NASA

Ein Käsesystem, in dem sich die Welt um einen großen Klotz Käse dreht. Klingt komisch, Käse geht aber immer.

Es muss wieder mehr Beiträge geben. Und wieder mehr Quatsch! Und natürlich mehr physikBlog. In diesem Sinne: Projekt Quantitätsoffensive im physikBlog ist initialisiert!

Starten wollen wir mit einem Gedanken, den vermutlich alle von euch schonmal beim Käsefondue an Silvester gehabt haben: Was wäre, wenn wir die ganzen vielen kleinen Kalorien mal für etwas sinnvolles nutzen würden und unser Sonnensystem mit einem Kubiklichtjahr¹ Käse betreiben? Also nach dem Motto »Käse statt Sonne!«²
Mike Hoye hat sich das auch gefragt und in seinem Blog mal ein bisschen rumgerechnet. Und weil das so schön passt, hier das Vollzitat:

According to Wolfram Alpha, there are 2.9 x 10^6 dietary calories in a cubic meter of cheese, 142829% of your recommended daily caloric intake.

Furthermore, there are 8.468×10^47 cubic meters in a cubic light year. From this, we can conclude that there are 2.455 x 10^54 dietary calories in a cubic light year of cheese.

According to NASA the sun produces 3.8 x 10^33 ergs/sec or roughly 3.8 x 10^26 joules/sec. Over the course of a year that adds up to approximately 6.065 x 10^37 joules of energy.

One dietary calorie or “kilocalorie” equals about 4180 joules. Doing the math we conclude it will take 1.7 x 10^20 years for our sun to generate the same amount of energy as a cubic light year of cheese.

Be warned, however, that at 977 kilograms per cubic meter, or 8.27 × 10^50 kilograms per cubic light year, the Schwarzchild Radius of a cubic light year of cheese would be 1.23 × 10^24 meters, significantly greater than the 9.46 x 10^15 meters in a light year. From this we can conclude that a cubic light year of cheese, should that somehow manifest itself, will immediately collapse into a black hole.

So while you would think a cubic light year of cheese would be the obvious choice over the sun, if you are presented with a choice between them, the numbers suggest you would be far better off choosing the sun.

These numbers assume cheese of approximately constant density. Swiss cheeses require much more sophisticated modelling.

(via nerdcore)

Solltet ihr bei der Silvesterknallerei dann auf den Gedanken kommen, dass man das ganze ja auch mit Sprengstoff machen könnte: klar. Ihr braucht nur 2,4 · 10⁴⁴ Tonnen TNT, um die gleiche Energiemenge produzieren zu können wie ein Kubiklichtjahr Käse. Das entspricht dann einer Kugel mit einem Durchmesser von 0,07 Lichtjahren. Immerhin etwas kompakter als der Käse.

1. Das ist zwar etwas größer als die Ausdehnung des Sonnensystems, aber die Zahl ist so schön rund…
2. Oder auch: »Sag JA zur Käsesonne!«

OSUBeaver13

Der physikBlog-Adventskalender 2011 (Codename pB.AK.2011) beschäftigt sich mit tollen Konstanten, Einheiten und Zahlen.

Traditionell versüßt das physikBlog euch die letzten vierundzwanzig Tage vor dem Weihnachtsfest mit einem Adventskalender. Dieses Jahr gab’s von uns pro Tag einen Beitrag auf Facebook, in dem wir euch Konstanten, Einheiten und interessante Zahlen vorgestellt haben, die von komplexen Algorithmen aus der Schweiz ausgewählt wurden.

Weil wir total für Befreiung sind, haben wir unsere Beiträge aus den Klauen des Facebookkraken geholt und sie hier zusammengefasst. Damit auch die Aquarier etwas davon haben, wenn sie am 21.12.2012 auf die Erde zurückkommen werden und als erstes Facebook vernichten.

Inhaltsverzeichnis:
01. 02. 03. 04. 05. 06. 07. 08. 09. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24.

1. Dezember: T₀ – Absoluter Nullpunkt

T₀= 0 K = -273,15 °C ist die tiefste Temperatur, die man sich so denken kann. In der Nähe dieser Temperatur findet keine Bewegung mehr von Molekülen statt und alles ist ruhig. Selbst Katzenbabys halten hier für das Foto still.
T₀ kann prinzipiell nicht erzeugt werden (selbst der Grundzustand von Atomen hat noch Energie), aber man kann sich immer weiter annähern. Die minimalste, von Menschenhand erzeugte Temperatur ist im Moment 0,0000000001 K (100 Picokelvin). [↫]

2. Dezember: AE / pc – Astronomische Einheit / Parsec

1 AE = 149 597 870 691 m. Die krumme Zahl ist die »astronomische Einheit« und kommt zustande, weil es ungefähr der 4000-fache Äquatorumfang der Erde ist. Nein, Quatsch. Das ist der mittlere Abstand zwischen Erde und Sonne.
Dass man die AE nutzt klingt erstmal ziemlich bekloppt, ist aber für allerlei Entfernungsangaben in unserem Sonnensystem recht praktisch. So kann man sich z.B. gut vorstellen, wie weit der Jupiter im Mittel von der Sonne entfernt ist. Nämlich 5,2 AE.

Möchte man zum Café am Ende des Universums, dann reicht die AE nicht mehr aus. Das gibt nur unnötige Papierverschwendung im Reiseführer. Man nimmt dann eher ein »Parsec«: 1 pc = 0,857 · 10¹⁵ m.
Oder in vorstellbar: Stellt euch eine Weltraumkatze vor (die grünen, nicht die blauen; die blauen sehen so ungesund aus), die ganz weit von der Erde entfernt ist. Ihr Blick ist auf die Sonne gerichtet. Wenn sie sich jetzt um eine Bogensekunde (der 3600. Teil eines Grads) drehen muss, damit ihr Blick zur Erde gerichtet ist, ist sie ein Parsec von hier entfernt.
Mit anderen Worten: ein Parsec ist der Abstand, bei dem eine Astronomische Einheit eine Bogensekunde einnimmt.

Crazy, was?
(Dieses physikBlog, ne? Verlässt schon am zweiten Tag die Konstanten und geht zu Einheiten über. Diese Hipster.) [↫]

3. Dezember: G₆₄ – Grahams Zahl

G₆₄ bezeichnet die Zahl, die ganz allein Ronald Graham gehört. Sie ist die größte, jemals in einem mathematischen Beweis verwandte Zahl. Sie ist sogar größer als 3 (und 4!). Und sie ist vor allem eins: ziemlich bekloppt zum Vorstellen!

Graham wurde eines Morgens wach, hatte ein Jucken im Zeh und dachte sich: »Hey, mein Kind spielt immer mit einem n-dimensionalen Hyperwürfel, bei dem alle Kanten entweder rot oder blau sind. Ob man darin wohl einen Teilgraphen in einer euklidschen Ebene finden kann, in dem alle sechs Verbindungen der Ecken [Anm.: die Diagonalen sind auch Verbindungen] die gleiche Farbe haben?« Es galt das kleinste n zu bestimmen, für das diese Frage bejaht werden kann.

Und das gilt es immer noch, denn bisher hat man nur Grenzen gefunden. Die grahamsche Zahl ist eine davon, eine obere, um genau zu sein.
Sie ist so groß, dass man sich erstmal eine Methode ausdenken muss, mit der man sie überhaupt darstellen kann. Prinzipiell geht’s dann darum, Potenzen von 3en rekursiv auszudrücken. Man beginnt mit 3^3, was man noch mit dem Taschenrechner locker auf 27 bringt. Weiter geht’s mit 3^^3, was 3^(3^3) entspricht. Ein etwas größerer Taschenrechner rechnet das zu 7625597484987 um. 3^^^3 ist dann 3^^(3^^3). Und schon hat euer Taschenrechner Probleme.
Und Grahams Zahl? G₆₄ = 3^^…^^3, wobei das ^-Zeichen so oft da steht, wie die Zahl groß ist, die aus G₆₃ kommt. Und G₆₃ hat das ^-Zeichen G₆₂-mal da stehen. Das geht runter bis zu G₁, wo mit 3^^^^3 unsere lustige Reihe beginnt.
Nur mal so: würde jede Ziffer von G₆₄ das kleinste physikalisch sinnvolle Volumen (Planck-Volumen) besetzen, unser Universum wäre immer noch zu klein für die Zahl.

Vielleicht habt ihr jetzt eine ungefähre Vorstellung, WIE groß G₆₄ ist. [↫]

4. Dezember: e – Elementarladung

e = q₀ = 1,602·10^-19 C ist die elektrische Elementarladung. Es ist die kleinste Ladungseinheit, die in freier Wildbahn vorkommt und wird z.B. von einem Elektron getragen.
Mit der elektrische Ladung verbindet man vielleicht spontan erstmal den Strom aus der Steckdose, aber sie spielt eine noch viel grundlegendere Rolle: sie ist der Grund, dass die elektromagnetische Kraft funktioniert. Und die ist ja bekanntermaßen eher eine wichtige Kraft (mindestens die viertwichtigste!): Sie sorgt für Interkation in und mit Atomen und lässt schließlich aus Atomen Moleküle entstehen. Und weil das Photon ihr Austauschteilchen ist, ist die elektromagnetische Kraft auch für das Licht zuständig. Ohne sie würde der Tisch kein Tisch bleiben, wenn ihr mal wieder mit dem Kopf drauf haut, sondern Kopf und Tisch würden verschmelzen¹.
Ist also schon ganz praktisch, diese Elementarladung.

Bonustrack: Teilchenphysiker wissen natürlich, dass es auch Teilchen mit krummer Ladung gibt, nämlich die Quarks. Die haben ⅓-Einheiten der elektrischen Ladung, kommen aber nicht alleine (»nackt«) in der Natur vor, sondern nur in Kombinationszuständen. Der bekannteste von ihnen: Das Proton. Und da sind wir dann auch wieder bei einer ganzzahligen Ladung und das Universum ist gerettet. Puh. [↫]

5. Dezember: S₀ – Solarkonstante

S₀ = 1367 W/m² bezeichnet die Solarkonstante. Das ist der Wert, mit dem die Erde von der Sonne mit Energie bestrahlt wird (daher auch manchmal S₀ = E₀). Um es genau zu nehmen: Pro Sekunde treffen auf ein Quadratmeter Erde 1,3 kJ Energiephotonen (Pew, pew, pew!). Man mittelt dabei über den wechselnden Erde-Sonne-Abstand (ändert eh nicht viel) und lässt der Einfachheit halber Atmosphäreneffekte außen vor.
Bei gutem Wetter und dem physikBlog-Idealenergieumwandler™ könntet ihr euren Fön an euren Heimatquadratmeter anschließen und euch den lieben langen Tag fönen. Ein Traum wird wahr.
Nimmt man den Wert der Solarkonstante und multipliziert ihn mit einer halben Erdkugel, stellt man fest, dass ca. 174 Petawatt Sonnenlicht die Erde beglücken. Mehr als 10.000 Mal soviel, wie die Menschheit momentan Energie verbrauchen.

Übrigens ist das längst nicht alles, was von der Sonne auf die Erde kommt. Dabei sind z.B. auch ganz viele Protonen, die die Atmosphäre so lustig zum Leuchten bringen. Oder Neutrinos… etwa 100 Milliarden pro Sekunde und Quadratzentimeter. Aber keine Angst, die sind harmlos. Die wollen nur spielen. [↫]

6. Dezember: c₀ – Lichtgeschwindigkeit

c₀= 299 792 458 m/s. Oder 3 · 10⁸ m/s. Oder 300 000 km/s. Wir sind da flexibel.
Jedenfalls: Mit dieser Geschwindigkeit bewegt sich Licht im Vakuum fort. Immer mit c₀. Egal ob man eine Taschenlampe im Bett einschaltet oder auf einer Rakete das Fernlicht – addiert wird da nichts. Die Lichtgeschwindigkeit ist konstant. Und nichts ist schneller als das Licht².
Überlegt hat sich das vor ein paar Jahren Onkel Einstein in seiner speziellen Relativitätstheorie.
Was viele nicht wissen: Das gilt für’s Vakuum. Bewegt sich Licht in anderen Materien (Glas, Wasser, Katzen), findet man durchaus andere Teilchen, die sich dann schneller bewegen als das Licht in diesen Medien. Die senden dann eine spezielle Art von Licht, nämlich Tscherenkow-Licht, ab. Ist ziemlich gut vergleichbar mit dem Überschallknall von Flugzeugen.
Fun fact: Der Wert der Lichtgeschindigkeit wurde festgesetzt. Warum, wie, weshalb und wofür, das erfahrt ihr morgen. [↫]

7. Dezember: m – Meter

1 m. m, wie Meter, maskulinum. Das ist eine SI-Einheit, also so ein Grunddings, auf das alle anderen Einheiten aufbauen.
Ein Meter ist definiert als der Weg, den das Licht (siehe gestern) im Vakuum in einem 299 792 458sten Teil einer Sekunde zurücklegt. Das hat man 1983 so festgelegt, damit man nicht irgendwelche Urmeter als Referenz hat, deren Länge sich mit der Zeit ändern oder die gar kaputt gehen, weil die Hauseule sie vom Tisch wirft. Das Urmeter selber wurde 1793 in Frankreich festgelegt und ist der zehnmillionste Teil der Strecke vom Äquator zum Pol. An diesem Wert hat sich bis heute vom Ziel her auch nicht’s geändert, einzig die Art und Weise, wie das eine Meter definiert ist, wurde modernisiert und von der (veränderlichen) Referenzgröße entkoppelt.

Da der Meter über die Lichtgeschwindigkeit definiert ist, ändert eine genauere Vermessung der Lichtgeschwindigkeit nicht diese, sondern den Wert des Meters. Tricky, was? (Aber wir sprechen hier von kleinen Veränderungen. Der Weg zur Mensa bleibt da leider gleich. Sorry.) [↫]

8. Dezember: Φ – Goldener Schnitt

Φ ≈ 1,618. Aber um genau zu sein: Φ = (1+√5)/2. Das ist der goldene Schnitt, vielleicht die coolste Zahl unserer Reihe, mit Sicherheit allerdings eine riesige Verschwörung.

Wir könnten ganze Facebooks über die Herausragendheit dieser Zahl füllen, daher hier nur die wichtigsten und coolsten Fakten dazu.

Zwei Zahlen stehen im Verhältnis des goldenen Schnitts zueinander, wenn sich die kleine so zur großen verhält, wie die Summe der beiden Zahlen zur großen. Entsprechend strebt das Verhältnis zweier aufeinander folgender Zahlen der Fibonacci-Reihe (»Die nächste Zahl ist die Summe der aktuellen und der vorherigen Zahl.«) auch immer mehr zum Wert des goldenen Schnitts.
Dinge, die im goldenen Schnitt angeordnet sind, gelten allgemein als ästhetisch. In der Fotografie setzt man Objekte häufig nach der Regel des goldenen Schnitts ins Bild und Gemälde sind oft (und oft unabsichtlich) ungefähr anhand des goldenen Schnitts aufgeteilt – man findet ihn z.B. haufenweise in der Mona Lisa. Ja, sogar euer 16:10-Bildschirm hat goldschnittige Seitenverhältnisse!
Auch in der Natur kommt der goldene Schnitt vor, wie Schneckengehäuse im Garten: Bei Tannenzapfen, Blüten, Rosen… Er ist überall. Und er ist immer. Mindestens schon seit 2300 Jahren macht er die Verhältnisse unsicher.

Der goldene Schnitt kann also eigentlich gar nichts anderes sein, als eine riesige Verschwörung. 1,6-Mal so groß wie die Mondverschwörung. Mindestens. [↫]

9. Dezember: N_A – Avogadro-Konstante

N_A = 6,022 · 10²³/mol. Die Avogadro-Konstante. Sie gibt an, wieviel Atome oder Moleküle sich in der Stoffmenge befinden, die man »Mol« nennt. Linda de-? Nein. Das ist nur eine seltsame, chemische Maßeinheit³.

Würde man sagen, man hat ein Mol Katzen im Haus, dann bräuchte man ein ziemlich großes Haus. Nämlich eins für ca. 602 Trilliarden Katzen! Warum sollte man sich also so eine bekloppte Zahl merken? So viele Katzen gibt’s doch gar nicht⁴!
Aber Katzen sind keine Atome (ooh!). Atome sind kleiner. Und im atomaren Bereich sind 10²³ gar nicht mehr so viel.
Packt man nämlich 6,022 · 10²³ Kohlenstoff-12-Atome in den Futternapf, hat man zum einen ein Mol und das ist im Grundzustand exakt 12 Gramm schwer. Exakt deshalb, weil N_A entsprechend so definiert ist, dass das so schön aufgeht.

In diesem Zusammenhang sei auch noch die atomare Masseneinheit u erwähnt, wobei 1 u = 1,661 · 10^-27 kg ist. Das ist zufälligerweise genau 1/12 der Masse eines Kohlenstoff-12-Atoms. Oder näherungsweise etwa soviel, wie ein Proton oder Neutron wiegt. Wenn ihr also einen Atomkern mit 16 Kernbausteinen habt, ist der etwa 16 u schwer.

Merkt ihr was? Kohlenstoff-12. Überall. Auch in euch! Und allen anderen organischen Verbindungen. Schon wieder so eine Verschwörung… [↫]

10. Dezember: Lj – Lichtjahr

1 Lj = 9,461 · 10¹⁵ m. Das Lichtjahr. Steht nicht im Zeichen des Hasens. Ist auch nichts Esoterisches. Nein, nein. Das Lichtjahr ist die Entfernung, die Licht innerhalb eines Jahres zurück legt.
Intuitive Benennung, was? Immerhin ist es logisch, wenn man sich die Erklärung dazu ins Gewissen ruft. Trotzdem führt es häufig dazu, dass besonders lange Zeiträume mit Lichtjahren beschrieben werden. Das wäre dann aber so, wie »mein Panda ist fünf Meter alt«.

Die Einheit des Lichtjahres hat aber trotzdem ihre Daseinsberechtigung. Wer würde sich z.B. merken können, dass unsere Galaxie⁵ einen Durchmesser von ca. 900 Exameter hat? Eben. 100 000 Lichtjahre klingt gleich viel besser. Und man weiß auch direkt, wie lange das Licht für eine Durchquerung braucht.

Kleinere Zeiteinheiten mit »Licht« gibt’s auch. Zum Beispiel die Lichtsekunde: Die Strecke, die das Licht in einer Sekunde zurücklegt. Wer im Adventskalender aufgepasst hat, weiß, wieviel das ist – nämlich etwa 300 000 km. Von der Erde bis zum Mond sind es demnach etwas über eine Lichtsekunde (1,3 Ls im Mittel).

Übrigens: 1 Lj = 0,3 Parsec. Ist also ziemlich ähnlich, wobei Parsec im wissenschaftlichen Umfeld eher genutzt wird. Aber das dauert immer so lange zum Erklären. [↫]

11. Dezember: Googol

1 Googol = 10000 00000 00000 00000 00000 00000 00000 00000 00000 00000 00000 000000 00000 00000 00000 00000 00000 00000 00000 00000 = 10¹⁰⁰. Eine Eins, gefolgt von 100 Nullen. Man könnte nach deutscher Nomenklatur von Zahlen auch zehn Sexdezilliarden dazu sagen, damit verschreckt man aber nur Nachbars Katze.

Im Gegensatz zu Grahams Zahl kann man sich das Googol noch halbwegs vorstellen, auch wenn es schon größer ist, als alle Atome im sichtbaren Universum (~10⁸⁰). Dafür braucht man also nicht erst das Konstrukt von Grahams Zahl. Sollte man doch mal etwas haben, wofür das Googol noch nicht ausreicht, kann man es auch erweitern: 10^Googol ist ein Googolplex, 10^Googolplex ist ein Googolplexplex und so weiter. Das Googol ist also ein bisschen wie ein erfolgreiches Gesellschaftsspiel.

Der Begriff stammt aber nicht aus der Unterhaltungsindustrie sondern wurde vom Neffen des Mathematikers Kassner erfunden. Sechzig Jahre später adaptierte eine Suchmaschine ihn – als Ansage, wieviele Ergebnisse man plane, in den Index aufzunehmen. Davon sind sie aber noch ein bisschen entfernt. [↫]

12. Dezember: H₀ – Hubble-Konstante

H₀ ≈ 70 km/(s · Mpc). Die Hubble-Konstante. Eine unscheinbare Zahl, aber ziemlich entscheidend im Verständnis darum, wie unser Universum funktioniert – beschreibt sie doch die Expansionsrate des Universums.

Dass das Universum expandiert weiß man, weil das Licht entfernter Sterne rötlicher erscheint, als man es erwarten würde. Die Verschiebung ins Rote ist wie der akustische Dopplereffekt⁶, nur eben für Licht. Er deutet darauf hin, dass sich diese röteren Sterne von uns wegbewegen, und zwar umso stärker, je weiter sie von uns entfernt sind.
Die heute gebräuchliche Erklärung dafür ist, dass sich alles im Universum auseinander bewegt⁷. Und wie schnell es das tut, beschreibt die Hubble-Konstante, die vom Astronom Edwin Hubble erstmals sinnvoll eingeführt wurde.

Übrigens ist eine direkte Konsequenz aus der Expansion, dass das Universum irgendwann einmal⁸ in einem Punkt komprimiert gewesen sein muss. Tadaaa: Urknall! [↫]

13. Dezember: e – Eulersche Zahl

e = 2,718281828459… . Die Eulersche Zahl. Hat nichts mit Eulen zu tun, sondern mit Leonhard Euler. Ist trotzdem ziemlich knuffig, wenn es um exponentielle Rechnungen geht. Sie bildet nämlich die Grundlage der Exponentialfunktion f(x) = e^x und ist die Basis des natürlichen Logarithmus ln(x). Spaßgarant für jede Differenzialgleichung.
Erstmals in Erscheinung getreten ist die Zahl im 17. Jahrhundert. Ein paar Jährchen später hat dann Euler erkannt, wie crazy sie ist. Und benutzte »e«.
Die Exponentialfunktion hat nämlich etwas ganz besonderes an sich: an jedem Punkt ist die Steigung genau so groß wie ihr Funktionswert. Mit anderen Worten: e^x nach x abgeleitet ist e^x. Und weil sie so einfach abgeleitet werden kann, ist sie bei ganz vielen physikalischen Problemstellungen eine gern gesehene Lösung. Man macht sich schließlich das Leben nicht unnötig kompliziert.

