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Energiegewinnung : Schwarze Löcher als Energiequelle

Beim Umsetzen von Masse in Energie sind Schwarze Löcher wahre Meister der Effizienz. Ihr Wirkungsgrad ist unübertroffen.
The Unreasonable Efficiency of Black Holes

Veröffentlicht am: 31.12.2017

Laufzeit: 0:06:21

Sprache: englisch

Untertitel: englisch

Auf dem YouTube-Kanal Minute Physics finden Sie kurze, verständliche Erläuterungen physikalischer Phänomene und Konzepte im stile der On-the-fly-Animation.

Tierschützer und Katzenliebhaber können entspannt bleiben, keinem unserer pelzigen Begleiter geschieht in diesem Video ein Leid. Sie müssen nur als Rechenbeispiel herhalten. Vorausgesetzt, wir könnten Materie vollständig in Energie umwandeln: Wieviele Katzen benötigt man, um Norwegen ein Jahr lang mit Energie zu versorgen?

Wie dieses zeichnerisch sehr schön gestaltete Video auf dem YouTube-Kanal minutephysics ausführt, besitzt jede Art von chemischen und anderen Reaktionen einen so genannten Wirkungsgrad. Das Konzept dieser Größe bezog sich ursprünglich auf den Bau von Wärmekraftmaschinen, dort bezeichnet er das Verhältnis von hineingesteckter zu herausgeholter Energie. Je höher der Wirkungsgrad, desto mehr von der hineingesteckten Energie kommt auch wieder heraus – je effizienter zum Beispiel die Turbinen im Kraftwerk arbeiten, desto mehr elektrische Energie gewinnt man aus der chemischen Energie, die beim Verbrennen von Kohle frei wird.

Physikalisch ist das im Video alles völlig korrekt dargestellt. Was aber soll es bedeuten, dass Masse, die in ein Schwarzes Loch stürzt, mit einem Wirkungsgrad von 42 Prozent in Energie umgewandelt wird, wie es im Video heißt, während zum Beispiel ein modernes Kohlekraftwerk bis zu 45 Prozent erreicht? Und warum gilt ein Schwarzes Loch dennoch als effizienter bei der Energieumwandlung?

Im Video geht es um mehr als nur um chemische Reaktionen, bei denen ein Stoff in einen anderen umgesetzt wird. Vielmehr spricht es über Wirkungsgrade bei der direkten Umwandlung von Masse in Energie. Die findet nach Einstein bei allen Reaktionen statt, bei denen Energie umgesetzt wird – und etwa bei Kernreaktionen mit einem deutlich höheren Wirkungsgrad als bei chemischen Reaktionen. An die ungeheure Effizienz von Schwarzen Löchern aber, so minutephysics, reicht aber kein anderer Prozess heran.

Bei Kernreaktionen sind die vergleichsweise massereichen Bestandteile des Atomkerns im Spiel, nicht nur wie bei chemischen Reaktionen die sehr leichten Elektronen in der Atomhülle. Da bei den Teilchen in Atomkernen viel stärkere Kräfte wirken als bei den Elektronen, ist auch der Energieumsatz viel größer, und deshalb benötigt man auch entsprechend weniger Reaktionsmaterial. Die Fusion von nur einem Gramm Wasserstoff zu Helium, das ein klein wenig leichter ist als der Ausgangsstoff, erzeugt die gleiche thermische Energie wie gut zwölf Tonnen Steinkohle, die in einer chemischen Reaktion verbrannt werden.

Lässt man Materie in ein Schwarzes Loch stürzen, benötigt man sogar noch weniger Masse, um den gleichen Energieumsatz zu erzielen. Die immense Schwerkraft solcher Objekte beschleunigt Materie nämlich auf enorme Energien. Diese verliert sie durch Abstrahlung von Lichtquanten zum Teil wieder, bevor sie für immer hinter dem Ereignishorizont des Schwarzen Lochs verschwindet.

Interessanterweise ist Einsteins Relativitätstheorie selbst bei chemischen Reaktionen mit an Bord. Verbrennt man Kohle, lässt sie also mit Sauerstoff reagieren, ist das entstandene Kohlendioxid ein winziges bisschen leichter als die Summe der Ausgangsstoffe Kohlenstoff und Sauerstoff. Und genau diese winzige Massendifferenz wird beim Verbrennen als Energie frei.

Jetzt ist aber auch klar, warum man "Wirkungsgrade" von Schwarzen Löchern nicht mal so eben mit Wirkungsgraden aus der Kraftwerkstechnik vergleichen kann. Bei ersteren ist es die Masse der Materie, die gemäß E = mc2 in Energie umgewandelt wird. Bei letzteren ist es nur deren chemische Energie, die in eine andere Energieform überführt wird. Die Masse der Ausgangsstoffe hingegen bleibt im Fall chemischer Reaktionen fast vollständig erhalten.

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