Wärmestrahlung: die Energie der Zukunft

Die Energie der Zukunft liegt, so banal es klingen mag, in der Nutzung der Umweltwärme.

 

Energie, die sich im Kreise bewegt

Wie das Wasser in der Natur einen geschlossenen Kreislauf durchläuft, so gibt es auch für die Wärmeenergie einen geschlossenen Kreislauf. Und wie Wasser in seinem flüssigen und festen Zustand nur von „oben“ nach „unten“ fließen kann, so kann Wärmeenergie im Zustand der Molekularschwingungen nur von „warm“ nach „kalt“ fließen.

Aber wie Wasser im dampfförmigen Zustand auch von unten nach oben aufsteigen kann und so erst einen Kreislauf ermöglicht, so kann auch Wärmeenergie, sobald sie sich als Wärmestrahlung äußert, von einem kälteren zu einem wärmeren Körper gelangen, und zwar spontan und ohne künstliches Zutun.

Daraus ergibt sich eine wichtige Möglichkeit für den Menschen, diesen Energiekreislauf anzuzapfen und seinen Nutzen daraus zu ziehen. Dabei ändert sich im Prinzip nichts am natürlichen Kreislauf. Beim Wasser verpufft die potentielle Energie in Wärme, wenn es vom Berg bis ins Meer fließt, und zwar unabhängig davon, ob der Mensch diese Energie nutzt oder nicht. Auch wenn der Mensch die Energie des Wassers vorerst in Elektrizität umwandelt, so endet diese schließlich doch in Wärme.

Bei der Wärmestrahlung geht es ähnlich zu: sie wird in Bewegungswärme umgewandelt, unabhängig davon, ob der Mensch in der Lage ist, diese zu nutzen oder nicht.

 

Wärmestrahlung gehorcht den Gesetzen der Optik

Wärmestrahlung ist bekanntlich ein Teil der elektromagnetischen Strahlung, genau wie das sichtbare Licht, und sie gehorcht als solche den Gesetzen der Optik. Sie kann abgelenkt, mit Linsen oder Spiegeln gesammelt und gebündelt werden. Somit stehen dem Menschen für die Beeinflussung der Wärmestrahlung die gleichen Mittel zur Verfügung wie für die Beeinflussung des sichtbaren Lichtes. Bisher ist diese Möglichkeit aber nicht oder doch nur in sehr geringem Maße genutzt worden.

 

Jeder Körper strahlt Wärme ab

Als Quelle für die Wärmestrahlung kann praktisch jeder Körper genutzt werden, und zwar schon bei Umgebungstemperatur. Es ist also keine Energiezufuhr von außen erforderlich: jeder Körper mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt sendet, in Abhängigkeit von seiner Temperatur und von seiner Oberflächenbeschaffenheit, Wärmestrahlung aus, die eingefangen und genutzt werden könnte.

 

Wärmeenergie in Körpern ist „chaotische“ Bewegung der Moleküle

Wärmeenergie ist „chaotische“ Bewegung der Moleküle. Am absoluten Nullpunkt (0K) befinden sich alle Moleküle in Ruhe, die Wärmeenergie ist gleich Null. Mit zunehmender Temperatur steigt die Wärmeenergie, und folglich die Geschwindigkeit und der Umfang der Bewegung der Moleküle. Zwei benachbarte Moleküle neigen dazu, gleich stark zu schwingen. Falls eines der beiden sich stärker bewegt als das Nachbarmolekül, gibt das stärker angeregte Molekül einen Teil seiner Energie an das trägere Nachbarmolekül ab, und zwar so lange, bis beide in etwa gleich stark schwingen. Dies ist die Wärmeübertragung durch Berührung. Meist unterscheidet man bei dieser Art der Wärmeübertragung zwischen direkter Übertragung von einem Festkörper zu einem anderen über die beiden Oberflächen, und der Wärmeübertragung durch Konvektion, also mittels eines flüssigen oder gasförmigen Körpers. In Wirklichkeit handelt es sich bei der Konvektion eigentlich um zwei in Reihe geschaltete direkte Übertragungen, einmal vom ersten Festkörper zum flüssigen oder gasförmigen Körper, dann vom flüssigen oder gasförmigen Körper zum zweiten Festkörper.

Falls zwischen zwei Körpern weder direkter Kontakt (Berührung der Oberflächen) noch ein Kontakt über einen flüssigen oder gasförmigen Körper besteht, ist keine Übertragung von Wärme zwischen den beiden Körpern auf dem Weg der Berührung möglich.