Zurück zu e als Zahl: Ungefähr eine Billion Nachkommastellen von e sind bekannt. Dahinter kommen aber noch einige (ca. ∞, um genau zu sein) – die Zahl ist irrational (und transzendent) und lässt sich nur durch Folgen und Grenzwerte darstellen.

Eine praktische Anwendung zur Eulerschen Zahl: Eine Menge (ziemlich fauler) Feldhasen erhöhe ihren Populationsbestand pro Jahr um 100%. Hasenzählung sei am 1.1.
Die einfachste Faulhasmenge »ein einzelner Hase« ist Neujahr dann auf zwei faule Hasen angewachsen. Was aber, wenn sich die Feldhasen zwei Mal im Jahr zu 100%/2 vermehren? Während der zweiten Hälfte des Jahres hätte der halbe Faulhase ebenfalls Zeit, sich mit anderen Faulhäsinnen zu vergnügen. Oder wenn sich die Hasen vier Mal im Jahr zu 100%/4 vermehren? Oder zwölf Mal im Jahr zu 100%/12? Oder 365 mal im Jahr zu 100%/365? Oder… ihr versteht, wie der Hase läuft. Der Hasenbestand jedenfalls geht gegen das 2,718-fache der Anfangspopulation.
Oder mit anderen Worten: Hasen sind e-fach. [↫]

14. Dezember: kg – Kilogramm

1 kg. Das Kilogramm. Genauso wie das Meter eine SI-Einheit, auf der andere Einheiten aufbauen. Interessanterweise hat es schon einen Vorsatz für Maßeinheiten, das Kilo (= 1000). Dass trotzdem nicht 1 g die SI-Einheit ist, liegt im Bezug zur Realität: 1 kg ist recht einfach genau zu messen, 1 g schon etwas schwieriger.

Das Kilogramm ist nämlich die einzige SI-Einheit, die noch per Prototyp festgelegt ist. Das heißt irgendwo⁹ existiert ein Klotz, dessen Masse man auf 1 kg definiert. Punkt. Alle anderen Massen werden letztendlich im Vergleich dazu gemessen (»Mein Plüschteddy führt zu einem exakt gleichen Waagenausschlag wie das Urkilogramm. Mein Plüschteddy wiegt ein Kilogramm. Und ist unbequem.«).

Aus Prinzip und weil das Urkilo langsam an Masse verliert (wahrscheinlich tritt Wasserstoff aus dem Platin-Iridium-Block aus) gibt es aktuell Bestrebungen, das Kilogramm ähnlich wie die anderen Messgrößen über Fundamentalkonstanten zu definieren. Aber daran arbeitet man noch.
Das physikBlog schlägt vor: Das 10¹²³-fache des Strahlungsdrucks einer durchschnittlichen Sternschnuppe aus den Perseiden bei sternklarer Ostseenacht. [↫]

15. Dezember: h – Plancksches Wirkungsquantum

h = 6,6 · 10^-34 Js. Man nennt es das Plancksche Wirkungsquantum. Manchmal teilt man es auch durch 2π, macht einen Strich durch das h und nennt es »h-quer« – aus quantenphysikalischen Faulheitsgründen.

h ist eine der bedeutungsvollsten Konstanten, vereint es doch den Aufbruch in eine gesamte neue physikalische Epoche in nur einem Buchstaben. Das muss man erstmal schaffen¹⁰!
Um 1900 ging es darum, dass Teilchen und Wellen nicht so unterschiedlich sind, wie man bisher dachte. Man diagnostizierte den Dualismus von Welle und Teilchen und hatte die wichtige Erkenntnis, dass in der Physik nicht mehr alles kontinuierlich ist, sondern vieles, wenn im kleinsten betrachtet, nur in diskreten Zuständen vorkommt. Diese Diskretisierung geschieht durch Plancks Wirkungsquantum – es beschreibt die Unterteilung der Energiemenge, die eine Schwingung inne haben kann. In Formeln: E = h·f, wobei E die Energie und f die Frequenz ist. Etwas abstrakter ist also das Wirkungsquantum eine Art Proportionalitätsfaktor zur (gequantelten) Verbindung von Energie und Frequenz.
Da Licht und Schwingung das gleiche in grün sind, bedeutet die Formel für Licht, dass für eine bestimmte Frequenz (=Farbe) immer nur Energiehäppchen übertragen werden. Nämlich, genau, h·f-Häppchen¹¹. Und weil das auch andere cool fanden, hat der Mann mit der lustigen Zunge für diesen Zusammenhang 1921 den Nobelpreis bekommen¹².
Weitere Vorkommen des Wirkungsquantums: Heisenbergs Unschärferelation, Quanten-Hall-Effekt, Chile. [↫]

16. Dezember: G – Gravitationskonstante

G = 6,674 · 10^-11 m³/(kg · s²). Die Gravitationskonstante. Sie ist das Maß dafür, wie stark die Gravitation ist – wie stark sich also zwei Massen gegenseitig anziehen. Nicht zu verwechseln natürlich mit g = 9,81 m/s², die angibt, wie stark wir auf den Erdboden gezogen werden. Ein Erdspezialfall sozuagen, auf Mond / Mars / Beteigeuze 7 sieht das anders aus.

Aber wie kommt man mit so einer Konstante darauf, wie stark sich Erde und Sonne anziehen? Oder Äpfel und Köpfe? Oder Bären und Honig? Diesen Zusammenhang hat Isaac Newton¹³ gefunden und er ist eigentlich ganz einfach: die Kraft, mit der sich Bären und Honig anziehen hängt von den beiden Massen ab (m₁·m₂) und wird mit zunehmenden Abstand schwächer (1/r²). Das ganze braucht aber noch einen Proportionalitätsfaktor, damit funktioniert. Man bezeichnet ihn simplerweise mit G und multipliziert ihn dran.
Aufbauend auf dieser einfachen Formel kann man dann ganz viele fetzige Sachen erklären. Warum die ISS um die Erde kreist. Wie schwer das Zentrum der Milchstraße ist¹⁴. Oder warum wir nicht mit einem großen Sprung zu Weltraumtouristen werden. Insbesondere im astronomischen Bereich ist dieser Zusammenhang also wichtig.

Fun Fact: Auf großen Skalen (Bewegung von Galaxien) passt das häufig nicht mehr so ganz. Eine Erklärung dafür ist, dass es in dem Schwarz da draußen noch Sachen gibt, die wir einfach nicht sehen können. Man hat es »Dunkle Materie« genannt.

Mit G, h und c₀ kennt ihr jetzt nun die grundlegendsten Einheiten, die es so gibt: Die Planck-Einheiten. Das ist ein Einheitensystem, was sich nur auf Naturkonstanten und nicht auf Definitionen stützt. [↫]

17. Dezember: √s_LHC – LHC-Schwerpunktsenergie

√s = 14 TeV. In Zukunft zumindest. Momentan eher √s = 7 TeV. Die Schwerpunktsenergie des größten Teilchenbeschleunigers auf der Erde, des Large Hadron Colliders. Schwerpunktsenergie könnte man frei mit »Wumms des Zusammenstoßes« übersetzen, und schon 7 TeV ist ziemlich wummsig!

Was da zusammenstößt sind Protonen und zwar frontal, aus gegenläufigen Richtungen. Wenn 2014 irgendwann mal der Kapitän auf volle Fahrt voraus schaltet, haben die Protonen in einem Strahl je 7 TeV Bewegungsenergie. Will man das mal mit dem Alltag vergleichen, hat ein Proton dann die Energie eines fliegenden Moskitos. Eigentlich recht harmlos, aber es ist auf verdammt kleinen Raum konzentriert.
Die Protonen sind aber nicht alleine unterwegs sondern zu 10¹¹ Stück in Paketen gebündelt, so dass ein Protonenpaket die Energie hat, die ein Kleinwagen bei 30 km/h hat.
2808 dieser Pakete werden in der Röhre zirkulieren, ihr Abstand zu einander 25 ns groß. Im gesamten LHC wird bei voller Bestückung eine Energie gespeichert sein, die einem handelsüblichem, US-amerikanischem Flugzeugträger bei 5 Knoten entspricht. Allerdings in einer Röhre mit nur 5 cm Durchmesser.

Benötigt wird die Schwerpunktsenergie des LHCs um gewisse physikalische Prozesse zu untersuchen, die bei bisherigen Teilchenbeschleunigern mit geringeren Energien noch nicht (oder noch nicht in der Anzahl) gesehen werden konnten. Die Produktion des Higgs-Bosons ist vermutlich der Bekannteste davon. [↫]

18. Dezember: s – Sekunde

1 s – 1 Sekunde – ist die 9 192 631 770-fache Periodendauer einer spezifischen Strahlung¹⁵ des Cs-133-Nuklids. Die Definition ist deswegen so bekloppt, weil man a) wie bei anderen SI-Einheiten unabhängig von irgendwelchen künstlichen Referenzen sein wollte, man b) eine alte Definition rumfliegen hatte und c) man mit Caesium hochpräzise Atomuhren bauen kann.

Früher™, da fiel es noch schwer mit dem Steinmikrosokop Caesiumphotonen zu beobachten. Man behalf sich astronomischer Zusammenhänge zur Definition. So hat man eine Sekunde z.B. über den 86.400sten Teil eines durchschnittlichen Sonnentages definiert¹⁶. Geht auch noch komplizierter, wenn man gleiches mit der Dauer eines speziellen Jahrs¹⁷ macht. Kann man alles machen, besonders wenn der nächste Analyseapparat 200 Jahre entfernt ist. Aber genau ist das nicht.

Genauigkeit ist aber wichtig, möchte man den Weltrekord im 100-m-Lauf aufstellen. Oder den weihnachtlichen Besuch bei Tante Margret in ihrem neuen Haus im Erzgebirge machen. Für letzteres ist ein Navigationsgerät ganz praktisch. Und das nutzt, genauso wie das US-Militär bei der Ortung seltener Wüstenrennmäuse, GPS – welches seine Genauigkeit nur durch synchronisierte und supergenaue Uhren hinkriegt.

Fun Fact: Sekunde stammt aus dem Lateinischen und meint die zweite Unterteilung der Stunde. Also ein 60stel eines 60stel einer Stunde. [↫]

19. Dezember: α – Feinstrukturkonstante

α ≈ 1/137. Oder um es genau zu sagen: α = e²/(2·c·ε₀·h). Die Feinstrukturkonstante. Sie beschreibt die Wahrscheinlichkeit, mit der eine elektromagnetische Wechselwirkung stattfindet, und beschreibt daher auch deren Stärke.

Man muss sich das so vorstellen: Montagmorgen. Das knuffige, geladene Teilchen (ein rotes, kein blaues – die blauen sind blöd) streckt seine Punktförmigkeiten von sich. Es hat ein bisschen Lust, mit dem Nachbarteilchen wechselzuwirken. Das hat in letzter Zeit immer so geladene Blicke zugeworfen. Zu einer Wahrscheinlichkeit von 1/137 wird das Geladeneteilchen sein Austauschhaustier, das Photon, zum Nachbargeladenenteilchen aussenden und das es dort aufnehmen.
Das ist natürlich noch nicht alles, was die elektromagnetische Kraft drauf hat. Als mindestens viertcoolste Grundkraft lässt sie sogar im Vakuum aus manchen Photonen kurzzeitig Elektron-Positron-Paare entstehen – und auch da spielt die Feinstrukturkonstante eine Rolle. Dieser Effekt verändert nämlich α; die Konstante ist dann auf einmal nicht mehr so ganz konstant wie der Name suggeriert. Es findet eine Art Abschirmung statt, die von der betrachteten Energieskala abhängig ist. Extra-Spaß bei Berechnungen also schon inklusive.

Wie ihr jetzt sicher gemerkt habt, geht es hier um zwei Teile, die irgendwie miteinander »kommunizieren«. Daher nennt man die Feinstrukturkonstante eine Kopplungskonstante – sie beschreibt die Kopplung mit dem der Elektromagnetismus übertragen wird. Gibt’s auch für die starke Kraft, genannt α_s, die sogar noch stärker energieabhängig ist als α.¹⁸ [↫]

20. Dezember: k_B – Boltzmann-Konstante

k_B = 1,38 · 10^-23 J/K. Die Boltzmann-Konstante, oder umgangssprachlich K-Boltzmann. Sie hat entscheidende Bedeutung in der statistischen Physik, also dann, wenn viele kleine Teile zusammenkommen und man nur noch von Wahrscheinlichkeiten sprechen kann.

Ein Beispiel dafür ist das ideale Gasgesetz: es beschreibt den Zusammenhang zwischen Druck, Volumen, Temperatur und Anzahl der Atome in einem Gas, dessen Bestandteile idealisiert (= vereinfacht) wurden. Die Proportionalität wird durch die Boltzmann-Konstante beschrieben.
Stellen wir uns also einen Boltzplatz vor bei dem die Mannschaften »Kanonisches Ensemble« (gelb) und »Libschitzstetig« (ocker) wild gegeneinander spielen. Die beweglichen Wände des Boltzplatzes sind leider gerade ausgefallen – sein Volumen ist fest. Auch sind alle Türen verschlossen und keiner darf mehr auf oder vom Platz – die Anzahl der Spieler ist konstant. Anpfiff. Spielminute 23. Spieler 17 aus der gelben Mannschaft grätscht Nummer 8 kurz vor dem Strafraum fies von der Seite rein. Gesichter werden verzogen, Hände in die Höhe gerissen, Kraftausdrücke ausgetauscht. Die Gemüter erhitzen sich. Die Temperatur auf dem Platz steigt. Der Schiedsrichter wundert sich, warum die Spieler auf ein mal alle so schmal aussehen. Er schaut in der Formelsammlung nach und stellt fest: Bei diesen Verhältnissen hat sich wohl auch der Druck erhöht. Denn es gilt p·V = k_B·N·T. Tada, die ideale Gasgleichung mit der Boltzmann-Konstante als Proportionalitätsparameter.

Auf obigem Sportplatz gilt aber noch ein weiteres, physikalisches Gesetz, bei dem k_B eine Rolle spielt.
Die letzte Minute läuft. Ocker liegt 2:1 zurück. Ansage des Trainers: Alle Mann nach vorne, die eigene Spielhälfte ist tabu (A). Und, tatsächlich, die Ansage hilft – es fällt der ersehnte Ausgleich. Nach dem Wiederanpfiff entschließen sich die Kapitäne das Spiel zur Verlängerung zu spielen. Beide Mannschaften sind gleichmäßig über den gesamten Platz verteilt (B). Im Gegensatz zu A haben die Spieler bei B mehr Möglichkeiten, sich zu positionieren.
In der statistischen Physik nennt man das die Anzahl der Mikrozustände Ω, oder auch »Unordnung«¹⁹. Weil das aber zu langweilig wäre, packt der Thermodynamiker da noch einen Logarithmus drauf, multipliziert es mit K-Boltzmann und, zack, hat dann die Entropie S = k_B ln(Ω). Eine Größe, die man häufig zur Beschreibung thermodynamischer Prozesse und zur Beeindruckung von Nichtphysikern verwendet.

Und wenn ihr es bis hier hin geschafft habt, uns zu folgen – und wenn wir uns nicht um Hals und Kopf erklärt haben – dann habt ihr gerade die Basics zum allseits gehassten Thema Thermodynamik verstanden. Gratulation! [↫]

21. Dezember: sin²(2θ₁₃) – Neutrino-Mischungswinkel

sin²(2θ₁₃) = 0,085. Übersichtlich, oder? Die vielleicht komplizierteste Konstante unseres Kalenders. Mit Sicherheit aber die Neueste – die hat’s noch nicht mal in die Wikipedia geschafft.
θ₁₃ ist ein Neutrino-Mischungswinkel, dessen Wert vor gut einem Monat von dem Experiment Double Chooz veröffentlicht wurde. Aus Praktikabilitätsgründen gibt man ihn in dieser Sinuskombination an.²⁰

Neutrinos sind ja irgendwie die Superhelden unter den Elementarteilchen. Immer da, kaum einer sieht sie und, DIE Superkraft schlechthin, sie können sich in einander umwandeln. Eigentlich gibt’s drei Mitglieder der Neutrinosuperheldenfamilie: Elektron-, Myon- und Tau-Neutrino. Und die werden normalerweise immer gemeinsam mit ihren Partnern, den Elektronen, Myonen oder Taus, produziert. Pro neues Elektron gibt’s dann ein neues Elektron-Neutrino. Aber vor einigen Jahren stellte man fest, dass das nicht immer so ist. Da untersuchte man Neutrinos, die aus der Sonne kamen und beobachtete, dass da weniger Elektron-Neutrinos vorhanden sind, als eigentlich hätten sein müssen. Skandal! Die Lösung: Sie waren in andere Arten von Neutrinos (Myon oder Tau) umgewandelt worden.

Die passende Theorie dazu heißt »Neutrinooszillation« – und wie der Name schon andeutet, ist diese Umwandlung in die Neutrinosorten zyklisch. Und da kommen die Winkel ins Spiel. Die sind Parameter bei der Aufstellung der Osziallationsgleichung und daher ziemlich wichtig.²¹

Gemessen wurde θ₁₃ am Double-Chooz-Experiment. Es misst den Fluss von Anti-Elektron-Neutrinos, die aus einem Atomreaktor kommen. Und zwar an zwei Stellen: Nah und fern. Außerdem hat es das vermutlich seltsamste Logo aller Physikexperimente.

Bevor man diesen Wert kannte sah es lange Zeit so aus, als wäre θ₁₃=0. Also, genau gleich Null. Da so etwas für einen freien Parameter sehr unwahrscheinlich ist, wollten sich einige Physiker schon auf die Suche nach neuen Theorien machen, die diesen Wert voraussagen. Jetzt ist er doch nicht Null, also braucht man auch vorerst keine neuen Theorien, und so mancher Physiker kann (muss) Weihnachten doch mit seiner Familie verbringen. [↫]

22. Dezember: Λ – Kosmologische Konstante

Λ ≈ sehr klein. Im Bereich von 10^-52 m^-2. Die kosmologische Konstante. Eingeführt von Albert Einstein sollte sie dafür sorgen, dass seine Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie ein statisches Universum korrekt beschreiben. Denn eigentlich würde man vermuten, dass durch die Gravitation alles zueinander angezogen wird. Damit das Universum aber nicht kollabiert, braucht es dafür braucht eine Art Gegendruck.

Aufmerksame Leser unseres Adventskalenders werden jetzt aber natürlich hellhörig, denn spätestens seit dem 12.12. wisst ihr, dass das Universum expandiert – es ist alles andere als statisch. Als man das kurz nach der Formulierung der allgemeinen Relativitätstheorie feststellte, war die kosmologische Konstante nicht mehr nötig. Einstein taufte die Konstante die »größte Eselei seines Lebens«.
Wir würden heute aber nicht darüber berichten, wenn wir nicht 1. Esel knorke finden würden, 2. Eseleien in Konstantennamen quatsch sind und 3. die Geschichte hier zu Ende wäre. Man hat nämlich herausgefunden, dass das Universum nicht nur expandiert, es expandiert immer schneller. Und das liegt nicht am CO₂-Ausstoß auf der Erde.
Wir haben im Universum also doch sowas wie einen Druck, der dafür sorgt, dass alles immer schneller auseinandergetrieben wird. Der Druck wird etwas konkreter Vakuumenergiedichte genannt und das momentan favorisierte Modell zur Beschreibung benutzt dafür u.A. die kosmologische Konstante.

Mystisch, wie Physiker montags morgens bei Nebel nunmal sind, hat man die verantwortliche Energie »Dunkle Energie« genannt. Sie macht immerhin 70% des gesamten Energiehaushalts im Universum aus. Leider weiß man neben der groben 70% nicht so richtig viel über den ganzen Kram. Und einfach mal nachmessen ist leider auch nicht. Was Herr Einstein also damals so hoppla-di-hopp einführte, ist auch hundert Jahre später ein gar nicht so einfaches Problem. [↫]

23. Dezember: A – Ampere

1 A – ein Ampere – ist die letzte SI-Einheit unserer Reihe und bezeichnet die elektrische Stromstärke. Also wieviel Strom gerade durch die Leitung fließt. Allgemein bedeutet ein elektrischer Strom, dass sich elektrische Ladungen bewegen – weil elektrisierte Katzen so schwer in Kupferdrähte passen sind das in häuslichen Stromleitungen meistens Elektronen. Ein Ampere entspricht dann etwa 6 Trillionen Elektronen pro Sekunde.

Da man das aber schwer messen kann, war das Ampere früher über die Menge an Strom definiert, die in einer Sekunde von 1,118 mg Silbernitrat-Lösung abgegeben wird. Das ist schon reichlich beliebig. Aber es geht natürlich noch besser.
Um unabhängig von irgendwelchen Substanzen²² zu sein, definiert man das Ampere heutzutage über ein Gedankenbeispiel: Man nehme zwei handelsübliche, unendlich lange und sehr dünne Leiter aus dem Baumarkt (die roten, nicht die… ihr wisst schon) und packe sie parallel, in einem Abstand von einem Meter in ein Vakuum. Man schicke Strom hindurch. Mit einer Standardamperedefinitionsmessapparatur misst man nun die Kraft, mit der sich die Leiter anziehen. Wenn sie das mit 2 · 10^-7 N/m tun, dann fließt durch beide Leiter ein Strom von genau einem Ampere. Genauso würdet ihr auch eine Einheit definieren, oder?

