitztebenfalls einen Kern – denAtomkern. Die Außenhaut desPfirsichs stellt die Oberflächedar, auf der sich die sogenannten Elektronen bewegen.Auch die Sonne besteht ausAtomen. In ihrem Innerenherrscht eine unvorstellbareHitze von 15 Millionen Grad,das ist eine 15 mit sechsNullen! Ein Backofen schafftgerade einmal 300 Grad!Die Atome in der Sonne legenbei dieser Temperatur ihre„Pfirsichhülle“ aus Elektronenab. Forscher sprechen jetzt voneinem „Plasma“.In einem Plasma bewegen sichdie Atomkerne sehr schnell undstoßen dabei zufällig zusammen. Manchmal verschmelzensie zu einem neuen, größerenKern. Bei dieser Verschmelzung– oder Fusion – wird einegewaltige Menge Energieerzeugt. Auf diese Weise stelltdie Sonne seit 4,5 MilliardenJahren Energie her. Das IPPKannst du nun den Aufbau eines Atomsmit deinen Worten beschreiben?Hier ist Fantasie gefragt!Atome bestehen vor allemaus sehr viel Leere:Wäre der Atomkern sogroß wie ein Tennisball, würde sichdas Elektron in einem Abstand vonetwa zwei Kilometern davon bewegen! Dazwischen ist – nichts!will die Sonne nachahmenund untersuchen, wie man ausbestimmten Atomen Energiegewinnen kann. Ein Sonnenkraftwerk auf der Erde!WasserstoffatomAuf Seite 12 findest duTipps, wie du dir alles nochbesser vorstellen kannst.7

Magnetismus – die geheimnisvolle KraftExperiment: Du baust direinen MagnetenWas brauchst du? 1,5 Volt-Batterie 1 Meter isolierten Kupferdraht,ca. 1 Millimeter Durchmesser 1 Eisennagel,etwa 10 Zentimeter lang und2 Millimeter dick Sandpapier einige Büroklammern oderStecknadelnStell’ dir einen Rettungsring vor,der aus für dich unsichtbarenMagnetfeldlinien geformt ist. Indiesem Rettungsring bewegen sichheiße Atomkerne und Elektronen undkönnen nicht entwischen!Wie wird’s gemacht?Wickle den Draht in 60 bis 70engen Windungen gleichmäßigum den Nagel, lasse an denEnden jeweils 10 ZentimeterDraht stehen.Reibe die Drahtenden aufSandpapier, bis etwa einZentimeter rundum glänzt.Halte je ein blankes Ende festan die Pole der Batterie, damitder Strom fließt und tauche dieSpitze des Nagels in die Büroklammern oder Stecknadeln.Achtung:Niemals mit Stromaus der Steckdose experimentieren!Verwende für Versuche nur Batterien mitniedriger Spannung bis etwa 4,5 Volt.8

Magnetismus – die geheimnisvolle KraftDWas hast dubeobachtet?ie magnetische Kraft istgeheimnisvoll. Du kannstsie weder fühlen, hören, riechen,schmecken noch direkt sehen –aber du kannst ihre Wirkungmit kleinen, feinen Eisenspänensichtbar machen: Sie richtensich im Magnetfeld in Linienaus, die Magnetfeldliniengenannt werden.Warum denkst dupassiert das?Magnete haben immer zweiSeiten, die Nord- und Südpolgenannt werden und von denendie Magnetfeldlinien ausgehen.Metalle wie Eisen, Cobalt oderNickel besitzen magnetischeEigenschaften, aus ihnenwerden Dauermagnete gemacht.Die Erklärungen findest duauf Seite 12.In der riesengroßen Sonnewerden die Atome von ihremeigenen Gewicht zusammengehalten. Für ein SonnenkraftwerkMit elektrischem Strom kannebenfalls Magnetismus erzeugtwerden. Wichtigster Bestandteileines solchen Elektromagnetenist eine Spule. Sie bestehtin ihrer einfachsten Form auseinem festen Körper und einemMetalldraht,der darumgewickelt ist.Verbindet man dieDrahtenden mit einerBatterie, fließt der Strom durchden Draht und erzeugt dabeiein Magnetfeld.Das Fusionsexperiment ASDEXUpgrade im IPP besitzt 16Spulen, die Anlage Wendelstein 7-X hat 50 Spulen. Zusammen wiegen sie so viel wie400 Autos! Die Spulen sind soangeordnet, dass ihre Magnetfeldlinien einen geschlossenen,ringförmigen Käfig bilden.Denn nicht nur Eisenspänerichten sich im Magnetfeld aus,sondern auch Atomkerne undElektronen eines Plasmas. Dasist einfach ein Naturgesetz!auf der Erde haben sich Physikerinnen und Physiker etwasSchlaues ausgedacht. Sie nutzendie magnetische Kraft.9

Strom aus Fusion – wie geht das?Experiment: Fusion derWassertropfenIch glaube, dass es eines Tages einFusionskraftwerk geben wird. Wie altwirst du im Jahr 2050 sein?Was brauchst du? CD-Hülle oder1 wertlose CD Sprühflasche für Wasser Bleistift oder ZahnstocherWie wird’s gemacht?Fülle ein wenig Wasser in dieSprühflasche.Lege die CD mit der schimmernden Seite nach oben aufeine wasserfeste Unterlage undsprühe ein wenig Wasser darauf.Halte die CD etwas schräg,tauche den Stift in einenTropfen und ziehe ihn aufder Oberfläche der CD zumnächsten Tropfen.Und weiter geht’s mit demnächsten Tropfen Was hast du beobachtet?Schau auf Seite 12 nach, wo du dieseBeobachtungen noch machen kannst.10