Gekennzeichnet ist diese Art von Übertragung dadurch, dass nur eine Übertragung vom wärmeren zum kälteren Körper möglich ist.

 

An der Oberfläche der Körper erzeugt diese Bewegung Strahlung

Das Vorhandensein von Wärmeenergie in einem Körper äußert sich aber noch auf eine zweite Art: je nach Material und Oberflächenbeschaffenheit des Körpers erzeugt die Bewegung der Moleküle an der Oberfläche eine Wärmestrahlung. Es handelt sich dabei um elektromagnetische Strahlung. Die Frequenz dieser Strahlung hängt vom Material ab, aber vor allem von der Oberflächenbeschaffenheit des Körpers. Schwarze oder graue Strahler haben die Eigenschaft, dass sie auf dem gesamten Frequenzspektrum (UV bis Infrarot) strahlen. Es gibt aber auch Körper, die auf einer bestimmten Frequenz besonders stark strahlen. Man kann in diesem Fall von einer Farbprävalenz sprechen. Falls die Abstrahlung nur genau auf einer Frequenz erfolgt, spricht man von monochromatischer Strahlung. Die Intensität der Strahlung ist proportional der Temperatur des Körpers. Mit zunehmender Temperatur verschiebt sich das Maximum der abgestrahlten Energie von niedrigeren Frequenzen (im Infrarotbereich) zu höheren Frequenzen (in den Bereich des sichtbaren Lichtes oder in den noch kurzwelligeren UV- und Röntgenbereich).

 

Strahlung braucht kein Medium für ihre Ausbreitung

Kennzeichnende Eigenschaft der Wärmestrahlung ist, dass sie, ebenso wie alle anderen elektromagnetischen Wellen (etwa Licht- und Röntgenstrahlen) für ihre Übertragung kein Medium benötigt. Im Gegenteil erfolgt ihre Ausbreitung am störungsfreisten im Vakuum.

Wenn Wärmestrahlung auf einen anderen Körper auftrifft, so gibt es im Prinzip drei Möglichkeiten: 1. Die Strahlung wird absorbiert, das heißt, aufgesaugt, und die in der Strahlung enthaltene Energie geht auf die Moleküle des Empfängers über, wodurch dieser erwärmt wird; 2. die Strahlung wird reflektiert, d. h. umgelenkt und direkt vom Aufschlagpunkt wieder abgestrahlt. In diesem Fall bleibt die Strahlungsenergie erhalten und verlässt die Oberfläche des Körpers in einer anderen Richtung; 3. die Strahlung kann den Körper durchdringen. In diesem Fall dringt der Strahl durch den Körper hindurch und verlässt diesen an einer anderen Stelle der Oberfläche wieder. Bei diesem Vorgang kann der Strahlengang mehr oder weniger stark gebeugt werden, das heißt, seine Richtung ändert sich. Diese drei Fälle sind Extremfälle. In der Natur kommt immer eine Mischung aller drei Vorgänge vor, wobei meist einer der drei Vorgänge überwiegt.

 

Abgestrahlte Energie muss ersetzt werden, sonst kühlt der Körper ab

Natürlich muss die von einem Körper in Form von Wärmestrahlung abgegebene Energie  durch neue Energie ersetzt werden, damit das Gleichgewicht (seine Temperatur) erhalten bleibt. Dies kann dadurch geschehen, dass der Körper  die gleiche Menge Wärmestrahlung aus der Umgebung einfängt, die entweder von anderen Körpern stammen kann, oder einfach von der Umgebung reflektiert wird. Falls weniger Wärmestrahlung auf dem Körper auftrifft und von diesem absorbiert wird, als er seinerseits abstrahlt, dann entsteht im Körper selbst ein „Energiedefizit“, und er kühlt sich gegenüber seiner Umgebung ab. Damit wird er in die Lage versetzt, Wärmeenergie über die Berührung oder über Konvektion aufzunehmen, womit sich das Gleichgewicht annähernd wieder einstellt. Umgekehrt kann es natürlich auch der Fall sein, dass ein Körper mehr Wärmestrahlung aufnimmt, als er in der Lage ist, selbst abzustrahlen. In diesem Fall wird er sich erwärmen und so in die Lage versetzt, Berührungswärme an die nun kältere Umgebung abzugeben. Im (annähernden) Vakuum, wie es grob gesehen auch das Weltall darstellt, ist die Wärmeübertragung durch Berührung und Konvektion nur sehr gering, und der einzige Weg der Energieübertragung von einem Körper zu einem anderen ist die Strahlung. Deshalb treten im Weltall auch sehr hohe Temperaturunterschiede und -gradienten auf.

 

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