Weil’s grad Trend ist und 10^-7 so mainstream, möchte man auch das Ampere neu definieren – so dass es auf Naturkonstanten fußt. Der Prozess ist, genau wie beim Kilogramm, gerade im Gange. Vermutlich läuft es auf die Anzahl der Elektronen pro Sekunde hinaus. Es werden übrigens noch Hiwis zum Elektronenzählen gesucht, die beliebig vielen Affen sind gerade mit ihren Schreibmaschinen beschäftigt. [↫]

24. Dezember: Pi-Quer / π – Kreiszahl

Pi-Quer (leider (noch) ohne Unicode-Zeichen²³ ). Definiert über eine längliche Gleichung, die sich seit einem Beweis von 2008 und nach trickreicher Umstellung auf π/(2π) = ½ reduzieren lässt.
Erfunden wurde die Zahl mindestens in einem abgeschiedenen tibetanischen Bergdorf von der bezottelten Dorfziege. Vielleicht aber auch in einem Blog über Physik.²⁴

67% von Pi-Quer sind π – zugegeben die wichtigeren 67%. Und daher soll’s heute auch darum gehen. Um π.
Aber π? Was ist das eigentlich? Und warum haben wir diese Zahl genommen, um unseren Adventskalender nach 24 immer länger werdenden Einträgen hier zu beenden?

π = 3,1415… steht für die Kreiszahl und ist das Verhältnis zwischen Kreisumfang und Kreisdurchmesser – eine Proportionalitätskonstante also.
Ein Hund, der einen Kreisbogen zum Futternapf läuft, muss im Vergleich zu einer Katze, die direkt hinschlendert, den π-fachen Weg zurücklegen. Dabei ist es egal, wie weit der Futternapf entfernt ist – das Verhältnis (π) bleibt immer gleich.
Den Wert von π kann man nicht ausrechnen (die Zahl ist irrational und transzendent), nur näherungsweise bestimmen. Zum Glück kann man heutzutage auf lästige Tierversuche verzichten, so dass durch moderne Rechenmaschinen bereits 5 · 10¹² Stellen bekannt sind.
πs Geschichte ist ziemlich spannend, gibt’s die Kreiszahl doch schon seit einige Jahren. Man startete irgendwann mal mit 3 und wurde genauer und genauer.
Fun Fact: Das Textsatzsystem TeX nähert sich in seiner Versionsnummer immer weiter dem wahren Wert von π an.

π ist unsere Lieblingskonstante – vereint sie doch Entwicklung und Erkenntnisse von Wissenschaft in einem Buchstaben, den man auch noch so schön schwungvoll schreiben kann. Außerdem ist sie Mitglied in der Euler-Identität (exp(iπ) = -1) und damit per se schon mal cool.

Und damit sind wir am Ende unseres kleinen Adventskalenders angekommen. Wir hoffen, ihr hattet ähnlich viel Spaß wie wir und habt vielleicht auch das ein oder andere Neue kennengelernt. Eine Zusammenfassung für’s Archiv wird es in den nächsten Tag im Blog geben.
Das physikBlog wünscht euch frohe Weihnachten!
Und hat als Geschenk die ersten hundert Stellen der Kreiszahl mitgebracht (you’re welcome!):

π = 3,1415926535 8979323846 2643383279 5028841971 6939937510 5820974944 5923078164 06286208998 6280348253 421170679

FρE WEIHNACHTEN. [↫]

1. Keine empirischen Daten dazu zu verzeichnen. Tests willkommen. Schalter für die elektromagnetische Kraft findet ihr hinten links.
2. Außer Tachyonen, Chuck Norris, physikBlogionen und seit dem letzten Hardwareupgrade auch Neutrinos.
3. Seltsam prinzipiell nur, weil sie die Chemiker verwenden. Sonst ist sie so, wie jede andere Einheit.
4. Auf der Erde. Auf Melmac kann das anders aussehen.
5. Ihr wisst schon, die Milchstraße.
6. Man kennt das ja, wenn man Hundewelpen an einem vorbei wirft. Das Bellen erscheint höher, wenn der Hund noch auf einen zufliegt. Sobald er vorbei ist und wieder wegfliegt, wird’s tiefer.
7. Ja, auch du.
8. Damals™
9. Das Ur-Urkilogram liegt in Paris in einem Tresor, es gibt aber >80 Kopien davon, die als lokale Referenz dienen. Sie stimmen bis auf 1 Milligramm mit dem Orginal überein. Das ist eine Genauigkeit von 10^-6!
10. c₀ ist vermutlich die Andere, der man so einen Eindruck unterstellen kann.
11. Wenn man Energiehäppchen übertragen will, macht die Vorstellung eines Teilchens mehr Sinn als die einer Welle. Tadaa: Das Photon ist geboren.
12. Und nicht für E = m·c², wie man vielleicht meinen könnte.
13. Ihr wisst schon. Apfel → Kopf.
14. Um das Zentrum kreist ein Stern, ziemlich schnell. Deshalb konnte man recht schnell seine Umlaufbahn bestimmen. Und weil man mit dem ausgesendeten Licht abschätzen kann, wie schwer der Stern ist, weiß man auch, wie schwer das Zentrum ist. Und siehe da: Es ist ein schwarzes Loch!
15. Es geht um den Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands.
16. Liebe Aachener, »durchschnittliche Sonnentage« – dieses Konzept kennt ihr nicht. Fragt Familienmitglieder aus anderen Bereichen Deutschlands, die können euch das erklären.
17. Das tropische Jahr für das Jahr 1900. Hat nichts mit Regenwald zu tun, ist einfach nur eine Festlegung, von wann bis wann ein Jahr geht. In den Kalender gucken gilt nämlich nicht. Ätsch.
18. Ein Beitrag ohne Fußnoten. Yeah! Ach Mist…
19. Die Unordnung ist größer, wenn nicht alles auf einem Haufen sondern überall verteilt ist. Kennt ihr, ne?
20. Wäre ja sonst auch langweilig.
21. Das sind deswegen Winkel, weil das über sogenannte Drehmatrizen beschrieben wird. In denen stehen Sinus- und Cosinus-Ausdrücke, die wiederum Winkel enthalten. Ist aber noch ein Level mehr kompliziert. Für den Basic-Neutrinospaß braucht man das nicht im Detail zu wissen.
22. Man denke an die Silbernitratknappheit von 2082!
23. In LaTeX bekommt ihr Pi-Quer am einfachsten über »\pi\!\!\!{_\mathchar’26}«.
24. Irgendwer hatte die Idee zeitlich korreliert irgendwo anders in diesem Internet. Aber egal. Unsere Hybris kennt da keine Grenzen.

Damit ihr das auch hier mitverfolgen könnt und ohne bei Facebook sein zu müssen, binden wir euch unseren Facebook-Stream nach dem Klick ein¹.

1. Ihr könnt den übrigens immer unten im Footer sehen…

Willivolt

Eine Teslaspule im Betrieb ist ziemlich faszinierend. Selbst eine »kleine« Version wie diese hier, die in Wirklichkeit schon eher zu den großen zählt.

*tzzzem* *krrrrss* *brutzel* *brrrsss* — Die offiziellen, auf der International Lightning Conference 1986 festgelegten lautmalerischen Beschreibungen¹ einer Teslaspule im Betrieb. Beziehungsweise der von ihr ausgehenden Blitze.
Jedenfalls ist das geschrieben nicht annähernd so spektakulär, wie die Geräusche einer Teslaspule in natura sind. Außerdem: Blitze! Die logische Schlussfolgerung ist also, dass Teslaspulen klasse sind!

The Lightning Foundry

Das Schema der Lightning Foundry.

Teslaspulen hatten wir schon in diversen Abwandlungen gesehen. Wenn nicht hier, dann zumindest irgendwo da draußen im Internet². Aber wie das halt so ist: Käse geht immer³ und größer ist besser. Und deswegen hat Greg Leyh das Projekt der »Lightning Foundry« gegründet und will eine Anlage bauen, mit der sich 80 Meter lange Blitze erzeugen lassen. 80 Meter!
Außer dem »Wow!«-Effekt gibt es auch noch wissenschaftliches Interesse, weil noch nicht ganz verstanden ist, warum Gewitterblitze weniger Spannung pro Strecke brauchen als Blitze im Labor. Und die Grenze soll bei etwa 60 Metern liegen.

Das Ganze ist natürlich nicht billig (350.000 Dollar) und deshalb sucht Greg Leyh nach Unterstützern bei kickstarter.com. Die Materie beherrschen sie prinzipiell auf jedenfall, immerhin haben sie schon so abgefahrenes Zeug wie eine 130 Megavolt Tesla gebaut (→ Archiv). Bleibt also zu hoffen, dass es klappt.

Und zum Schluss noch das Erklärungsvideo zur Lightning Foundry:

1. Natürlich nicht zu verwechseln mit dem *wwwoooaaaammmm* eines natürlichen Blitzes oder *brutzel* — dem Ei in der Pfanne.
2. Oder auf dem jährlich in Aachen stattfindenden Physik-Jahrmarkt der RWTH im November. Da wird seit ein paar Jahren auch eine nicht gerade kleine Teslaspule ausgestellt.
3. Hat hiermit jetzt nicht’s zu tun, aber geht halt immer.

Der Oktober scheint ein arbeitsreicher Monat für uns gewesen zu sein. Immerhin haben wir es zwischen dem letzten Roundup und diesem gerade mal zu zwei Beiträgen hier im physikBlog geschafft. Aber wir haben ja noch die Facebook-Seite. Da gibt es gewohnte Qualität in mundgerechten Mittagspausenhäppchen.

Hier also die Zusammenfassung des letzten Monats.

• 4. Oktober: Erste Folge einer neuen CERN-Webshow »What’s new @CERN?«
  (Mit schrecklichem Bluescreen-Kram, aber sonst ganz nett.)
• 4. Oktober: »Schrödinger’s Cat« von minutephysics. Link
• 5. Oktober: Comic: Practical jokes among physicists.
• 6. Oktober: Letzte Woche verpasst: Sixty Symbols über die überlichtschnellen Neutrinos. Link

  http://www.youtube.com/watch?v=qJ0m13iJw0k

• 9. Oktober: Ein Video für den bedeckten Sonntag. Sind Sterne dabei, hat also hinreichend Physikinhalt. (Beschreibung beachten.)
• 9. Oktober: BBC-Doku über Deep-Space-Beobachtung: »Extreme Astronomy — Horizon: Seeing Stars.«
• 10. Oktober: Für die Apollo-11-Mission hat man (aus Scherz) einen Einfuhrzettel für den Zoll ausgefüllt, damit die Landung vom Mond auf der Erde auch einwandfrei abläuft. Link
• 10. Oktober: Wir können froh sein, in Europa von solchen Idioten verschont zu bleiben: »Neutrinos zeigen, der Klimawandel ist nicht echt.«
• 

  etsy

  Nach elementarem Plüsch jetzt auch ein paar plüschige Verteilungen.

  14. Oktober: Großartig! Corrigan Brothers & Pete Creighton besingen die Neutrinos im »The Neutrino Song«.
  (Und jetzt alle: If light’s not the fastest, and what can this mean, oh, and is something faster, than the neutrino.)
• 14. Oktober: 30-Minuten-Doku zum Anlass des diesjährigen Physik-Nobelpreises: »Mysteries of a Dark Universe«
• 17. Oktober: Nichts Neues, aber ein schönes Video über Supraleitung und schwebende Objekte. Link
• 18. Oktober: Nach Elementarteilchen und Viren gibt’s jetzt auch statistische Verteilungen in Plüschform. (Auch einzeln.)
• 29. Oktober: Am 9.11., 11:00, besucht die Space-Shuttle-Crew, die das AMS-Experiment auf die ISS brachte, die RWTH Aachen und berichtet ein wenig. Gibt auch einen Livestream. Link

Ron Garan

Ron Garan hat aus seinem Bürofenster an der ISS geguckt und Nordlichter (Aurora borealis) beobachtet.

Ron Garan ist Astronaut und zog bis vor kurzem auf der ISS seinen Bahnen um die Erde. Und da oben konnte er bei einer Kaffeepause natürlich wunderbar vor einem Fenster schweben und in die Ferne gucken. Wenn er vor dem Richtigen schwebte, sah er dann natürlich diesen großen blauen Ball, a.k.a. Erde. Und genauso, wie ihr fasziniert aus dem Flugzeug auf die Ministädte am Boden guckt, weil von oben alles irgendwie anders aussieht, gucken auch die Astronauten von der ISS gerne von oben auf die Erde. Bestimmt.

Yuichi Takasaka

Aurora borealis in einer Langzeitaufnahme, diesmal von der Erde aus.

Glücklicherweise hatte Ron gerade eine Kamera dabei, als auf der Erde fancy Naturerscheinungen zu sehen waren und es entstand das faszinierende Bild von oben. Die bunten Streifen, die in der Atmosphäre wabern, nennen sich Polarlichter bzw. im Fachbegriff »Aurora borealis« für ihr Auftreten im Norden. Für den Süden ändert sich das zu »Aurora australis«, sie sind aber das gleiche in grün. Und beide Varianten treten ganz ohne Zusätze von rosaroten Brillen, LSD oder Michael Bay auf, also rezeptfrei und fast ohne Nebenwirkungen für den Beobachter¹. Klasse, oder?

Polarlichter, soso. Hä?

Die grünen streifigen Dinger entstehen als Reaktionen der Atmosphäre auf Beschuss aus dem All. Damit sind natürlich keine bewusst böswilligen Bösewichtaliens gemeint, sondern geladene kosmische Strahlung. Sowas wie Protonen, Elektronen, Helium-Kerne, … alles Krams, der unangenehm wäre, wenn wir ihn direkt abbgekommen würden².
Aber zum Glück haben findige Wissenschaftler vor Milliarden von Jahren zwei Verteidigungslinien um die Erde gebaut: die Atmosphäre und das Magnetfeld. In ihrer Kombination sind sie ziemlich effektiv.

1. Verteidigungslinie: Magnetfeld

NASA

Das Erdmagnetfeld reicht weit ins All und schützt uns vor dem Sonnenwind.

Das Magnetfeld der Erde reicht ziemlich weit über die Atmosphäre hinaus, in dem Bild rechts bekommt man eine kleine Vorstellung davon. Natürlich ist das nicht maßstabsgetreu, aber hilft für den ersten Eindruck.
So Magnetfelder haben die praktische Eigenschaft, dass sie mit geladenen Teilchen interagieren: sie werden abgelenkt. Also die Teilchen, nicht die Magnetfelder. Ein Elektromotor funktioniert genau deswegen: Drahtschlaufen liegen in einem Magnetfeld. Schaltet man jetzt einen (Wechsel-)Strom ein, werden die Schlaufen abgestoßen und der Motor dreht sich wie ein Brummkreisel. Und auch unser Lieblingsbeschleuniger, der LHC, funktioniert durch die magnetische Ablenkung geladener Teilchen.

Weil der Effekt recht stark ist, reicht selbst das relative schwache Magnetfeld der Erde für den Großteil der Teilchen aus und sie werden entlang der Magnetfeldlinien um die Erde herum geführt. Schaut man sich das Bild rechts oben an, sieht man zwei kleine Kerben im sonst rundlichen Magnetfeld: die magnetischen Pole. An ihnen liegen die Magnetfeldlinien derart, dass Teilchen nicht um die Erde herum sondern zur Erde hin geleitet werden. Das betrifft zwar nur einen Bruchteil der gesamten Strahlung, aber immerhin noch einige.

2. Verteidigungslinie: Atmosphäre

CERN

Ein Teilchenschauer breitet sich in der Atmosphäre aus.

Bevor wir auf dem Erdboden von Teilchen durchlöchert werden müssen sie erst durch die Atmosphäre.
Die Atmosphäre kann man sich dabei wie einen römischen Markt mit ganz vielen Besuchern vorstellen: die geladenen Teilchen wollen schnell durch, ecken aber dauernd an. Dadurch werden sie langsamer und wenn es blöd läuft, entsteht eine Schlägerei und die Teilchen sind kaputt. Dann muss ein anderer, nennen wir ihn Sekundärbesucher, loslaufen um Hilfe zu holen. Der eckt dann auch wieder an und das Spiel geht von vorne los.
In der Realität stoßen die Teilchen aus dem All mit Teilchen in der Atmosphäre, werden langsamer, vernichten sich und produzieren andere Teilchen (Sekundärteilchen). Das passiert prinzipiell überall auf der Erde, insbesondere da sich hochenergetische Teilchen nicht so sehr am Magnetfeld stören, und ist relativ langweilig. An den Polen aber führt das Magnetwegeleitsystem von oben zu einer Häufung, so dass eine richtige Römerparty in der Atmosphäre abgeht. Die sorgt in den passenden Atmosphärenschichten³ dafür, dass Moleküle angeregt werden und anfangen zu leuchten wie das Studio 54 an einer Wochenendnacht.

Herkunft der geladenen Teilchen

Wenn man sein Polarlichtbeobachtungszelt im Norden aufgebaut hat, stellt man anhand seines Teekonsums relativ schnell fest, dass die Polarlichter eher im Winter auftauchen und auch über die Jahre hinweg gewisse Intensitätsschwankungen zeigen. Ersteres lässt den findigen Polarforscher einen Zusammenhang zwischen den Positionen von Erde und Sonne vermuten. Die (Sonne, nicht Erde) ist da also auch irgendwie mit drin. Bestätigt wird das durch die Schwankungen, die grob im 12-Jahres-Rythmus laufen und vergleichbar mit der Sonnenaktivität sind.
Sonnenaktivität meint, wieviel Material von der Sonne in die Umgebung geblobbert wird. Das passiert stetig ein bisschen oder immer mal wieder in großen Eruptionen. Eine eindrucksvolle Version davon sieht man in folgendem Video in Aktion:

http://www.youtube.com/watch?v=Q_3u_0NN7OM

DirektSolarFlare

Diese Sonneneruptionen schleudern Massen an heißen Protonen und Helium-Kernen, also geladenen Teilchen, von der Sonne weg. Ab dann nennt man sie Sonnenwind. Und wenn auf der Sonnenoberfläche gerade mal wieder viel los ist, kommt etwa zwei Tage später hier auf der Erde auch eine etwas stärkere Briese an, die zum bunten Polarhimmel führt.

physikBlog-Reisetipps zum Polarlichter-Beobachten

Tommy Eliassen

Polarlichter, die Milchstrasse und ein vorbeiziehender Komet – herrlich!

Wenn also der astronomische Wetterbericht bezüglich des Sonnenwinds Besonderes voraussagt, heißt es, die physikBlog-Reisetipps schon ausgedruckt am Kühlschrank hängen zu haben und schnell einen Flieger zu buchen.
Sehen kann man die Polarlichter nämlich besonders gut im hohen Norden, Richtung Polarkreis (also Skandinavien z.B.). Ein klarer Himmel, Nacht und die Abwesenheit von Sonnenbrillen⁴ sind ebenfalls hilfreich, wenn man das schwache Leuchten über einem erkennen will.
Und wenn man sich ein besonders schönes Plätzchen ausgesucht hat, die digitale Spiegelreflexkamera mit extremer Langzeitbelichtung parat hat und im richtigen Moment abdrückt, dann kommt vielleicht so etwas nettes heraus, wie ihr rechts seht.

Profitipp: Handwärmer nicht vergessen!

1. Sicherheitshinweis: Flipflops sind nicht die geeignete Schuhwahl für Ausflüge in den hohen Norden. Auch nicht in den Süden, übrigens.
2. Siehe Fukushima z.B.
3. Grün entsteht durch Sauerstoffatome in ca. 100 km Höhe, rot durch Sauerstoffatome in 200 km und blau bis violett durch Stickstoffatome.
4. Sorry, Coolnessfaktor.

“[...] and then when it got to $3 billion, they bid pi,” the source said, adding the bid was $3.14159 billion.

Soviel dazu.

Stuck in Customs

Ein paar Sonnenstrahlen. Ein blauer Himmel. Ein Weg nach »Hinterm Hügel«. Idyllisch.

Lange hats gedauert, aber wir haben uns endlich nochmal ein wenig bei Flickr nach interessanten Fotos umgeschaut. Gestoßen sind wir neben echt knuffigen Katzenbildern auf jede Menge schönes Zeugs mit Sonne, u.A. die Aufnahme oben.
Dem aufmerksamen Beobachter könnten sich dabei direkt ein paar Fragen stellen:

• Warum ist der Himmel blau?
• Und warum weiter unten gelb?
• Wohin führt der Weg und entspricht der Radabstand dem europäischen Mittel?
• Und wer hat am Wegesrand Kunstpflanzen gepflanzt? Heuschnupfen-Minderungs-Aktionismus?

Sieht man mal von den letzten beiden, physikalisch eher egaleren Punkten ab¹, so dreht sich das Bild um das Erscheinungsbild des Himmels. Na dann wollen wir mal…

Blauer Himmel

mau3ry

Schaut ihr nach draußen, gibt’s da manchmal blauen Himmel. In Aachen und nachts seltener.

Was ein blauer Himmel ist, solltet ihr wissen. Ansonsten: aufstehen, Rolladen hochziehen² und aus dem Fenster gucken! Wenn ihr schwarz mit kleinen hellen Punkten seht, müsst ihr noch ein paar Stunden in WoW weiterleveln. Ansonsten sieht man dann wunderbar, welche Farbe der Himmel hinter den Wolken hat. Wenn die Wolken denn mitspielen.
Doch woher diese Farbe? Der Himmel ist schließlich keine Wand, die jemand leuchtend blau gestrichen hat. Tatsächlich ist der Himmel durchsichtig und wir können Nachts sehr schön Mond, Sterne und UFOs Sternschnuppen in einem Meer aus schwarz beobachten. Ebenfalls falsch ist die Vorstellung, dass der Himmel das Blau des Meeres reflektiert, wie man es gelegentlich hört. Tatsächlich ist es andersrum: das klare Wasser reflektiert das Blau des Himmels.

Wenn man die Frage nach der Farbe kurz und knapp beantworten wollen würde, könnte man sagen: »Der Himmel ist blau, weil er blau leuchtet.« Wollen wir aber nicht. Sonst würden wir ja auch sagen, dass Katzenbabies süß sind, weil man sie süß empfindet³. Geht man etwas physikalischer an das Himmelsblau, stößt man recht schnell auf Wellenlängen und Wirkungsquerschnitte. Ist aber alles gar nicht so schwer, versprochen.

Zátonyi Sándor

Wenn man weißes (= gemischtes) Licht auf ein Prisma schickt, kommen am Ende die Regenbogenfarben raus.

Grundlagen

Zunächst mal die Basics: Wenn Tante Erna⁴ von »blau« redet, dann spricht der Physiker von Licht mit einer Wellenlänge von etwa 460 nm. Allgemein entspricht unsere Wahrnehmung einer Farbe einer bestimmten Wellenlänge des Lichts. Rot ist langwellig (650 nm), blau kurzwellig und gelb (580 nm) und grün (550 nm) irgendwo dazwischen. Und von der Sonne kommt nicht nur eine Wellenlänge, sondern gleich ein kunterbunter Haufen. Zusammen empfinden wir das dann als weiß.
Spaltet man es aber mit Prismen auf, sieht man alle Spektralfarben. So sorgen z.B. die Wassertropfen dafür, dass ihr mal wieder am Fuße des Regenbogens nach einem Schatz sucht⁵.

Ein anderer Punkt, den man verstehen muss, ist, dass wir uns nicht im »Nichts« befinden und das Nicht-Nichts das Licht beeinflusst. Etwas einfacher: Wenn sich Licht durch Materie bewegt, passiert etwas. Habt ihr auch schonmal gemerkt, als ihr versucht habt, euch im Nebel euren Weg zu bahnen: dort wird nämlich das Licht andauernd hin und her geworfen, so dass ihr nicht mehr geradeaus gucken könnt und nur ein verwischtes Bild bekommt (jedenfalls für weit entfernte Objekte).
Die Nebelwand ist als Einstieg zwar ganz nett, ist aber physikalisch ein schlechter Vergleich zum blauen Himmel⁶, denn das Blau kommt nicht von Lichtbrechung⁷ in Wassertröpfchen.

Die Lösung: Rayleigh-Streuung

Es hat vielmehr damit etwas zu tun, dass elekromagnetische Wellen (= Licht) mit geladenen Teilchen interagieren können. Und ein Atom (oder Molekül) hat davon eine ganze Menge, z.B. die Elektronen, die den Kern umkreisen oder den Kern selber. Trifft das Licht auf ein Atom, kann der Lichtstrahl abgelenkt werden. Man nennt das »Rayleigh-Streuung« und die Wahrscheinlichkeit , dass sie eintritt, wird durch folgende Formel beschrieben:

Dabei ist eine Konstante, die Wellenlänge der Eigenfrequenz des Atoms/Moleküls und die Wellenlänge der elektromagnetischen Welle. Klingt für den ein oder anderen bestimmt kompliziert, wichtig ist aber nur das letzte, die Wellenlänge. Und, dass da ein hoch vier dran steht.
Etwas anders beschrieben heißt das nämlich, dass die Wahrscheinlichkeit, dass Licht abgelenkt wird, mit der vierten Potenz der Wellenlänge beeinflusst wird.

Kurzes Zahlenbeispiel um es für rotes und blaues Licht zu verdeutlichen: das sichtbare Spektrum fängt bei etwa 400 nm an und hört etwa bei 800 nm auf. Im Physiker-Simplifizierungs-Modus können wir sagen, der erste Wert ist für blaues Licht und der zweite für rotes. Stimmt zwar nicht ganz, lässt sich aber einfacher rechnen.
Das Verhältnis der Wahrscheinlichkeiten, mit der blaues und rotes Licht abgelenkt werden, ist:

Oder in Worten: blaues Licht wird etwa 16 mal häufiger abgelenkt als rotes Licht.

Im Gegensatz zum rotem Teil des Sonnenlichts besitzt das blaue Licht also eine größere Wahrscheinlichkeit, auf dem Weg durch die Atmosphäre gestreut zu werden. Für jede Streuung des Roten, finden 16 Streuungen des Blauen statt.
Das blaue Licht verteilt sich durch das häufigere Ablenken stärker am Himmel und gelangt schließlich von allen Seiten ins Auge.
Der Himmel ist blau.

Sonnenauf- bzw. -untergang

Ennor

Ein kitschiger Sonnenuntergang über dem Meer. Aber auch physikalisch interessant, denn je tiefer, desto oranger wird’s.

Cepheiden

Wenn die Sonne tief steht (Pfad a) muss das Licht mehr Weg in der Atmosphäre zurücklegen als zentral (b).

Schön. Jetzt wissen wir, warum der Himmel tagsüber blau leuchtet. Aber im Bild ganz oben ist er gelb und das Bild hierdrüber zeigt gelb-orange. Wenn man ausreichend lange am Strand sitzt, dann soll man selbst intensives rot beobachten können⁸.
Die Ursache ist jedenfalls wieder die gleiche: blaues Licht wird gestreut, stärker als gelbes und viel stärker als rotes. Wenn die Sonne tief steht, muss das Licht durch mehr Atmosphäre, als wenn sie zentral über einem brennt. Und damit wird auch mehr blaues Licht weggestreut. Übrig bleibt je nach Wegstrecke in der Atmosphäre gelbliches bis rötliches Licht.

Übrigens wird die Intensität, mit der Licht gestreut wird, von der Luftfeuchtigkeit beeinflusst: viel macht viel. Ein besonders roter Sonnenauf oder -untergang bedeutet also viel Wasser in der Luft. Damit kann man dann auch die Bauernregel erklären, nach der auf Morgenröte im Laufe des Tages Regen folgt: die Luftfeuchtigkeit steigt nämlich aufgrund wachsender Temperaturen nach oben und kondensiert irgendwann zu Wolken, aus denen es dann später am Tag regnet.

Mondfinsternis

atomicshark

Bei einer Mondfinsternis erscheint der Mond orange-rot.

Es gibt sogar noch eine Sache, die man recht einfach mit diesem Verhalten verstehen kann: den roten Mond bei Mondfinsternissen. Wie die, die man gerade erst nicht sehen konnte⁹.
Bei einer Mondfinsternis steht der Mond auf der sonnenabgewandten Seite der Erde und wäre eigentlich ein Vollmond, aber der Erdschatten wird geschickterweise genau auf den Mond gelenkt. Er wird dunkel. Aber nicht ganz schwarz, denn ein bisschen Licht von der Sonne wird in der Erdatmosphäre gebrochen. Das ist das gleiche Prinzip, warum die Welt am Rand eurer Brille leicht versetzt weitergeht und man im Nebel nicht weit gucken kann.

Und wer eben aufgepasst hat, weiß auch, warum der Mond dann rötlich und nicht weiß angeleuchtet wird. Tipp: mit Blut hat es nichts zu tun.

Schlussworte

So, hoffentlich ist euch jetzt ein Licht aufgegangen. Als Hausaufgabe fertigt ihr bitte ein Bild von euch mit euren Eltern/Geschwistern/Haustieren¹⁰ vor eurem Haus an, zusammen mit blauem Himmel und gelber Sonne. Da nächste Woche Lehrerkonferenz ist, schickt die Ergebnisse bitte an info@physikblog.eu.

mehr…

→ Wikipedia zum blauen Himmel (englische Erklärung)
→ Wikipedia zum grundlegenden Effekt: Rayleigh-Streuung
→ Bauernregeln aus Meteorologischer Sicht

1. Die vermeindlichen Kunstpflanzen sind schnell erklärt: Sie wirken so, weil das Bild aus mehreren einzelnen zusammengesetzt ist, damit sowohl dunkle als auch helle Bereiche optimal belichtet sind. Wer mehr wissen will: HDR bzw. Belichtungsreihe.
2. Achtung: Vorher unbedingt etwas anziehen, sonst schauen die Nachbarn wieder so seltsam.
3. Katzenbabies erscheinen nämlich süß, weil sie den Botenstoff »Kiutalan« entsenden um eventuelle Feinde vom Feindsein abzulenken. Jaha! Aber dazu an anderer Stelle mehr.
4. Name von der Redaktion geändert…
5. Dass das nicht funktionieren kann liegt daran, dass man den Regenbogen nur aus einem bestimmten Winkel sieht. Verändert ihr eure Position, verändert sich auch der Regenbogen. Nur Chuck Norris ist bisher zum Fuße des Regenbogens gelangt.
6. Insbesondere ist der Himmel blau und nicht grau. Und Wolken zählen nicht.
7. Das, was auch im Prisma passiert.
8. Das haben wir zumindest gehört — wir haben noch keinen Live-Stream gefunden.
9. Zumindest in Aachen waren zuviele Wolken am Himmel.
10. Katzen!

NASA

Eine Computersimulation von AMS, wie es sich auf der ISS häuslich eingerichtet hat. Inklusive Meeresblick.

Disclaimer: Andrés Diplomarbeit befasste sich mit der Inbetriebnahme eines Teils des AMS-Experiments, so dass er einen ganz guten Überblick über das Experiment gewinnen konnte.

Eigentlich wäre es schon am 29.04. abends soweit gewesen: der letzte Start¹ des Space Shuttles Endeavour mit Startnummer STS-134 stand an. Wegen technischer Probleme² wurde der Start auf später verschoben. Der nächste Versuch ist heute. Um 14:56 Uhr unserer Zeit hören wir hoffentlich den Countdown auf »… LIFTOFF!« runterzählen.

Mit an Bord: der »Alpha Magnetic Spectrometer« (AMS). Ein faszinierendes Experiment, das angedockt an die internationale Raumstation ISS das Weltall nach Hinweisen auf Dunkle Materie, schwere Antimaterie und weiteren lustigen Physikdingsies untersuchen soll. Im folgenden Artikel möchten wir versuchen, euch ein bisschen von der Fuckyeah-haftigkeit der zu untersuchenden Sachen mit auf den Weg zu geben. Ein paar technische Hintergründe, wie das ganze realisiert wird, kommt dann die Tage. Wenn unsere Hormonspiegel sich wieder vom Raketenstart erholt haben und unsere Finger nicht mehr so sehr zittern.

AMS sucht, was es finden kann

Aus bisherigen Messungen weiß man, dass die kosmische Strahlung größtenteils (99 %) aus Protonen und Helium-Kernen besteht, alles andere teilt sich das mickrige Rest-Prozentchen. Und an diesem Restprozent ist man interessiert.
In dem Rest stecken nämlich viele Interessante Sachen, die teilweise extrem selten sind. Man braucht also ein sensibles Experiment, das einen möglichst großen Bereich gleichzeitig beobachten sollte. Und natürlich Zeit.
Genau dafür ist AMS-02 ausgelegt. »02« deswegen, weil es schonmal eine Art Generalprobe an Bord eines Space Shuttles gab. Die AMS-Experimente sind stark vereinfacht ein bisschen wie CMS³ in kompakt und mit dem Stromverbrauch einer Kaffeemaschine. Noch weiter vereinfacht ist es eine Kamera, die zwar keine hübschen Farbbilder von Galaxien macht, dafür aber sagen kann, woraus sich die Strahlung zusammensetzt. Extrem genau und für die nächsten 10-15 Jahre an der Raumstation angedockt (je nach dem, wie lange die ISS da oben und die Geldkonten hier unten durchhalten).

AMS ist eine Universalkamera, die dabei helfen soll, ganz viel unterschiedlichen Kram abzubilden, von dem Der Doktor noch nicht auf seiner Reise durch das Universum berichtet hat.
Beispiel gefällig? Man bestimme in der kosmischen Strahlung das Verhältnis von Beryllium-9 zu Beryllium-10 und berechne damit, wie lang das Beryllium bereits unterwegs war⁴. Beides entsteht nämlich in einem Stern im konstanten Verhältnis, die 10er Version ist aber instabil und zerfällt mit der Zeit. Weniger Beryllium-10 vorhanden, Teilchen länger unterwegs. Magic.

Neben der allgemeinen, universalen Messung, was in welchen Mengen zu uns gelangt, will AMS noch ein paar Special-Features untersuchen. Neben ultrahochenergetischer Gamma-Strahlung und Strangelets — auf die wir erstmal nicht weiter eingehen — gibt es noch zwei Haupt-Augenmerke, die Stoff für Science-Fiction-Geschichten liefern.

Dunkle Materie

Los gehts mit einem Begriff, den der ein oder andere Leser vielleicht schonmal gehört hat, unter dem sich die meisten aber vermutlich nicht viel vorstellen können. Wobei: »Dunkle Materie« beschreibt schon ziemlich gut, womit wir es hier zu tun haben: Einem Klumpen Etwas, das nicht sichtbar ist. Daher dunkel. Tada.
»Also so wie diese schwarzen Löcher, die alles schlucken?« — Nee! Zum einen weiß man bei denen relativ gut, wo sie herkommen⁵ und zum anderen kann man schwarze Löcher tatsächlich »sehen« (wenn auch nicht optisch).

Warum es Dunkle Materie geben muss

van Albada et. al

Misst man die Rotationsgeschwindigkeiten der Sterne in der Galaxie NGC-3198 kommt nicht das heraus, was man erwartet (»disk«). Erst das Hinzufügen zusätzlicher Materie in den Randbereichen (»halo«) löst das Problem (»disk« + »halo«).

Das mit der Dunklen Materie ist jedenfalls eine ganz andere Geschichte, die aber nicht weniger mysteriös ist. Denn bisher hat man sie noch nicht abbilden können. Aber aus verschiedenen Gründen weiß man, dass es sie geben muss.

Da ist zum Beispiel das mit den Rotationsgeschwindigkeiten. Hier bei uns im Sonnensystem drehen alle Planeten schön ihre Bahnen, so wie die Herren Kepler⁶ und Newton⁷ das festgelegt beschrieben haben. Kann man ausrechnen und wenn man sich nicht verrechnet, landet man auch da, wo man hinwollte.
Komischerweise passt das in größeren Maßstäben nicht mehr so gut: In Galaxien bewegen sich die äußeren Sterne zu schnell, als man anhand der sichtbaren Materie vermutet hätte. Da man massenweise Booster-Raketen und Knick in der Optik ausschließen kann, muss man sich was anderes einfallen lassen. Eine Lösung ist das Hinzufügen von weiterer Materie in die Räume zwischen den Sternen. Oder besser ausgedrückt: zwischen den Sternen ist nicht nur einfach nichts, sondern etwas, das wir nur nicht sehen können.

NASA

Große Massen beeinflussen die Lichtausbreitung und verzerren somit Lichtquellen.

Klingt erstmal bescheuert und weit hergeholt, aber andere Phänomene lassen sich ebenfalls dadurch erklären. Gravitationslinsen sind eines von ihnen. Ihr habt sowas vielleicht schonmal im Zusammenhang mit einer Darstellung von schwarzen Löchern gesehen: um ein schweres Objekt herum sind andere Lichtquellen verzerrt (wie in dem Bild rechts). Große Massen ziehen nämlich nicht nur noch mehr Massen an, sondern auch das Licht. Dummerweise hat man auch hier wieder Beispiele gefunden, die nur mit den sichtbaren Sternen und Galaxien nicht erklärt werden können. Nimmt man aber ein bisschen Dunkle Materie ins Boot, stimmen die Vorhersagen wieder mit den Messungen überein.

Tatsächlich haben wir ziemlich viel Dunkle Materie in unserem Universum. Schätzungen gehen davon aus, dass etwa 5 % die normale, sichtbare Materie ausmacht und ganze 23 % auf die Dunkle Materie gehen⁸.

Und was ist jetzt Dunkle Materie?

Dunkle Materie ist also etwas massives; etwas, das gravitativ wechselwirkt, also der Gravitation unterliegt. So wie der Apfel und die Planeten. Gleichzeitig wechselwirkt sie nicht elektromagnetisch, wir können sie schließlich nicht sehen⁹.
Ganz schön seltsam.

Wegen dieses untypischen Verhaltens weiß man nicht genau, was Dunkle Materie eigentlich ist. Aber man kann sich mögliche Szenarien ausdenken. Eines davon besagt, dass sie sich aus dem leichtesten, neutralen¹⁰ Teilchen der supersymmetrischen Erweiterungen zum Standardmodell (SUSY) zusammensetzt. Was jetzt ein wenig wie Bullshit-Bingo für Elementarteilchenphysiker anhört ist die Folge einer ziemlich komplexen Theorie, die man nicht mal eben in der Mittagspause versteht.

au_riverhorse

SUSY-Teilchen sehen nicht so aus. Aber der LEGO-Einhorn-Bausatz könnte so aussehen.

Hindert uns natürlich nicht daran, es trotzdem in ein paar Zeilen zu versuchen, um wenigstens ein bisschen mehr als »Hä? Wie? Susi wird erweitert? Die Arme!« zu verstehen. Die Teilchenphysiker arbeiten nämlich mit einer Art LEGO-Katalog für Elementarteilchen: mit 17 Teilchen wird der LEGO-Bausatz »Universum«¹¹ realisiert. Leider hat keines die oben von der dunklen Materie geforderten Eigenschaften, so dass wir gerne eine Erweiterung hätten. Quasi der »LEGO+«-Katalog. Mit der Bedingung, dass die Teilchen aus der Erweiterung auch zu unseren Standardteilchen passen. Wär ja blöd, wenn das Einhorn aus dem +-Katalog nicht auf unsere Standard-Löwenzahnwiese passen würde.

Bisher ist das aber nur eine Theorie. Vor allem ist es eine von vielen Theorien. Aber um die richtige Wahl zu treffen, braucht es Experimente. Und AMS ist eines davon¹². Es sucht in der kosmischen Strahlung nach Signalen, die diese Theorie bekräftigen würden¹³. Wenn das gelingt, ist das zwar noch nicht sicher die einzige und ultimativ richtige Erklärung, aber man hätte immerhin schonmal eine Richtung, in der ein weiteres Experiment genauer gucken kann.
Und wenn man dann irgendwann mal weiß, was Dunkle Materie ist, dann kann man damit bestimmt super Sachen machen. Wie z.B. Ninja-Anzüge, Darkrooms oder ultracoole Sonnenbrillen.

An dieser Stelle passt natürlich das PhD-Comic-Video von letztens wunderbar. Falls ihr es noch nicht gesehen habt, macht eine kurze Pause und lasst euch berieseln. Wir treffen uns dann in ca. 364 Sekunden wieder hier.

Antimaterie

Ein weiteres Ziel von AMS ist die Suche nach Antimaterie. Dieses Fancy-Zeugs, das im CERN in großen Mengen für den Weltvorrat Antimateriebomben hergestellt wird — NICHT!¹⁴ Das ist nämlich ungefär genauso realisitisch, wie die Photonentorpedos oder der Warp-Antrieb aus Star Trek. Trotzdem ist Antimaterie ein interessantes Forschungsgebiet. Und dabei gar nicht mal so unnatürlich: In unserer Atmosphäre entstehen ständig Anti-Protonen und Anti-Elektronen — und vernichten sich kurz später wieder.

Von Annihilation, Asymmetrien und Antisternen

NASA

Am Anfang war Licht, dann kommt ein Gitter und irgendwann war das Universum mit Galaxien und Affen da.

Der Grund dafür ist, dass Energie und Materie ineinander überführt werden können. Großmeister Einstein fand heraus, dass Blitz gleich Klotz, oder abgekürzt E=m·c². Links Energie, rechts Masse und Lichtgeschwindigkeit. Nimmt man sich genug Energie auf einem Punkt, kann dabei Masse entstehen. Die Materie, die wir kennen, hat aber eine elektrische Ladung¹⁵ und weil man in einem geschlossenen System keine Ladungen erzeugen kann, muss die Gesamtladung vorher und nachher gleich sein. Man braucht also Materie und Antimaterie, die genau umgekehrt geladen ist. Soweit klar?
Ungefär das ist auch damals™ beim Urknall passiert: Eine verdammischt große Energiedichte hat dafür gesorgt, dass aus dem Nichts Materie entstehen konnte. Und eigentlich auch genausoviel Antimaterie. Nur: wo ist sie?

Zwar vernichtet sich Antimaterie wieder, wenn sie mit Materie zusammentrifft (man nennt es Annihilation), aber dann wäre ja nichts mehr übrig. Man vermutet daher eine Asymmetrie bei der Produktion. Aus irgendeinem Grund ist etwas mehr Materie als Antimaterie produziert worden, so dass wir heute aus Materie bestehen¹⁶.
Trotzdem kann man sich vorstellen, dass es irgendwo da draußen Antimaterie-Ansammlungen gibt. Allerdings würden sich gemischte Gebiete schnell verraten, weil bei der Annihilation charakteristische Strahlung erzeugt wird. Da man die bisher nicht gesehen hat, ist zumindest in unserer Umgebung ausgeschlossen, dass es Antimaterie-Ansammlungen gibt¹⁷.
Aber irgendwo ganz weit draußen? Vielleicht eine ganze Anti-Galaxie? Mit Anti-Sternen, Anti-Planeten und Anti-Katzen¹⁸? Prinzipiell kein Problem. Weil Antimaterie elektromagnetisch genauso wechselwirkt wie normale Materie, würden wir den Unterschied im Licht nicht sehen. Was wir aber sehen könnten wären Überreste aus alten Sternen.

Genauso wie man in der kosmischen Strahlung Helium, Kohlenstoff und weitere Stoffe messen kann, die ein Stern mal ausgesch… produziert haben muss¹⁹, würde ein Anti-Helium bedeuten, dass es irgendwo Anti-Sterne gibt — oder zumindest irgendwann mal gab.

Nach diesen schweren Antimaterie-Teilchen sucht AMS. Auch wenn man nichts findet, so kann man doch die Grenze, bis zu der es ziemlich sicher keine Antimaterie-Klumpen gibt, weiter ausdehnen. Übrigens weiß man bisher, dass auf 300 Millionen Heliumkerne weniger als ein Antihelium-Kern kommt²⁰.

Ein spannendes Kapitel in der Astroteilchenphysik beginnt

Die Ziele, die mit AMS-02 verfolgt werden, sind zwar ein bisschen Abgefahren, aber durchaus nützlich. Es ist wie immer in der Grundlagenforschung: Man weiß vorher noch nicht so richtig, was bei rumkommt. Außer, dass man hinterher mehr weiß als vorher. Bis man soweit ist und tolle Dinge herausgefunden hat wird es vermutlich noch ein bisschen dauern.
Aber der letzte Schritt zum Start der Erkenntnisreise wird heute um 14:56 Uhr mitteleuropäischer Sommerzeit angegangen: Das Space Shuttle Endeavour mit AMS-02 an Bord startet. (Hoffentlich.)

Wir werden es jedenfalls im Live-Stream der NASA verfolgen. Und ein paar der ehemaligen Kollegen ein bisschen beneiden, weil sie am Kennedy Space Center in Florida einen Logenplatz beim Start haben.

Rllacey

Das Space Shuttle Endeavour wartet auf der auf der Abschussrampe, dass endlich mal jemand anfängt rückwärts zu zählen.

1. Und der vorletzte geplante Space-Shuttle-Start überhaupt!
2. Eine Heizung an einer Treibstoffleitung hat nicht funktioniert. Und da momentan alle verfügbaren Heizungen an der Klimarerwärmung arbeiten, musste man erstmal Ersatz organisieren.
3. Dieses Experiment am LHC, über das wir hier auch schon berichtet haben.
4. Damit will man sogenannte »Propagationsmodelle« erstellen bzw. verfeinern. Also Beschreibungen, wie Materie durch unsere Galaxie wandert.
5. Sie entstehen, wenn ein großer Stern stirbt und in seinem Kollaps so klein wird, dass die Rest-Materie extrem stark verdichtet wird. Wie bei einer Schrottpresse der Chuck Norris Waste Corporation. In groß.
6. Der hat gesagt, wie zwei Körper zueinander Kreisen, also auch Planeten um eine Sonne.
7. Der mit dem Apfel und der Schwerkraft.
8. Ihr habt es sicherlich gemerkt: Da fehlt noch ein bisschen bis 100 % und mit Rundungsfehlern ist das schwer erklärbar. Der Rest wird größtenteils von Dunkler Energie beansprucht, die nochmal verrückter ist als Dunkle Materie. Lassen wir hier aber raus. Hat nämlich nichts mit AMS zu tun.
9. Elektromagnetismus ist das, was Element zu Molekülen werden lässt. Aber auch das, was dazu führt, dass Photonen aufgenommen und wieder abgesondert werden können. Gemeinhin führt das zu einem Phänomen, was im Humanwortschatz mit »Sehen« bezeichnet wird.
10. Keine elektromagnetische Wechselwirkung, ihr erinnert euch…
11. Empfohlen für Kinder mit abgeschlossenem Physikstudium.
12. Ein paar andere suchen in Bergen oder links vom Urknall.
13. Was man sich da im Detail von erwartet kommt dann im Folgeartikel.
14. Zwar produziert das CERN tatsächlich Antimaterie und speichert sie, allerdings in verschwindend geringen Mengen. Gerade mal 309 Anti-Wasserstoff-Atome hat man desletzt für etwa 17 Minuten speichern können, also fast nichts.
15. Jaja, es gibt noch andere Ladungen, liebe Teilchenphysiker…
16. Tatsächlich ist das eine beliebige Wahl. Genausogut könnten wir aus Antimaterie bestehen, aber es Materie nennen.
17. Wen der Zahlenwert interessiert: Antimaterie-Ansammlungen müssen mindestens 20 Mpc weit weg sein, ganze Galaxien sogar etwa 1 Gpc.
18. Ich rate euch übrigens dringend davon ab, Anti-Katzen zu streicheln. Die sind nicht antistatisch!
19. Eine zufällige Produktion von Helium durch vier Protonen, die sich auf ihrer Reise im Nichts treffen, ist quasi ausgeschlossen. Und wird zu schweren Kernen immer ausgeschlossener.
20. Das aktuellste Ergebnis stammt von der BESS-Gruppe, die 2009 diesen Wert veröffentlicht hat.

jimmiehomeschoolmom

Aus Indien stammt eine andere Art zu rechnen, als wir es gewohnt sind. Aber bestimmt nicht so wie hier zu sehen.

Aus Indien stammen Rechenarten, die etwas anders funktionieren, als es die weltbesten Blogleser in der Grundschule gelernt haben. Diese vedisch¹ genannten Regeln machen einiges anders und sind der Oberhammer auf jeder Nerdparty, funktionieren aber nicht immer besser als unsere gewohnten Methoden. Aber beim Berechnen von großen Zahlen können sie wie eine Turbo-Taste wirken.

Nehmen wir mal das Multiplizieren der über den komplexen physikBlog-Zufallszahlen-Algorithmus² gewonnene Zahlen 894 und 997. Beide komplettieren wir bis zur nächsten Zehnerpotenz, in unserem Fall 1000.
894 + 106 = 1000
997 +   3 = 1000

Am besten schreibt man sich das jetzt nebeneinander, also z.B.
894 106
997   3

Jetzt brauchen wir zwei Dinge:
1. die Differenz von zwei über kreuz liegenden Zahlen, also
894 - 3 = 997 - 106 = 891.
Welche Differenz ihr nehmt ist egal.

2. brauchen wir das Produkt aus den beiden Zahlen, die rechts stehen:
106 × 3 = 318.

Die Ergebnisse schreiben wir unter unsere kleine Liste weiter oben und erhalten
894 106
997   3

Voilà!

Und wer das ganze nochmal von Ranga Yogeshwar in einem Video erklärt haben möchte, klickt.

http://www.youtube.com/watch?v=Sk8JXuLp6CI

DirektMultiplizieren

(via eyesaiditbefore)

Ein kleiner Nachtrag: Chris hat sich mal hingesetzt und zwischen zwei Kaffee bewiesen, warum das, was wir oben beschrieben haben, mit allen Zahlen funktioniert. Danke!
Hier der Beweis:

Der Beweis, dass das mit der vedischen Multiplikation auch immer geht. Danke Chris!

1. Die vedische Mathematik ist aus dem hinduistischen Bibel-Analogon »Veda« herausgearbeitet. Daher der Name.
2. Leider waren die Zufallskatzen aus. Wir haben das zweitbeste Zufallstier benutzt: Numpad.

Alles neu macht der Mai Donnerstag. Nach vierhundertdreißig Kaffee, drölfundfünnfzischhundert Zeilen Code und sieben durchgekraulten Katzen sind wir endlich soweit. Wir präsentieren euch voller Stolz:

physikBlog 3.0

Das beste, tollste und uberste physikBlog, das wir je für euch gemacht haben. Mit aufgeräumtem Aussehen, verbesserten Funktionen (sowohl intern wie extern) und einem WordPress, dass wieder am Zahn der Zeit nagt. Und Liebe. Natürlich.

Die frischintegrierten Highlights dieser Version physikBlog:

• Hübscher!
  In einem langwierigen Designprozess, dessen Papierverbrauch einem deutschen Amt gleich kam, haben wir dieses Design iteriert. Moderner und elektronischer — aber immernoch lila. Und mit abgesetzten Überschrift-Schriftarten.
• Reduzierter!
  Unser Feng-Shui-Großmeister Herrman (gleichzeitig auch unser Hausentrümpler) riet uns, euch so wenig wie möglich zum absoluten Lesegenuß in den Weg zu stellen. Das Logo und ein paar wenige Menüpunkte sind übrig geblieben, der Rest sind die Artikel.
• Footer!
  Daraus folgt, dass wir den ganzen Krempel in den Keller gebracht haben. Schön ordentlich in Regale einsortiert und beschriftet. Oder in der Websprache: wir haben jetzt einen Footer! Erreichbar durch Scrollen oder »mehr unten« oben rechts.
• Breiter!
  Und weil wir soviel Wert auf den Inhalt und eure Leseunbeschwertheit gelegt haben, ist der Inhaltsbereich auf volle 750 Pixel erhöht worden. Yeah! Endlich mehr Platz, auf dem wir uns austoben können. Soviel Platz, dass wir die Schriftgrößen gleich mit erhöht haben. Wir werden ja alle etwas älter.
• Kommentarer!
  Die sind aufgeräumter, bunter und haben einige neue Funktionen. Wir haben @-Replys aus Twitter herüber geholt und sie bei uns eingefügt. Yeppa!
• Bilder!
  Unser hauseigener Programmieraffe hat ein WordPress-Plugin geschrieben, dass die Uploadmaske der Blogsoftware so abändert, dass ihr bei Creative-Commens-lizensierten Bildern im Beitrag ein hübsches Overlay erhaltet. Wird auch noch veröffentlicht, wenn die Bugs rausge-x-t sind.
• Sozialer!
  In der Einzelansicht von Beiträgen findet ihr unten jetzt die volle Breitseite Sozialkrams. In der Beitragsübersicht haben wir’s knapper gehalten. Benutzt es, wir freuen uns über jeden Like, Tweet und flattr!
• Gimmickser!
  Gesundheit! Neben den größeren Sachen haben wir auch vielen tollen Kleinkrams umgestellt und eingebaut. Da wir selber nicht mehr wissen, was wir alles geniales gemacht haben: schreibt doch einfach in die Kommentare, was ihr noch so findet.

Guckt euch um, hinten rechts gibt’s Schnittchen und ein paar Streichelkatzen zum Mitnehmen und wenn noch irgendwas hakt, einfach dreimal im Kreis drehen, dann habt ihr andere Probleme. Nee, im Ernst: wenn euch was auffällt, was so bestimmt nicht von uns gedacht war oder ihr etwas besonders klasse findet: Kommentar, E-Mail, Brieftaube — wir freuen uns über eure Rückmeldung!

Wir hoffen, euch gefällt das neue physikBlog genauso wie uns. Dann dürft ihr gerne in den Kommentaren davon berichten.
Wenn’s euch nicht gefällt: Das bleibt jetzt so. Gewöhnt euch besser dran.

DigitalGlobe

Das Erdbeben vor Japan hat zu großen Schäden und enormen Problemen am Kernkraftwerk Fukushima I geführt.

Disclaimer: Andi und André haben Physik an der RWTH studiert und als Nebenfach Reaktortechnik belegt. Unfehlbar macht uns das allerdings noch lange nicht. Leider. Fehler? → Kommentar!

»Die Kacke ist am Dampfen« schrieben wir am Samstag letzter Woche in der Vorgängerversion dieses Artikels. Leider tut sie das im Kernkraftwerk Fukushima I immer noch ordentlich.
Das Problem an der ganze Chose: Ereignisse und damit Meldungen überschlagen sich, Emotionen sind im Spiel und das ganze wird mit einer Prise Fehlinformationen gewürzt. Heraus kommt ein Brei aus gefährlichem Halbwissen und politischen Meinungen, die eine sachliche Diskussion erschweren.
Wir hier im physikBlog wollen aber eine ebensolche führen, basierend auf wissenschaftlichen Erkenntnissen. Es folgt, wie schon am Samstag, ein Versuch, die Geschehnisse zu ordnen und erklären¹.
Dieser Artikel befand sich fünf Tage lang im Ofen, durchlief mehrere Iterationen und einige Erweiterungen. Herausgekommen ist ein 6000-Wörter-Text, der hoffentlich das meiste zum Thema abdeckt. Puh. Beim Schreiben haben uns unsere Kommentatoren Susi und Tr kräftig unterstützt. Ein ganz großes »Danke« dafür!

Stand:
5. April 2011, 15:00 Uhr
Es gibt jetzt ein Diskussions- & Info-Forum!

Bitte beachtet das, schließlich behandeln wir hier ein aktuelles und sich schnell entwickelndes Ereignis. Am Ende des Artikels seht ihr übrigens das Änderungs-Log.

Technischer Hintergrund der Vorgänge im Kernkraftwerk

Um die Situation verstehen und vor allem ein bisschen einschätzen zu können, müssen wir uns leider auch mit ein paar technischen bzw. physikalischen Details zu den Vorgängen beschäftigen. Wir haben uns etwas ausführlicher schon in einem anderen Artikel damit beschäftigt.

Kernkraftwerk im Normalbetrieb

In einem Kernkraftwerk wird über atomare Spaltprozesse Energie freigesetzt, die Wasser erhitzt, schließlich zum Verdampfen bringt und dadurch Turbinen antreiben kann. Die Turbinen sind an einem Generator angeschlossen, der schließlich den gewünschten Strom produziert.
Die antreibende Kernspaltung findet in einer Kettenreaktion statt: Ein Uran-235-Kern spaltet sich — induziert durch ein stoßendes Neutron — in zwei kleinere auf, setzt dabei 2-3 Neutronen und einiges an Energie frei. Die Neutronen fliegen weiter und treffen andere Uran-235-Kerne, die sich dann ihrerseits spalten. Damit sie das tun können, müssen die Neutronen auf die richtige Geschwindigkeit abgebremst werden, sonst fliegen sie einfach dran vorbei. Dafür kommt ein Moderator zum Einsatz. In Fukushima sind verschiedene Reaktoren verbaut: Mark-I-Reaktoren von General Electric, andere von Toshiba und Hitachi. Allesamt sind Siedewasserreaktoren, bei denen Wasser der Moderator ist. Er bremst die Neutronen, weil die dauernd anecken und dadurch Impuls an das Wasser abgeben². [↫]

Störfall und Notabschaltung

Schema eines SWRs. (Bild: Wikipedia)

Kommt es nun zu unvorhergesehenen Störungen, wird automatisch eine Notabschaltung eingeleitet. Dabei werden Neutronengifte in den Reaktorkern gebracht, die wie ein Staubsauger für die umherfliegenden Neutronen wirken und somit die Kettenreaktion unterbrechen. Das geschieht über Steuerstäbe mit Bor oder Cadmium oder über den Zusatz von Borsäure zum Kühlwasser.
Ist die Kettenreaktion auf diese Weise einmal gestoppt, kann sie ohne weiteres nicht wieder in Gang gebracht werden.

Trotzdem wird es weiter heiß, weil im Brennstoff neben der Kernspaltung³ auch weitere Prozesse zur Kernumwandlung stattfinden. Diese setzen bei weitem nicht soviel Energie frei, wie die Kernspaltung, aber immer noch genug⁴, um weiterhin für eine Kühlung sorgen zu müssen. Im Artikel zur Nachzerfallswärme haben wir das näher erläutert.

Die Pumpen zur Kühlung laufen allerdings mit Strom⁵, daher ist es wichtig, dass dieser auch weiterhin zur Verfügung steht. Im Normalfall hat das Stromnetz genügend Kapazitäten, um das abzufangen. Sollte es mal nicht klappen, stehen zunächst Notstromaggregate und schließlich auch noch große Batterien zur Verfügung. [↫]

Ausfall der Kühlung

In Fukushima konnte aber der Stromzufuhr längerfristig nicht wieder hergestellt werden. Die Folge ist, dass die Kühlung ausfällt und mehr Wasser als gedacht verdampft. Das hat zwei entscheidende Nachteile:

Dampf kühlt wegen seiner geringeren Dichte nicht so gut wie Wasser. Durch den hohen Druck⁶ ist das nicht ganz so schlimm wie bei Atmosphärendruck, aber immer noch blöd.
Dadurch erhöht sich der Druck. Und das ganz gehörig. Um zu verhindern, dass einem der Druckbehälter um die Ohren fliegt, lässt man Druck ab. Das geschieht automatisch über Ventile und ist durchaus vorgesehen.
Weil der Wasserdampf aber direkt mit radioaktivem Material in Kontakt kam, möchte man den nicht in die Umwelt lassen⁷. Unter anderem deshalb gibt es um den Reaktordruckbehälter eine Sicherheitshülle, das Containment. Also ineinander verschachtelt wie die russische Matrjoschka. Das Containment ist gegen einen gewissen Innendruck ausgelegt, in Fukushima sind das 4 bar⁸. Bei zu hohem Druck muss aber auch hier Dampf nach außen in das Reaktorgebäude⁹ abgelassen werden.

Um zu verhindern, dass auf einmal Brennstäbe frei liegen und somit gar nicht mehr gekühlt werden, wird Wasser in den Druckbehälter eingespeist. Dafür gibt es Vorratsbecken mit extra Pumpen¹⁰, die den Wasserstand ausgleichen sollen. Klappt natürlich nur, wenn a) Strom da ist, b) noch genügend Vorratswasser vorhanden ist und c) alle Zuleitungen, Ventile und Steuerungen intakt sind. [↫]

Kernschmelze und mögliche Folgen

Werden die Brennstäbe schließlich zu heiß, z.B. weil sie teilweise ohne umgebendes Wasser sind, können sie schmelzen. Der Hauptbestandteil, Uranoxid, hat eine Schmelztemperatur von 2850 °C¹¹, kann also einiges aushalten. Was ab jetzt passiert hängt von vielen Rahmenparametern ab und ist schwer vorherzusagen, auch, weil Erfahrungswerte (zum Glück!) gering sind.
Der günstigste Fall ist, dass die Schmelze im Reaktordruckbehälter bleibt, die Stahlummantelung also standhält. Das wird nur klappen, wenn man irgendwie für eine äußere Kühlung sorgt. Ansonsten wird auch der Stahlbehälter schmelzen¹².
Wenn es also schlecht läuft, brennt sich der Klumpen regelrecht nach unten durch, je nach Materialmenge (Containment, Beton-Fundament) auf dem Weg kann das bis zum Erdboden und Grundwasser geschehen. Dann hat man ein Problem, weil verseuchtes Grundwasser nicht sonderlich gesund ist, wie man sich vielleicht vorstellen kann. Allerdings ist das lokal noch relativ eingeschränkt. Zur Geschwindigkeit, mit der das abläuft, haben wir weiter unten ein bisschen ausführlicher berichtet.
Wenn die Schmelze unterwegs auf Wasser trifft, kann es zu schlagartiger Verdampfung kommen, durch die Folgeschäden entstehen können. Vor allem aber steigt der Druck. Fängt man diesen steigenden Druck nicht ab, ist auch eine Beschädigung des Containments nicht ausgeschlossen und der direkte Kontakt zur Atmosphäre ist gegeben. Im schlimmsten Fall entsteht jetzt ein Feuer, dass radioaktive Partikel aufsteigen lässt. Der Wind tut sein übriges und es kann eine ziemlich große Fläche kontaminiert werden.
Prinzipiell kann es übrigens auch zu einer Knallgas-Explosion kommen, die ihrerseits die Schäden vergrößern kann. Das kann man aber mit Stickstoff als Schutzgas im Containment verhindern¹³. [↫]

Ereignisse in den Reaktorblöcken (Zusammenfassungen)

Allgemeine Situation

Nach dem Erdbeben wurden in diversen Kraftwerken Notabschaltungen durchgeführt, auch in 11 von 53 Kernkraftwerksblöcken¹⁴. Das heißt: Steuerstäbe mit Neutronenabsorbern rein, Borsäure zum Kühlwasser dazugeben. Dadurch wird die Kettenreaktion sofort gestoppt, die Stromproduktion des Kraftwerks wird eingestellt.
Kernkraftwerke müssen aber auch nach der Abschaltung weiter gekühlt werden und dafür brauchen sie Strom. Dummerweise hatten Erdbeben und Tsunami auch einen teilweisen Ausfall des japanischen Stromnetzes zur Folge. Kein Strom von außen heißt im Kernkraftwortschatz »Station Blackout« – das Kraftwerk muss sich also selbst versorgen. Spezielle Notstromgeneratoren¹⁵ stehen für genau diesen Fall bereit. Die sind auch angesprungen, in Fukushima I allerdings 55 Minuten nach dem Erdbeben aber wieder ausgegangen. Ob das direkt durch den Tsunami verursacht wurde ist nicht klar, da die erste Welle bereits sechs Minuten nach dem Erdbeben ankam¹⁶. Das Ergebnis war jedenfalls: kein Notstrom.

Aber auch dafür ist ein Kernkraftwerk eine gewisse Zeit durch Batterien gerüstet. Die halten den Kühlkreislauf provisorisch in Gang, bis von außen wieder Strom eingespeist werden kann. Hat man aber leider nicht so schnell geschafft, so dass es in den einzelnen Blöcken kritisch wurde. [↫]

Block 1 [460 MW_el, 292 BE im Abklingbecken¹⁷]

Diese Block war der erste mit argen Problemen. Ohne die funktionierende Kühlung ist im Reaktordruckbehälter immer mehr Wasser verdampft, dass über Ventile erst in das Containment und später¹⁸ die Umgebung abgelassen werden musste. Das hat zwischenzeitlich die Strahlungsmessgeräte wild ticken lassen, da der Wasserdampf kontaminiert war. Bei intakten Brennelementen handelt es sich hierbei größtenteils um kurzlebige, leichte Nuklide wie Stickstoff-16 mit einer Halbwertszeit¹⁹ von 7 Sekunden²⁰. Der Spuk ist also normalerweise schnell wieder vorbei.

Es wurden aber auch kleine Mengen Caesium-137 und Iod-131 nachgewiesen, typische Spaltprodukte von Uran-235. Man kann also daraus schließen, dass bei ein paar Brennstäben die Hülle defekt ist. Ziemlich mies, aber noch OK, wenn man immer nur mal ein bisschen Dampf ablassen muss. Man liest aber auch häufig, dass der Grund dafür eine bereits ablaufende Kernschmelze ist. Das ist zwar durchaus möglich, aber noch lange nicht sichergestellt. Es könnte z.B. auch sein, dass durch das Erdbeben eine Brennstabhülle beschädigt wurde. Sollte es aber trotzdem zu einer (teilweisen) Kernschmelze gekommen sein, so befindet diese sich noch im Reaktordruckbehälter.

Mark-1-Reaktor mit Beschriftungen und Highlights explodierter und gefluteter Bereiche.

Durch die hohen Temperaturen wird der Wasserstoff aus dem Kühlwasser gelöst, der ebenfalls abgelassen wurde. Zusammen mit Sauerstoff hat der dann im Reaktorgebäude das sogenannte Knallgas gebildet — der ein oder andere kennt’s vielleicht noch aus dem Chemieunterricht. Was Knallgas macht, wenn es mit Hitze in Kontakt kommt, sieht man eindrucksvoll den Videobildern: einen ordentlichen Knall. Das wichtige Detail ist hier, dass anscheinend nur das Dach hochgegangen ist, nicht der Reaktordruck- oder Sicherheitsbehälter. Darauf deuten die direkt nach der Explosion sinkenden Strahlungswerte.²¹

Nach der Explosion hat man jedenfalls alle Versuche, den eigentlichen Kühlkreislauf wieder in Gang zu setzen gestoppt und hat massiv mit Meerwasser geflutet. Sowohl in den Reaktordruckbehälter als auch in das Containment drumherum²². Die Beleuchtung der Schaltwarte sowie einzelne Instrumente sind mit Strom versorgt. Man erhielt erste Daten von Sensoren aus dem Reaktorblock, darunter Temperaturen des Reakturdruckbehälters. Die Kühlung des Druckbehälters wurde mittlerweile von Meer- auf Süßwasser umgestellt, um weitere Salzablagerungen zu vermeiden.
Man fand Wasser, was stark radioaktiv ist, und ist momentan auf der Suche nach den Lecks. Um nicht auf noch mehr unvorhergesehene Wasserstellen zu stoßen, hat man die Wasserzufuhrmenge in den Reaktordruckbehälter heruntergesetzt. Man braucht Platz für abzupumpendes kontaminiertes Wasser, daher wird Wasser durch die Gegend gepumpt — von einem Tank zum nächsten.

Kurzzusammenfassung: Gebäudedach explodiert, Druckbehälter und Containment vermutlich intakt. Durch die Wasserkühlung, mittlerweile mit Frischwasser, ist Block 1 aber momentan relativ stabil. Die Stromversorgung wird Stück für Stück wieder hergestellt. Man fand kontaminiertes Wasser, ist sich aber nicht sicher, woher es stammt.

Auf der internationalen Skala für nukleare Zwischenfälle (INES) hat der Reaktorblock momentan eine 5 von 7²³. [↫]

Block 2 [784 MW_el, 587 BE im Abklingbecken]

Der zweite Reaktorblock war bis zum Anfang der Woche eigentlich relativ unspektakulär. Er musste zwar wie die anderen Reaktoren mit Meerwasser gekühlt werden, aber eine gebäudezerstörende Explosion gab es hier nicht. Im Inneren des Gebäudes änderte sich das aber am Dienstagmorgen: Es kam zu einer Explosion, die zu einer temporären aber starken Erhöhung der Strahlendosis des Gebiets auf kurzzeitig 400 mSv/h führte. Brennelemente sind hier vermutlich ebenfalls beschädigt worden.

Man pumpte weiterhin Wasser zur Kühlung in den Reaktor, kann aber die Brennelemente nicht komplett mit Wasser bedecken – vermutlich ist also ein Leck im Reaktordruckgefäß oder in der Kondensationskammer vorhanden. Das wäre nicht gut und daher macht dieser Block des Reaktors auch mit die meisten Sorgen – er wurde auf der INES-Skala von 3 auf 5 hochgestuft.

Über eine Leitung wurde das System wieder mit dem Stromnetz verbunden. Die Schaltwarte hat wieder Licht, es gibt erste Temperaturmessdaten, die Wasserpumpen funktionieren über diese Leitung. Meerwasser wird massiv ins Abklingbecken gepumpt, ebenso (mittlerweile) boriertes Frischwasser in den Reaktordruckbehälter.
In einem Schacht sammelte sich stark radioaktives Wasser, was durch einen Riss direkt ins Meer gelangt. Man versuchte es mehrfach abzudichten, aber alle Versuche misslangen bisher. Wo das Wasser genau her kommt ist ebebfalls nicht sicher: Farb-Tracer wurden dem Wasser beigemischt, kamen aber nie im Schacht an.
Auch in diesem Block wurde die Wasserzufuhrmenge reduziert. [↫]

Block 3 [784 MW_el, 514 BE im Abklingbecken]

Der beschädigte Reaktorblock 3 in Fukushima. (Bild: DigitalGlobe)

Die Entwicklung in Block 3 ist sehr ähnlich zu der von Block 1, der als erster Reaktor Probleme gezeigt hat. Hier kam es ebenfalls zu einer Wasserstoffexplosion, die das Dach des Blocks weggesprengt hatte. Auf den Bildern des Orts sieht Block 3 am stärksten zerstört aus – zumindest von außen. Druckbehälter und Containment könnten beschädigt sein, aber wieder ist Genaues unklar.

Auffallend ist, dass immer mal wieder Dampffahnen über dem Block aufsteigen. Die könnten aus den Abklingbecken stammen, wo die »ausgebrannten« Brennstäbe zur Abgabe ihrer Nachzerfallswärme gekühlt werden²⁴. Dort ist zu wenig Wasser vorhanden, so dass man versuchte, mit Wasserabwürfen aus Hubschraubern und Wasserwerfern vom Boden den Wasserstand zu erhöhen. Immer mal wieder brach man die Wasserbefüllung ab (wegen zu hoher Strahlung, zu gefährlicher Situation) und war sich über den Erfolg nicht sicher. Die lange Befüllung mit Wasserwerfern und später mit einer Autobetonpumpe²⁵ lässt darauf schließen, dass man Erfolg hat. Mittlerweile befüllt man auch hier den Reaktorbehälter mit Süßwasser.
Zwischenzeitlich stieg Rauch auf und man musste wegen vermuteter Brand- oder Explosionsgefahr alle Mitarbeiter abziehen. Trotzdem hat man es mittlerweile auch hier geschafft eine externe Stromversorgung anschließen zu können²⁶, die Warte besitzt wieder Licht.
Beim Verlegen von Kabelleitungen wurden drei Arbeiter hohen Strahlendosen von mehr als 170 mSv ausgesetzt; kontaminiertes Wasser befand sich im Maschinenhaus. Dort könnte es über ein Leck hingelangt sein. Zwischenzeitlich wurde das verseuchte Wasser abgepumpt²⁷.
Aber das führte zu Wasser an anderen, ungünstigen Stellen (Kabelkanal), so dass man das Abpumpen erst ein mal stoppte.
Wasser wird immer wieder zugeführt, auch mit einer Autobetonpumpe in die Abklingbecken.

Die Zwischenfallsituation wird ebenfalls nach INES 5 bewertet. [↫]

Block 4 [784 MW_el, 1331 BE im Abklingbecken]

In Reaktorblock 4 passierte etwas anderes als in den Blöcken 1 bis 3. Denn Block 4 war zum Zeitpunkt des Erdbebens nicht »scharf«, es fand also keine Kernspaltungs-Kettenreaktion statt und die Brennstäbe waren nicht im stählernen Reaktordruckbehälter, sondern lagerten im Abklingbecken. Das ist der normale Aufbewahrungsplatz, wenn man zu Inspektionen den Reaktorkern leerräumen muss. Man kann sie schließlich nicht einfach in das Regal im Keller legen²⁸. Eine schöne Animation dazu gibt es bei der New York Times.

Man könnte also denken, der Block sei vorerst sicher. Von wegen! Denn auch hier gab es eine Explosion, die den Betonaufbau ordentlich zerstört hat. In der Außenwand des Reaktorgebäudes klafft ein großes Loch. Zwei mal brach Feuer aus, was von alleine wieder verschwand. Die Temperatur des Wassers im Abklingbecken ist hoch (die letzten Messwerte vom 14.03. lieferten 84 °C, teils scheint es zu kochen), zudem ist zu wenig Wasser im Becken vorhanden. Direkte Meerwassereinspeisung funktioniert nicht, dafür ist man etwa im Tagesrhythmus dabei, mit der Autobetonpumpe jeweils ca. 150 t Wasser da rein zu leiten.

Auch Block 4 hat mittlerweile einen Anschluss an die externe Stromversorgung und verfügt über Stromzufuhr in einzelnen Anlagenteilen.

INES: 3. [↫]

Block 5 [784 MW_el, 946 BE im Abklingbecken]
& Block 6 [1.100 MW_el, 876 BE im Abklingbecken]

Die Temperaturverläufe der Blöcke 5 und 6 im Vergleich zu einer Normaltemperatur²⁹.

Die beiden Blöcke waren genauso wie Block 4 für Wartungsarbeiten abgeschaltet. Auch in ihnen liegen Brennstäbe in den Abklingbecken, so dass der Wasserstand darin langsam sank. Hier gelang es, mit einem Notstromaggregat eine notdürftige Stromversorgung herzustellen, so dass die Becken mit Wasser nachgefüllt werden können. Waren die Wassertemperaturen in den letzten Tagen noch über 60 °C, sind sie momentan bei ca. 38 °C (Block 5) bzw. 21 °C (Block 6) und damit auf Fastnormalniveau. Der Grund dafür: Die Stromversorgung ist wieder hergestellt, das Nachkühlsystem läuft wieder – Juchu! Entsprechend gibt es keine INES-Bewertung für diese beiden Blöcke.

Insgesamt ist die Lage kritisch, Tendenz mal in Richtung Stabilität, mal in Richtung »wow, fuck, raus hier«. Der Einsatz von Wasserwerfern scheint Erfolg zu haben und die Autobetonpumpe scheint die Abklingbecken kühlen zu können. Alle Blöcke sind wieder ans Stromnetz angeschlossen und Schaltwarten und Maschinenhäuser haben teilweise wieder Licht.

Neben den bisherigen Problemen, die sich etwas abzukühlen scheinen, macht das in den Blöcken verteilte Wasser nun Stress: Teilweise ist es stark, teilweise schwach radioaktiv und befindet sich an Stellen, wo es nicht sein sollte. Wasser fließt ins Meer und wird mitunter bewusst dorthin abgeleitet. Fand man erst nur Radionuklide im Meerwasser, z.B. Iod-131³⁰, so ist man mittlerweile dabei die Flüsse des Wasser nachzuvollziehen.

Über den Blöcken steigt kontinuierlich Wasserdampf auf – vermutlich das verdampfende Wasser, das von außen draufgeworfen wurde.

Die von uns angegebenen Zahlenwerte und Aussagen stützen sich, wenn nicht anders angegeben, auf die Pressemitteilungen der Nuclear and Industrial Safety Agency (NISA).

Detailreichere und dadurch genauere Informationen zu den Status der Reaktorblöcken findet ihr auf der hervorragenden Seite der Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit sowie (hört hört) in der deutschen Wikipedia: Der Kernkraftwerk-Fukushima-I-Artikel ist mit vielen Quellen belegt, wird häufig aktualisiert und stichprobenartige Überprüfung ergab solide Zusammenfassungen. Hervorragend. Ebenfalls sehr gut³¹: Der englischsprachige Schwesterartikel sowie die Unfalltimeline in der englischen Wikipedia. Außerdem ein kurzer Hinweis auf die Übersichtsbeiträge von BraveNewClimate, z.B. diesen vom 26. März³². [↫]

Ein paar Fragen, die man häufig gestellt bekam

…damit ihr euch nicht auch durch die hunderten Kommentare der anderen Artikel wühlen müsst.

• Moderation? Ich dachte, das Wasser ‘bremst’ die Kettenreaktion?
• Der Reaktor ist doch abgeschaltet, warum müssen wir dann noch weiter kühlen?
• Die haben keinen Strom? In einem Kernkraftwerk??
• Warum hat man nicht sofort ein großes Notstromaggregat mit einem LKW hingeschafft?
• OK, aber man wird doch eine motorbetriebene Pumpe zum Kühlen da hinbauen können, oder?
• Ohne Kühlung kommt die Kernschmelze, was passiert da eigentlich genau? Und wie lange dauert das?
• Aber es hat doch da schon Explosionen gegeben, was war denn das?
• Wasserstoff, mhm? Der war doch vorher nicht da…
• Was bedeuten die gemessenen Strahlungswerte und wo kommen sie her?
• Lustiges Einheitenkarussell: Sievert, Milli, Gray, Röntgen, BecquerHÄ!?l
• Was heißt »kontaminiert« eigentlich, giftig oder einfach radioaktiv? Wieso duschen sich die Arbeiter und Feuerwehrleute im Fernsehen?
• Ist das gefährlich für die Menschen die dort leben?
• Kommt die radioaktive Wolke auch bei uns an und ist für uns gefährlich?
• Heißt das jetzt, wir haben ein zweites Tschernobyl oder wie?
• Aber den Super-GAU haben wir doch?!
• Kann es zu einer Explosion wie bei einer Atombombe kommen?
• Warum lassen die Japaner nicht ihre Roboter im Kraftwerk arbeiten?
• Wo kommt eigentlich auf einmal das Plutonium in Reaktor 3 her? Ist das nicht schlimm?
• Warum dauert es so lange, die Stromversorgung der einzelnen Blöcke wieder herzustellen?
• Bonus-Track: Fukushima in Bananen-Äqulivalenz-Dosis

Moderation? Ich dachte, das Wasser ‘bremst’ die Kettenreaktion?

Wahrscheinlichkeit der Spaltung von U-235 und Pu-239 für verschiedene Neu­tro­nen­ener­gien. (Bild: Vorlesungsskript)

Nein. Die Moderation sorgt dafür, dass die Neutronen langsamer werden. Erst dann können sie im großen Maße eine neue Kernspaltung auslösen. Das liegt daran, dass die Wahrscheinlichkeit, mit der eine Reaktion zwischen Neutronen und dem Spaltmaterial U-235 stattfindet, nicht immer gleich ist. Rechts sieht man den Verlauf dieser Reaktionswahrscheinlichkeit³³ in Abhängigkeit der Neutronenenergie (die der Geschwindigkeit entspricht). Vereinfacht könnte man sagen: sind die Neutronen zu schnell, fliegen sie einfach am Uran vorbei.
Ohne Moderator ist die Kettenreaktion schwierig, aber noch nicht ausgeschlossen. Daher müssen zusätzlich Neutronenabsorber wie Bor eingesetzt werden. [↻•↫]

Der Reaktor ist doch abgeschaltet, warum müssen wir dann noch weiter kühlen?

Auch wenn keine eigentliche Kettenreaktion mehr stattfindet, befinden sich im Reaktor noch Spaltprodukte aus dem Betrieb. Diese radioaktiven Elemente sind instabil und zerstrahlen nach einer gewissen Zeit³⁴ unter Aussendung von Energie. Es entsteht Nachzerfallswärme. Und zwar sowohl in Brennstäben im Reaktorkern als auch für solche, die im Abklingbecken lagern.
Wir haben dem Thema einen eigenen Artikel gewidmet, in dem Detail-Infos inkl. konkreter Zahlenwerte zu finden sind. [↻•↫]

Die haben keinen Strom? In einem Kernkraftwerk??

Klingt bescheuert, was? Nach dem Erdbeben fuhren die Atomkraftwerke ganz automatisch in »STOP«-Position. Steuerungsstäbe: rein, Neutronengifte: Go! und was sonst noch so dazu gehört. Wie gut oder schlecht das geklappt hat, ist noch nicht sicher — aber sie stoppten. Das heißt die Kraftwerke produzierten keinen Strom mehr.
Vermutlich wurden durch das Erdbeben, durch den Tsunami, oder ebenfalls durch die Notabschaltung auch die externen Stromversorgungen gekappt, so dass auch hier keine Zulieferung stattfinden konnte. Es deutet jedenfalls alles darauf hin, dass die Zuleitungen auch nicht eben mal so wieder repariert werden konnten. In wie weit das japanische Hochspannungsnetz überhaupt dazu geeignet ist, die Kernkraftwerke zu betreiben, ist auch gar nicht klar.
Blöder Strom. [↻•↫]

Warum hat man nicht sofort ein großes Notstromaggregat mit einem LKW hingeschafft?

Um das Kraftwerk überhaupt zu erreichen, mussten erst Aufräumarbeiten vorgenommen werden. In den ersten Tagen war nur schwer Durchkommen bis zu den Reaktorblöcken. Kleinere Aggregate hätte man auch mit dem Helikopter dahin transportieren können, zumindest um das Nötigste in Gang zu bringen.
Hat man auch geschafft, man hatte ca. einen Tag nach dem Ausfall Stromaggregate vor Ort, konnte sie aber nicht nutzen. Hier kommt das komplexe Gebilde eines Kernkraftwerks mit all seinen Einzelteilen zum Tragen: ist nach dem Erdbeben (Pumpen und Ventile beschädigt?), Tsunami (Wasseraufbereitung verstopft?) und Explosionen (Zuleitungen intakt?) die Wiederaufnahme der Kühlung überhaupt so einfach möglich? Insbesondere die direkte Stromversorgung zu den Pumpen schien Probleme bereitet zu haben.
Mittlerweile gelingt es übrigens, über eine Behelfskonstruktion immer mehr Kraftwerksanlagen mit dem 110-kV-Stromnetz zu verbinden. [↻•↫]

OK, aber man wird doch eine motorbetriebene Pumpe zum Kühlen da hinbauen können, oder?

Dort, wo die Strahlungwerte hoch sind, kann man keine Arbeiten mehr unmittelbar an den Reaktoren durchführen. Man muss etwas Abstand halten. Daher ist der Betreiber dazu übergegangen, »extern«, aus sicherer Entfernung Wasser in bzw. an den Reaktor zu befördern. Dies geschieht durch Hubschrauber, Feuerwehrwagen oder durch einen Betonpumpwagen.
Numbercrunching zur benötigten Wassermenge: Wenn man 1 MW Wärme (=3,6 GJ/h) durch Verdampfen von reinem Wasser (15 °C kalt) abführen möchte, sind bei Atmosphärendruck etwa 1,4 Tonnen Wasser pro Stunde zuzuführen. Geschieht der Vorgang unter einem höheren Druck als 1 bar erhöht sich die Kochtemperatur, und es wird weniger Wasser benötigt. Zahlenbeispiel für einen intakten Siedewasserreaktor: Bei 71 bar hat Wasser eine Siedetemperatur von 286 °C und es wird 1 Tonne Wasser pro Stunde benötigt. [↻•↫]

Ohne Kühlung kommt die Kernschmelze, was passiert da eigentlich genau? Und wie lange dauert das?

Brennelemente können so heiß werden, dass Tragestrukturen und Brennstoff schmelzen³⁵. Es gibt mehrere Möglichkeiten, was mit dieser Schmelze geschieht. Wir haben sie weiter oben erläutert.

Der geschmolzene Reaktorkern aus Tschernobyl. (Bild: INSP | Galerie)

Um mal den hypothetischen Fall abzuhandeln, dass sich die ungekühlte Kernschmelze »nach unten durchfrisst«, folgt ein bisschen Numbercrunching zur Geschwindigkeit. Die Reaktorblöcke 2-5 erreichen jeweils 784 MW_el Leistung (2.381 MW_th), die sie aus 548 Brennelementen beziehen³⁶. Aus dem Reaktortechnik-Vorlesungsskript von André und Andi hätten wir anhand der dort angegebenen Referenzdaten 490 Brennelemente geschätzt³⁷. Wir gehen also davon aus, dass wir zum groben Abschätzen mit weiteren Angaben daraus rechnen können (konkret zu den Fukushima-Reaktoren sind die nämlich schwer zu finden).
Jedenfalls besteht ein Brennelement aus mehreren Brennstäben, typischerweise bei SWR aus 8 · 8 = 64 Stäben³⁸. Zusammen sollten sich also etwa 35.000 Brennstäbe im Kern befinden. In einem Brennstab steckt größtenteils Uran, das pro Stab ein Volumen von etwa 466 cm³³⁹ einnimmt, der gesamte Kern also etwa 16,3 m³. Das würde bedeuten, dass alleine durch das Uran eine Masse von 310 t zusammenkommt.
Man kann sich nun überlegen, dass die geschmolzene Masse, nennen wir sie »Klumpen«, als Halbkugel auf einem ebenen Stahlboden ruht. Ist zwar ziemlicher Quatsch, weil der Druckbehälter unten rund ist, aber wir wollen ja auch nicht zu komplex werden. In unserem einfachen Modell hätte die Halbkugel einem Durchmesser von ca. 4,0 m und würde somit eine Fläche von 12,3 m² bedecken. Der Klumpen produziert nach einer Woche noch ca. 6 MW thermische Leistung aus der Nachzerfallswärme, sagen wir mal, dass die Hälfte auf den Stahlboden darunter geht.
Die Stahlwand eines Reaktordruckbehälters sind im Bereich von 20 cm⁴⁰, direkt unter dem Klumpen befinden sich also etwa 20 t Stahl. Gehen wir mal davon aus, dass wir die von 500 °C auf 1.500 °C erhitzen und schmelzen müssen, damit die Wand nachgibt, so würde das ungefähr eine Stunde und 20 Minuten dauern.
Der Klumpen lagert jetzt auf dem Betonfundament, das direkt unter dem Reaktorkern ziemlich dick ist. Wir nehmen hier mal 3 m und eine Starttemperatur von 20 °C an. Da durchzukommen würde nochmal etwas über einen Tag dauern.
Wohlgemerkt: diese Zahlen stellen eine ganz grobe Abschätzung dar und auch nur für den Fall, dass man den Reaktor sich selber überlassen würde. Dass es nicht so ist, wissen wir mittlerweile. Ebenfalls vernachlässigt wurde der kühlende Effekt des zu schmelzenden Materials.
Sollte dieser Klumpen am Ende noch heiß genug sein, um in den Erdboden einzudringen und schließlich auf (Grund-)Wasser zu treffen, so kommt es zu einer physikalischen Explosion. Dabei verdampft das Wasser schlagartig und durch den Dampf entsteht ein hoher Druck. Der entlädt sich in Richtung des schwächsten Widerstandes — vermutlich das Schmelzloch entlang nach oben, sodass der Klumpen teilweise hochgeschossen wird. Es ist jedoch recht schwer, zuverlässig die Auswirkungen vorherzusagen, insbesondere weil auch hier wieder Erfahrungswerte (zum Glück!) fehlen. Aber: momentan wird gekühlt und der Fall ist rein hypothetisch! [↻•↫]

Aber es hat doch da schon Explosionen gegeben, was war denn das?

Die haben nicht unbedingt etwas mit der Kernschmelze zu tun und können auch auftreten, wenn im Reaktordruckbehälter alles intakt ist. Die Explosionen, die man sah, sind ziemlich sicher auf eine Knallgasreaktion zurückzuführen, also der Kombination aus Wasserstoff, Sauerstoff und Hitze. Das macht ordentlich wumms und reicht aus, das Reaktordach abzureißen. [↻•↫]

Wasserstoff, mhm? Der war doch vorher nicht da…

Auch bei der Hindenburg hat Wasserstoff zur Zerstörung geführt. (Wikimedia)

Bei Temperaturen ab 900 °C entsteht durch chemische Reaktionen von Wasserdampf mit der Hülle der Brennelemente Wasserstoffgas. Diese Reaktion setzt zusätzlich sehr viel Wärme frei. Es gibt Berechnungen, dass in einem Druckwasserreaktor im Falle einer Kernschmelze in 6 Stunden ca. 5000 m³ Wasserstoff entstehen — das sind 5 Millionen Liter. In Verbindung mit Sauerstoff ist das eine hochexplosive Mischung: Das allseits bekannte Knallgas.
Dieses zusätzliche Problem wird erst seit dem Unfall im Kernkraftwerk Three Mile Island im Jahr 1979 bei der Auslegung eines Kernreaktors berücksichtigt. In Siedewasserreaktoren wird daher das Containment mit Stickstoff geflutet, so dass es nicht zu einer Knallgasreaktion kommen kann.
Darüber hinaus wird durch die radioaktive Strahlung im Reaktorkern Wasser direkt in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Allerdings ist die dabei entstehende Menge an Knallgas lange nicht so hoch wie bei der weiter oben beschriebenen Reaktion. Diese so genannte Radiolyse läuft auch während des Normalbetriebs des Kraftwerkes ab, so dass es Vorrichtungen (»Töpfer-Kerzen«) gibt das entstandenen Knallgas abzubauen.
Trotz dieser Vorkehrungen ist im Kernkraftwerk Brunsbüttel im November 2001 ein an den Reaktordeckel angeschlossenes Rohr durch eine Knallgas-Explosion zerstört worden⁴¹. [↻•↫]

Was bedeuten die gemessenen Strahlungswerte und wo kommen sie her?

Die Meldungen über die Strahlungsbelastung vor Ort sind häufig sehr vage. Angaben über »400-fache« Strahlungswerte oder »mehr als 2000 Mikrosievert« sind etwa so nützlich, als würde jemand seinen Benzinverbrauch mit »mehr als 3,4 Liter« bezeichnen.
Strahlung kann man sich gut als einzelne winzige Projektile vorstellen, die Schäden auf molekularer Ebene hervorrufen (siehe nächste Frage). Wenn man alle Teilchen zählt, die einen Menschen »verstrahlt« haben, kriegt man eine Strahlungsdosis. Wird diese Dosis wiederholt oder gar kontinuierlich zugeführt, spricht man von Strahlenbelastung. Wie unten erklärt kann der menschliche Körper einiges an Strahlung wegstecken, eine gewisse Belastung durch Hintergrundstrahlung aus dem Weltraum oder vom Boden erfahren Menschen jeden Tag und es beschwert sich niemand⁴².

Eine übersichtliche Darstellung verschiedener Strahlendosen bei xkcd.com.

Die Stärke der verursachten Schäden hängt von der Größe der Teilchen (ein ?-Teilchen macht mehr Krach), von ihrer Energie und der Durchdringungsfähigkeit (ein ?-Teilchen kann eine längere Strecke zurücklegen) ab. Daher wählt man häufig die Äquivalenzdosis, die Vergleiche untereinander einfacher macht. Die gängige Weise, die Äquivalenzdosis zu beschreiben, ist in Sievert, kurz Sv⁴³; wird diese stetig zugefügt, spricht man von Sievert pro Stunde oder pro Jahr — Sv/h bzw Sv/a.

Der Herkunft der Strahlung in der Nähe des Reaktors ist vielerlei, lässt sich aber zusammenfassen in zwei Hauptquellen: Im Betrieb strahlen die Brennstäbe Neutronen ab, die durch das Design des Reaktors ausreichend abgeschirmt werden sollten. Zweitens strahlen nach dem Ausbrennen die Zerfallsprodukte (ob in geordneter Form von Brennstäben oder nach deren Bruch) ?- und ?-Strahlung ab. Im Reaktorgebäude sind die ausreichend abgeschirmt und machen keinen Stress. Erst wenn die Zerfallsprodukte nach außen gelangen fangen die Probleme an.

Radiologische Messungen zur Strahlendosis am Kernkraftwerk Fukushima I. (GRS)

In den radiologischen Messungen sieht man, dass zum Beispiel am Mittag des 16. März nach »Freisetzungen aus Block 2 und 3« die Strahlungsbelastung am Westtor schlagartig etwa 12.000 µSv/h erreicht hat und dann innerhalb von ca. 3 Stunden wieder auf 1.000 µSv/h gesunken ist. Das bedeutet, dass wahrscheinlich eine kontaminierte Wolke ausgestoßen wurde, einen Sensor erreicht hat, dann immer weiter verdünnt und abgezogen ist. Wichtig ist, dass dies nicht bedeutet, dass dort permanent 12 mSv/h herrschen. Dieser Wert war dort nur für einen relativ kurzen Zeitraum messbar. Es bedeutet ebenso nicht, dass die Wolke diese Intensität beibehält — sie wird sich verdünnen und über einer immer größeren Fläche eine immer kleinere Belastung bedeuten.
Anhand der Messkurve, die man rechts sieht, wird klar, dass das bei allen bisher durchgegebenen Messwerten vom Kraftwerk der Fall ist⁴⁴. [↻•↫]

Lustiges Einheitenkarussell: Sievert, Milli, Gray, Röntgen, BecquerHÄ!?l

In den Berichten der Presse und auch den offiziellen Statusmeldungen aus Japan werden häufig gemessene Strahlendosen angegeben. Leider scheinen dabei die Einheiten auf ein großes Karussell gepackt worden zu sein, aus dem dann immer mal wieder zufällig eine möglichst verwirrende von ihnen aussteigen gelassen wird.

Sievert (Formelzeichen Sv) ist die Einheit der Äquivalenzdosis. Sie gibt an, wie stark die Strahlung den Körper beeinflusst bzw. schädigt (siehe vorheriger Abschnitt). Früher gab es dafür das rem, das »roentgen equivalent in man«, wobei 100 rem = 1 Sv sind. Die Äquivalenzdosis ist eine gewichtete Energiedosis, also durch die Strahlung deponierte Energie pro Masse (J/kg) plus einen Faktor für die Strahlungsart⁴⁵.
Lässt man diesen Gewichtungsfaktor weg, landet man bei der reinen Energiedosis und bezeichnet sie Gray (Gy). Ist der Gewichtungsfaktor der Strahlung 1 (z.B. bei β- oder γ-Strahlung), so ist entsprechend 1 Gy = 1 Sv. Hierfür wiederum gab es früher das Röntgen (R), dessen Definition (wie so häufig bei alten Einheiten) etwas WTF?! ist, in trockener Luft aber ähnlich wie oben: 100 R = 1 Gy.

Das ganze bezeichnet jetzt aber nur die insgesamt deponierte Energie. Strahlung ist allerdings über einen langen Zeitraum vorhanden und eine Person vielleicht nur kurz in einem verstrahlten Gebiet. Daher will man die Strahlungsdosis für eine gewisse Zeit haben, z.B. pro Jahr (/a) wenn es um natürliche Belastungen geht oder pro Stunde (/h), wenn man mit hoher künstlicher Radioaktivität hantiert. Denn als Arbeiter ist man eher ein paar Stunden im Kernkraftwerk und lebt da nicht. Daher sieht man häufig Einheiten wie mSv/h, also Milli-Sievert pro Stunde. Dass da vor Sievert noch Milli steht, liegt daran, dass Sievert pro Stunde schon ziemlich übel ist (siehe vorheriger Abschnitt) und man daher Vorfaktoren wählt, die eher passen. Genauso wird natürliche Strahlenbelastung häufig in Microsievert (µSv/h) pro Stunde angegeben, einem tausendstel eines Millisieverts. Man müsste sonst zuviele Nullen hinter’m Komma mitschleifen. Und dann vertut man sich nur.
Dass man sich auch so vertut, zeigt das fröhliche Vorsatzundzeiteinheitskarussell, was gerade in viele Pressemeldungen betrieben wird. Sievert, Mikrosievert pro Stunde und Millisievert pro irgendwas geht munter durcheinander, wird teils falsch umgerechnet und unpassend dargestellt. Ein hoher Spitzenwert von 400 mSv/h heißt noch nicht, dass wirklich über eine Stunde diese Äquivalenzdosis geherrscht hat — wahrscheinlicher ist, dass für nur ein kurzer Zeitraum⁴⁶ über diese starke Dosis verfügte und der Wert dann auf eine Stunde hochgerechnet ist. Es heißt, wie so häufig: Aufgepasst und mitgedacht!

Jedenfalls: Wir wissen nun also, wie man angeben kann, wieviel Wumms die Strahlung verursacht — gewichtet oder ungewichtet. Also eigentlich das, was uns interessiert, wenn wir von irgendwelchen Gefahren für Menschen ausgehen. Manchmal interessiert einen aber, wie häufig man von einem Stoff ein Strahlungsteilchen erwarten kann (z.B. für Untersuchungen am Stoff selber). Dafür gibt es dann das Becquerel (Bq): ein Maß für die Aktivität eines Stoffes. Es ist 1 Bq = 1 Zerfall pro Sekunde. Auch hier gibt’s die Pensionierungsversion davon: das Curie (Ci) mit 1 Ci = 3,7·10¹⁰ Bq. Prinzipiell ist auch hier ein höherer Wert schlecht, aber 10.000 Bq sind nicht gleich 10.000 Bq was die Schadensleistung angeht. Der eine Stoff mag etwas harmloser Strahlen als ein anderer.
Wie schon bei Millisievert pro Stunde gibt man auch hier häufig die relative Größe an, diesmal allerdings pro Menge, also z.B. Bq/cm³ oder Bq/kg, damit man Stoffe besser untereinander vergleichen kann.

Also in Kürze:
(Milli-, Micro-)Sievert: Wumms im Körper (mit Gewichtung der Schadwirkung).
Sievert pro Stunde: Wumms pro Stunde Aufenthalt im Körper.
Gray: Wumms in Materie (ohne Gewichtung der Schadwirkung).
Becquerel: Strahlungsteilchen pro Sekunde.

In etwas mehr Länge hat Slate sich ebenfalls der Dosenkonfusion angenommen. [↻•↫]

Was heißt »kontaminiert« eigentlich, giftig oder einfach radioaktiv? Wieso duschen sich die Arbeiter und Feuerwehrleute im Fernsehen?

Man spricht im physikalischen Sinne von einer Kontamination, wenn man radioaktive Stoffe dort entdeckt, wo die üblicherweise nicht hingehören. Wie etwa im Umfeld eines Reaktors oder in einer Siedlung.
Uran, Plutonium und auch deren Zerfallsprodukte strahlen nicht nur munter vor sich hin, sondern sind auch häufig chemisch für den Organismus nicht so gesund wie ein Arztbesuch oder der tägliche Apfel. Wenn diese Stoffe pulverisiert werden, können sie sich mit der Luft oder Wasser vermischen und verteilt werden.
Darüber hinaus können unbeteiligte Materialien und Stoffe kontaminiert werden, indem sie der Strahlung ausgesetzt sind, sich »aktivieren«⁴⁷ und selbst anfangen zu strahlen.
Normalerweise wird viel daran gesetzt, die strahlenden Substanzen vor der Umwelt abzugrenzen: Stahlbehälter, dicke Betonmauern, getrennte Wasserkreisläufe, Sicherheitsschleusen. Wenn die Kontamination wie im aktuellen Unfall doch eintritt, tut man alles, damit die Stoffe nicht inkorporiert werden – Atemschutzmasken und Overalls sind Pflicht.
Ist die eingesetzte Schutzkleidung keine Einwegkleidung, die man nach dem Einsatz fachmännisch entsorgt, wird sie nach der Arbeit dekontaminiert: man wäscht die radioaktiven Staubpartikel ab — und das ist das aus Film und Fernsehen bekannte Duschen. [?•?]

Ist das gefährlich für die Menschen die dort leben?

Radioaktive Strahlung führt zu Veränderungen an den Zellen aller davon betroffenen Lebewesen. Allerdings sind Menschen und höhere Tiere empfindlicher dagegen als primitive Tiere⁴⁸, Bakterien oder Pflanzen. Die an den Zellen entstandenen Schäden zeigen sich dann in den verschiedenen Organen und letztendlich am gesamten Organismus.
Geschädigt werden vor allem die Proteine in der Zelle und die Erbsubstanz, DNA, im Zellkern. Für DNA-Schäden hat die Zelle gut funktionierende Reparaturmechanismen, die allerdings auch manchmal Fehler machen. Gelingt die Reparatur, dann bleibt die betreffende Zelle ungeschädigt. Treten bei der DNA-Reparatur Fehler auf, wird die Zelle nicht mehr richtig funktionieren. Sie stirbt dann ab oder kann sich zu einer Krebszelle entwickeln. Oft haben diese Zellschäden aber keinerlei Auswirkung. Werden die Keimzellen geschädigt, kann der Fehler an die nächste Generation weitergegeben werden.
Wie stark eine Zelle durch die Strahlung geschädigt wird hängt von der Dosis ab, die vom Körper aufgenommen wird. Ganz grob kann man sagen, je mehr aufgenommene Strahlung, desto größer der Schaden und desto schneller tritt er auf.

Die durchschnittliche Strahlenbelastung eines Menschen. (Daten: Wikipedia)

Die natürlich vorkommende radioaktive Strahlung beträgt etwa 0,02 bis 0,03 µSv/h⁴⁹. Sie hat dabei verschiedene Quellen: die kosmischen Strahlung, die auf der Erde ankommt; Baustoffe; verschiedene natürlicherweise in der Umgebung vorkommende radioaktive Substanzen oder Bananen (s.u.).
Dieser Strahlung ist jeder von uns seit seiner Geburt ausgesetzt. Sie variiert von Ort zu Ort und nimmt mit zunehmender Höhe zu. Auch die Bodenbeschaffenheit spielt dabei eine Rolle: in Gebieten in denen man Granit findet ist die Strahlung hoch, in denen mit Kalkstein niedrig. Zum Beispiel findet man in Bremen 0,03 µSv/h, in Oberfranken 1,3 µSv/h Strahlendosis. Der Mittelwert in Deutschland beträgt 0,05 µSv/h; der Maximalwert 5,7 µSv/h. Dazu kommt zusätzliche Strahlung durch Röntgen und andere medizinische Behandlungen (Krebstherapie!) und nicht zu vergessen durch Flugreisen. In großen Höhen wird die Strahlung intensiv und Strahlendosen beim Fliegen liegen bei 2 µSv/h.
Beim havarierten Kraftwerk wurde, nach Angaben des Betreibers, am 17. März gegen 11:00 Uhr Ortszeit eine Strahlendosis von 646 µSv/h gemessen. Sie soll zeitweilig sogar zwischen 100 und 400 mSv/h gelegen haben. Würde die Intensität konstant bleiben (was sie aber nicht ist, s.o.), würde das für jemanden, der sich eine Stunde dort aufhält, bedeuten, dass eine Äquivalentdosis von 100 bis 400 mSv aufnimmt. Das ist deutlich höher als die übliche Strahlendosis und bleibt natürlich nicht ohne Folgen für die Menschen, die dieser Strahlung ausgesetzt sind.
Dabei gilt: Je höher die Dosis,

• desto schwerwiegender sind die Auswirkungen,
• desto schneller treten die Symptome auf,
• desto länger dauert die Erholungsphase,
• desto länger bleibt die Krankheit bestehen und
• desto geringer werden die Überlebenschancen.

Über Verlauf und Überlebenschancen entscheidet die erhaltene Äquivalentdosis.
Dabei treten die folgenden Symptome auf⁵⁰:

• weniger als 0,5 Sv: Keine akuten Symptome. Nachweis, wenn überhaupt, nur über eine verringerte Anzahl der roten Blutkörperchen.
• 0,5 – 1 Sv: klinisch messbar (weniger rote Blutkörperchen), Kopfschmerzen (Strahlenkater), erste Schädigungen des Immunsystems.
• 1 – 2 Sv (leichte Strahlenkrankheit): Übelkeit, Appetitlosigkeit, Müdigkeit, Unwohlsein; 10 % der Betroffenen sterben innerhalb eines Monats.
• 2 – 4 Sv (schwere Strahlenkrankheit): Haarausfall, Verlust der weißen Blutkörperchen, Sterilität, Durchfall, Blutungen unter der Haut; bis zu 50 % der Betroffenen sterben innerhalb eines Monats.
• 4 – 50 Sv (akute Strahlenkrankheit): mit steigender Dosis steigt die Zahl der Todesfälle; ab einer Dosis von 6 Sv kann man davon ausgehen, das alle Betroffenen innerhalb weniger Tage sterben.
• über 50 Sv: Sofortiger Eintritt des Todes.

Langfristige Schäden sind ein mit der aufgenommenden Dosis steigendes Risiko an Krebs zu erkranken und Veränderungen an der DNA, die an die folgenden Generationen weitergegeben werden können.

In Tokio, etwa 250 km von Fukushima entfernt, wurde am 17. März eine Strahlendosis von 0,14 µSv/h gemessen. Die natürliche Strahlung in Tokio liegt nach Angaben der japanischen Behörden zwischen 0,028 und 0,079 µSv/h. Das bedeutet, dass die Menschen die dort leben vorerst nicht gefährdet sind.
Allerdings muss man in einem Umkreis von mehreren Kilometern um das Kernkraftwerk mit langfristig erhöhten Strahlendosen rechnen, die zu einer erhöhten Krebsrate und genetischen Schäden in den folgenden Generationen führen können. [↻•↫]

Kommt die radioaktive Wolke auch bei uns an und ist für uns gefährlich?

Strahlenbelastung der letzten Jahre in Mitteleuropa. (Quelle: Quarks & Co.⁵¹ )

Nach einiger Zeit⁵² kommen sicherlich einzelne Teilchen um die Erde. Sehr unwahrscheinlich dagegen, dass sie in Europa schädlich werden können — vermutlich hat sich die Wolke bis dahin bis zur homöopathischen Konzentration (lies: Ungefährlichkeit) verdünnt. Auf jeden Fall aber wird sie weit unter den Werten liegen, die man bisher in Mitteleuropa aufgrund der Kernwaffentests und Tschernobyl gemessen hat.
Es ist bei uns also in keiner Weise notwendig mit einem Geigerzähler seine Umgebung und Nahrung zu kontrollieren oder gar noch vorbeugend Iodtabletten einzunehmen. Im Gegenteil: die bei Katastrophensituationen zum Schutz der Schilddrüse notwendige Menge an Iod⁵³ kann unter normalen Bedingungen schon gefährliche Nebenwirkungen haben. [↻•↫]

Heißt das jetzt, wir haben ein zweites Tschernobyl oder wie?

Kurz: Nein. Der bisherige Unfallverlauf ist unterschiedlich zu dem in Tschernobyl. In Tschernobyl geschah sehr viel sehr schnell. Dagegen ist das, was wir von Fukushima mitbekommen, fast eine Slow-Motion-Aufnahme. Außerdem hatte Tschernobyl einen anderen Reaktortyp mit einer anderen Art Unfall. Ein komplexes und großes Themenfeld, daher nur soviel: Es gab eine große Explosion, die zu starker Zerstörung und einem schwer zu löschenden Graphitbrand führte. Somit wurden über Tage hinweg große Menge radioaktiver Partikel freigesetzt. In den Wochen danach arbeiteten viele, viele Leute in extremer Nähe zum Reaktor, um das Ereignis zu kontrollieren.
Möchte man den jetzigen Unfall mit einem bekannten Ereignis vergleichen, dann ist das wohl eher ein zweites Three-Mile Island. Bei diesem Kernkraftwerk mit Druckwasserreaktor in den USA kam es Ende der 70er zu einer Kernschmelze, weil das Kühlsystem nicht so lief, wie es sollte. Dieser INES-5-eingestufte Unfall lief allerdings relativ glimpflich ab und konnte unter Kontrolle gebracht werden. [↻•↫]

Aber den Super-GAU haben wir doch?!

Meh. Darüber kann man sich streiten und es geht eigentlich an der Sache vorbei. Ein GAU bezeichnet den größten anzunehmenden Unfall, den man eingeplant hat. Ein Super-GAU geht darüber hinaus und provoziert einen Kontrollverlust. Wenn man sich also festlegen will, dann ist es eher ein Super-GAU, wobei man mittlerweile wieder beginnt, Kontrolle zu gewinnen.
Wichtig ist eher, dass man versteht, was genau passiert ist und daraus lernt. Ob das ein GAU oder Super-GAU ist, ist dabei egal. [↻•↫]

Kann es zu einer Explosion wie bei einer Atombombe kommen?

Nein. Das hat zwar beides etwas mit Kernspaltung und Neutronen zu tun, aber es gibt einen wichtigen Unterschied: Die Anreicherung. Bei Kernkraftwerken setzt man Uran in den Brennelementen ein, dass zu etwa 3 bis 4 % mit dem spaltbaren U-235 angereichert ist — eine leichte Anreicherung gegenüber dem natürlichen Niveau von 0,8 %. Damit eine Kettenreaktion so wild abläuft, wie die Freaks, die Atombomben bauen, es gerne hätten, muss Uran-235 zu wesentlich größeren Anteilen in der Kernwaffe vorhanden sein. Mehr als 80 % sind hier verwendete Anreicherungen.
Sollte es entgegen des momentanen Anscheins doch noch zu einer großen Explosion im Kraftwerk kommen, bei dem auch Materialien der Brennelemente freigesetzt werden, so ist der Effekt eher mit dem einer schmutzigen Bombe vergleichbar: Durch eine nicht-nukleare Explosion werden radioaktive Elemente in der Umgebung verteilt und verstrahlen dort das Gebiet. Partikel können dann auch weggeweht werden und weiter entfernte Bereiche verseuchen. Aber eine riesige Explosion mit dem klassischen Pilz, die gibt’s nicht. [↻•↫]

Warum lassen die Japaner nicht ihre Roboter im Kraftwerk arbeiten?

Ein sowjetischer Mondroboter hat bei der Räumung von Brennelementen in Tschernobyl versagt.

Der hochtechnologische Ansatz ist (mittlerweile) kein Science-Fiction — Roboter könnten dort agieren, wo die Strahlung für Menschen zu gefährlich ist. Abgesehen von organisatorischen und finanziellen Hindernissen gibt es aber auch eine physikalische Komplikation: die Halbleiterelektronik ist empfindlich gegenüber der ionisierenden Strahlung⁵⁴.
Die gesamte moderne Elektronik basiert auf Halbleitern (z.B. Silizium) und die Bestandteile von CPUs, genauso wie RAM oder Festplatten werden immer kleiner. Dies hat zur Folge, dass ionisierende Strahlung genügend Energie in den Bauteilen deponieren kann, um die Nullen und Einsen durcheinander zu bringen. Und wenn das bei einem Bit geschieht, das Zuständig ist, den Motor anzuschalten, versteht der nur noch Bahnhof und funktioniert entweder falsch oder gar nicht.
Im Weltraum hat man übrigens ein ähnliches Problem: Die Strahlung ist allgegenwärtig. Der Robustheit wegen werden daher z.B. die Mars-Rover mit knapp bemessenen 20MHz-CPUs ausgestattet. Unmöglich ist es also nicht, aber schwierig⁵⁵. [↻•↫]

Wo kommt eigentlich auf einmal das Plutonium in Reaktor 3 her? Ist das nicht schlimm?

Ja, Plutonium ist schlimm. Als Schwermetall ist es giftig für den Körper, das ist Uran aber auch. Das Problem bei beiden⁵⁶ ist, dass sie α-Strahler sind. Das Üble an α-Strahlung ist, dass dabei Helium-Kerne absondert werden, die aufgrund ihrer hohen Masse (im Vergleich z.B. zu β-Strahlung) eine hohe Schadwirkung erziehlen können. Glücklicher Nebeneffekt: sie kommen auch nicht weit, ein bisschen Luft oder im Zweifelsfall die oberen Hautschichten halten α-Strahlung ab. Problematisch wird es, wenn es in den Körper gelangt. Die Schwermetalle machen sich dann in allen möglichen Organen häuslich ein und richten über einen langen Zeitraum — beide haben hohe Halbwertszeiten⁵⁷ — radiologischen Schaden an.
Plutonium ist dabei aber etwas schlimmer als Uran, denn es hat eine kürzere Halbwertszeit (24.110 Jahre statt 4,5 Milliarden). Dadurch strahlt es häufiger bei gleicher Menge und erreicht somit schneller extrem schädliche Bereiche.

Dass man in Reaktor 3 Plutonium einsetzt hat, bedeutet aber trotzdem keine besonders gesteigerte Gefahr gegenüber den Nachbarreaktoren. Tatsächlich sind Brennelemente mit einer Mischung aus Uranoxid und Plutoniumoxid nicht selten. Sie finden auch hier in Deutschland Verwendung. Der Grund ist einfach: Plutoniumoxid, konkret mit Pu-239, entsteht in gewissen Mengen⁵⁸ als Nebeneffekt im Kernkraftwerk, hat aber noch Potential zur Kernspaltung (wie U-235). Es wäre also verschwendet, würde man es als Atommüll deklarieren. In der Wiederaufbereitungsanlage wird das Pu-239 vom Rest getrennt und zusammen mit frischem Uran-235 in sogenannten Mischoxid-Brennelementen (MOX-Brennelement) zum Kernkraftwerk gebracht. Der Anteil spaltbaren Materials bleibt dabei im Wesentlichen gleich, teilt sich jetzt aber auf U-235 und Pu-239 auf. [↻•↫]

Warum dauert es so lange, die Stromversorgung der einzelnen Blöcke wieder herzustellen?

Stück für Stück wächst der Anteil in der Kraftwerksanlage, der wieder mit Strom versorgt ist. Aber es dauert. Es ist eben nicht so einfach, da die Kabeltrommel auszurollen und den Stecker in die Steckdose zu stecken.
So ein Kraftwerk ist ein komplexes Gebilde, bei dem selbst kleinere Unterschiede andere Elektronik erfordern. Die Baujahre der ersten vier Blöcke liegen ca. 2 Jahre auseinander, die Anlagen sind von unterschiedlichen Firmen – das Prinzip des SWRs ist gleich, aber die Bauteile sind vermutlich alles andere als das. Außerdem ist der Schadensverlauf unterschiedlich, sodass nicht klar ist, was überhaupt noch funktioniert.
Ausführlich hat Eng in den Kommentaren etwas dazu geschrieben. [↻•↫]

Bonus-Track: Fukushima in Bananen-Äqulivalenz-Dosis

Und für alle die, die bis hier her ausgehalten haben, noch ein kleines Schmankerl: Bananen sind leicht radioaktiv — erfahrene physikBlog-Hasen wissen das bereits. In Bananen ist Kalium enthalten, dass natürlichweise auch zu 0,012 % aus dem radioaktivem Kalium-40 besteht. Durch das Essen einer Banane wird man somit einer Strahlendosis von etwa 0,1 µSv ausgesetzt⁵⁹.
Das bedeutet also, dass die Leute in Tokyo einer Strahlung ausgesetzt sind⁶⁰, die etwa einer Banane pro Stunde entspricht. Vermutlich ist das nicht so gesund, liegt aber wohl eher an der dann unausgewogenen Ernährung. [↻•↫]

Schlussworte

Ohne die besten Leser und Kommentatoren aller lila physikBlogs da draußen wären wir nichts. Und dieser Artikel auch nicht. Denn in den vielen vielen Kommentaren zu unseren letzten Artikeln kamen über die sachlichen Diskussionen Ergebnisse, die uns geholfen haben, den Artikel zu schreiben.

Ich gehe mal davon aus, dass das hier nicht anders wird.
In diesem Sinne: fröhliches Kommentieren!

Änderungen am Artikel

21.03. 18:20 Uhr: Frage/Antwort zu Plutonium im Reaktor 3 hinzugefügt.
21.03. 18:45 Uhr: Fußnote zur Entwicklung von Robotern durch die Kraftwerksbetreiber hinzugefügt
21.03. 19:50 Uhr: Änderung beim Ablauf der Kernschmelze: eine direkte Explosion in Folge einer Kernschmelze wurde früher mal angenommen, mittlerweile nicht mehr — insbesondere wegen Stickstoff als Schutzgas¹³. Ein reines Durchschmelzen scheint der wahrscheinliche Weg zu sein⁶¹.
21.03. 21:30 Uhr: Kleine Änderungen. Zur Verdeutlichung die nicht vorhandene INES-Einstufung von Block 5 & 6 erwähnt. Am Ende des zusammenfassenden Teils, kurz vor den Fragen, die Sekundärliteraturlinkliste noch um zwei Wikipedia-Links erweitert: Fukushima I nuclear accidents und Timeline of the Fukushima nuclear accidents. Wolfram-Alpha-Links durch Kurz-URL-Äquivalente ersetzt.
22.03. 18:30 Uhr: Containment in Fukushima ist gegen 4 bar ausgelegt, nicht 8 bar (das sind typische Druckwasserreaktoren in Deutschland).
23.03. 10:00 Uhr: Stand der Reaktorblöcke aktualisiert.
23.03. 13:31 Uhr: Frage/Antwort, warum die Stromversorung so lange braucht hinzugefügt.
27.03. 16:00 Uhr: Frage/Antwort zu verschiedenen Einheiten der Strahlungsmessung hinzugefügt.
27.03. 22:35 Uhr: Stand der Reaktorblöcke aktualisiert, einen neuen Weitere-Infos-Link hinzugefügt.
30.03. 00:33 Uhr: Antwort zur Schädlichkeit von Plutonium etwas überarbeitet.
05.04. 15:30 Uhr: Stand der Reaktorblöcke etwas aktualisiert (in kurz: Wasser überall, wo es nicht sein soll, Strom in den Maschinenhäusern, alles andere relativ unverändert)
11.04.: Es gibt ein Diskussions-Forum zu Unfall! Im passenden Blog-Artikel findet ihr etwas mehr Info.

1. Wer den Beitrag von Samstag kennt, wird ein paar Überschneidungen feststellen. Aber dazwischen findet sich auch Neues. Durchhalten!
2. Das funktioniert mit Wasser deswegen so gut, weil es leicht ist. Stellt euch vor, ihr nehmt einen Tischtennisball (= Neutron) und schießt ihn auf eine Billiardkugel (=schwerer Kern) – der Tischtennisball wird zurückprallen und nicht langsamer werden. Tischtennisball auf Tischtennisball wird dafür sorgen, dass der andere Ball schneller wird und unser Startball langsamer ? wir haben das Neutron gebremst.
3. Die haben wir mittlerweile ja gestoppt.
4. direkt nach Abschalten etwa 5% der ursprünglichen Leistung
5. Die Pumpen für den Primärkreislauf haben eine Leistungsaufnahme von ca. 7 MW und werden mit 10 kV betrieben!
6. Betriebsdruck: 70-80 bar.
7. In deutschen Kernkraftwerken kommen dafür übrigens Wallmann-Ventile mit eingebauten Filtern zum Einsatz, die radioaktive Stoffe auf ein hunderstel reduzieren sollen.
8. Quelle: Zusammenfassung des BMU.
9. Das Reaktorgebäude wird ab und zu als »secondary containment« bezeichnet, hat aber keine hermetische Abriegelung gegenüber der Atmosphäre. (Siehe Kommentar von Christoph)
10. Die brauchen dann sinnvollerweise nicht mehr so viel Leistung wie die Pumpen im Primärkreislauf.
11. Quelle: http://www.insc.anl.gov/matprop/uo2/melt.php
12. Schmelzpunkt: ca. 1500 °C, hängt von der genauen Zusammensetzung ab.
13. Siehe Kommentar von Susi
14. Quelle: JAIF-Report, Karte auf Seite 3. Ich habe allerdings in den offiziellen Pressemitteilungen der NISA (Beispiel) nur 10 gefunden, das AKW Tokai fehlt dabei. Keine Ahnung warum.
15. Station Blackout Diesel Generators.
16. Quelle: Technology Review bzw. diese Übersicht der Tsunami-Ankunftszeiten.
17. Quelle: Kurzbericht der GRS, die sich auf AKW-Betreiber TEPCO berufen. Alle weiteren Zahlen zu der Anzahl der Brennelemente in den Becken ebenfalls dieser Bericht.
18. als der Druck 8,4 bar überschitten hat — ausgelegt war er für 4 bar. Quelle: Zusammenfassung des BMU.
19. Die Zeit, nach der nur noch die Hälfte des Stoffs vorhanden ist.
20. Stickstoff ist deswegen da, weil es als Schutzgas eingesetzt wird.
21. Quelle: JAIF-Report vom 18.03.
22. Übrigens wird der Reaktordruckbehälter mittlerweile über Feuerlöschleitungen gefüllt.
23. Er liegt dabei auf einer Höhe mit dem Unfall im AKW Three Mile Island in den USA, bei dem es nach Aussetzen der Kühlung zu einer teilweisen Kernschmelze kam.
24. Das geschieht normalerweise durch einen aktiven Kühlkreislauf.
25. So ein Ding mit 58 m Gelenkarm, die mit einer Förderleistung von 50 m³/h betrieben wird.
26. Quelle: TEPCO Pressemitteilung
27. Quelle: Zusammenfassung der GRS, Stand: 27.03.2011, 20:00 Uhr.
28. Übrigens erreichen die dort gelagerten Brennelemente eine Leistung über die Nachzerfallswärme von etwa 2 MW (Quelle: Kurzbericht der GRS).
29. Temperaturdaten aus den Presseberichten von NISA und JAIF
30. 74 Bq/cm³, das ist ca. 2.000 mal mehr als erlaubt. Wie schlimm das jetzt aber wirklich ist, wissen wir leider auch nicht.
31. Vermutlich noch ein Stück besser?
32. Aber Achtung, mit der nötigen Skepsis genießen! Aber das solltet ihr bei dem Thema sowieso immer und überall.
33. Das Fachwort dafür ist: »Wirkungsquerschnitt«.
34. Zeitraum: Sekunden, Stunden oder gar Jahre. Das ist völlig unterschiedlich.
35. Allerdings auch nur bei extrem hohen Temperaturen mit über 2000°C.
36. Quelle: Kurzbericht der GRS
37. Dort sind typische Daten von deutschen Siedewasserreaktoren mit 1300 MW_el angegeben.
38. Streng genommen gibt es noch eine Stabposition in der Mitte, durch die Wasser fließt — Temperatur und so. Aber wir wollen ja hier nur grob abschätzen.
39. Durchmesser der Uran-Pallets bei 12,5 mm, aktive Höhe 3,8 m
40. Quelle: Reaktortechnik-Skript, allerdings für einen typischen Druckwasserreaktor.
41. Siehe auch Wikipedia Kernkraftwerk Brunsbüttel.
42. Tatsächlich gibt es Vermutungen, dass die Strahlung die Evolution mit voran getrieben hat
43. 1 mSv (milli) = 1.000 µSv (mikro) = 1.000.000 nSv (nano).
44. Ein besonders schlechtes Beispiel war ein »Experte« in einer Radiosendung, der mit dem bisherigen Maximalwert von 400 mSv/h ausgerechnet hat, dass die Techniker spätestens nach einem Tag tod sein müssen (weil man dann im Bereich von 10 Sv ist, siehe übernächste Frage). Dass es aber nur kurz so stark war, schien er unter den Tisch fallen gelassen haben.
45. Also ?-, ?-, ?-, und Pony-Strahlung. Eine von denen haben wir soeben frei erfunden.
46. Minuten oder nur Sekunden.
47. Das heißt, es entsteht ein radioaktives Isotop eines bekannten Elements.
48. Damit ist nicht euer Nachbar gemeint, sondern Kakerlaken und anderes solches Krabbelvieh.
49. Mikrosievert pro Stunde, s.o.
50. Siehe auch Symptome der Strahlenkrankheit der Wikipedia.
51. Das ganze scheint auf Daten zu basieren, die auch in diesem PDF, S. 17 verwendet werden.
52. Wochen? Monate? Jahre?
53. Bei einem Erwachsenen ca. 75 mg in einer einzelnen Dosis
54. Es wird dazu Forschung betrieben, hier auch ein Wikipedia-Artikel.
55. Laut dieserm Interview haben die Betreiber in Japan die Entwicklung von passenden Robotern abgelehnt, weil es dafür keinen Bedarf gebe. [via Kommentar von hilti]
56. Wir beziehen uns hier auf die häufigen Isotope U-238 und Pu-239, die in den Brennstäben vorkommen.
57. Ganz im Gegensatz z.B. zu Iod-131 oder Caesium-137.
58. ca. 1 % eines abgebrannten Brennelements aus einem Leichtwasserreaktor ist Plutonium — ganz im Gegensatz zu einem Brutreaktor, dessen Aufbau auf die massive Produktion von Plutonium ausgelegt ist.
59. Quelle: http://www.ehs.unr.edu/Documents/RadSafety.pdf, Seite 31
60. Daten wie oben vom 17.03.
61. Quellen dafür: Vorlesungsskript sowie eine Beschreibung des Karlsruher Instituts für Technologie.

Gerade eben erreichte mich die Nachricht, dass er in Frankfurt gelandet und heil auf ist. Er war zusammen mit zwei weiteren RWTH-Mitarbeitern dort (ebenfalls Kommilitonen von uns), auch die sind wohlbehalten zurück.

Das physikBlog sagt: Willkommen zurück!

Danke an dieser Stelle an Dr. Stefan Roth und Dr. Oliver Pooth vom betreffenden Physikinstitut, die sich am Wochenende die Nächte um die Ohren geschlagen haben, um die Rückkehr zu ermöglichen!

Wir haben eine Neuauflage geschrieben:
Eine Zusammenfassung der Probleme bei Fukushima I

Der folgende Text ist also veraltet. Bitte beim Lesen berücksichtigen.

Nachtrag: Am Fuße des Artikels gibt’s ein paar Nachträge!

Die Kacke ist am Dampfen. Ziemlich übel sogar. Nach dem Erdbeben vor der Ostküste Japans kam es zu Problemen im Kernkraftwerk Fukushima I. Ein paar persönliche, vorläufige Einschätzungen zur Lage¹, nachdem ich zusammen mit Andi schon die technischen Hintergründe bei Druck- und Siedewasserreaktoren abgedeckt habe:

Der Anfang

Nach dem Erdbeben sind 11 der 17 Kernkraftwerke in Japan — korrekterweise — automatisch abgeschaltet worden. Dabei wurden Steuerstäbe mit Neutronenabsorbern in die Kerne gefahren, so dass die Kettenreaktion gestoppt ist. Die Gefahr ist dadurch aber noch nicht gebannt, wegen der sogenannten Nachzerfallswärme muss weiter gekühlt werden.
Der Kühlkreislauf wird durch Pumpen aufrecht erhalten, die mit Strom versorgt werden müssen. Bei Fukushima I sind die Notstromaggregate mit dem eintreffenden Tsunami abgesoffen und Batterien sind eingesprungen.

Soweit alles eigentlich noch kein Problem. Die tauchten erst auf, als die vorhandenen Notstromaggregate nicht wieder ansprangen und später gelieferte Ersatzgeräte kein passendes Anschlusskabel hatten. Infolge dessen liefen die Batterien leer und der Kühlkreislauf wurde schließlich unterbrochen.
Auch die Ventile, die den Druck im Reaktorkern und Sicherheitsgebäude regeln, benötigen Strom, so dass ich vermute, dass hier auch nur noch abgewartet werden kann.

Die Kernschmelze

Steigt der Druck im Reaktor zu stark an, kann es zu Explosionen kommen. Eine davon hat man heute morgen sehen können, die betraf aber vermutlich nur das äußere Gebäude aufgrund eines Pumpsystems. Der Druckbehälter um den Reaktorkern, ein kräftiges Stahlgehäuse, ist vermutlich noch intakt, wenngleich es auch hier widersprüchliche Meldungen gibt.

Durch die ausgesetzte Kühlung heizt sich der Kern weiter auf und irgendwann schmelzen Tragestrukturen und Brennstoff — die Kernschmelze tritt ein. Nach ARD-Informationen ist dies bereits eingetroffen, die Regierung dementiert das aber. Gleichwohl räumt sie ein, dass die Schmelze wahrscheinlich ist.

Die nächsten Stunden sind entscheidend. Hat die Explosion große Mengen radioaktives Material freigesetzt? So wie es momentan aussieht nicht, auch der Druckbehälter, der den radioaktiven Kern enthält, scheint bislang stabil zu sein.
Was passiert, wenn es zur Kernschmelze kommt? Im günstigsten Fall bleibt sie im Druckbehälter. Das ist allerdings nicht sichergestellt. Wenn die Kühlkette langfristig unterbrochen bleibt, kann sie sich nach unten durchbrennen und Boden und Grundwasser verseuchen. Das ist zwar äußerst scheiße, aber lokal relativ begrenzt und somit relativ gut handhabbar.
Der schlimmere Fall ist eine weitere Explosion, die durch Überdruck oder sich entzündeten Wasserstoff hervorgerufen werden könnte. Diese Explosion kann dann nämlich große Mengen radioaktives Material in die Atmosphäre hinaus streuen, dass dann mit dem Wind fortgetragen wird und irgendwo großflächig verteilt als radioaktiver Fallout wieder runterkommt.

So wie Tschernobyl?

Die Ursachen sind sicherlich andere, auch der Ablauf der Katastrophe ist nur schwer vergleichbar. So kam es in Tschernobyl infolge von Ignorieren von Sicherheitsvorschriften und Bedienfehlern zu einer direkten Kernschmelze, ohne dass die Kettenreaktion gestoppt werden konnte. Der entstandene Klumpen hat also fröhlich weiter massiv Hitze produziert und die resultierende Explosion war enorm.

In Fukushima ist eine Kernschmelze zwar auch wahrscheinlich, allerdings nur durch Nachzerfallswärme. Dabei hat man mehr Vorlaufzeit und kann besser mit Notfallmaßnahmen reagieren: Gerade plant man, Meerwasser mit Bor zur Kühlung des Reaktors zu verwenden. Dass es zu einer Explosion mit Freisetzung von radioaktiven Material in die Atmosphäre kommt ist keine unbedingte Folge des Unfalls. Brennt sich die Kernschmelze nur nach unten durch, ist das Ausmaß längst nicht so katastrophal wie in Tschernobyl.
Sollte es doch zur Explosion kommen, ist die geografische Lage günstiger. Das Kraftwerk liegt am Pazifik und hat nach aktueller Windrichtung kaum betroffene Landfläche², sodass der Fallout nur wenig besiedelte Gebiete treffen würde.

Ich vermute also, dass die Schadwirkung in Japan nicht Tschernobyl erreichen wird. Ausgeschlossen ist es aber nicht – und toll schon gar nicht. Weil die direkte Umgebung so oder so Folgen davontragen wird. Tragisches Detail am Rande: Fukushima I sollte in einem Monat nach 40 Jahren Betriebsdauer abgeschaltet werden.

Weitere Informationen

- Technische Hintergründe, wie so ein Kraftwerk wie in Fukushima überhaupt funktioniert und was da so im Detail bei einem Unfall passiert, haben wir in einem anderen Artikel zusammengefasst: Dampf im Kessel: Druck- und Siedewasserreaktoren.
- Jörg sammelt bei sich im Blog interessante und qualitativ gute Links, die einem helfen, sich ein eigenes Bild abseits von Panikmache zu erstellen.
- Die Live-Berichterstattung von Al-Jazeera ist wieder sehr gut, auch der japanische Sender NHK World liefert zügig Informationen.

Nachtrag (Sonntag, 13. März)
24 Stunden sind ins Land gegangen, seitdem dieser Artikel geschrieben wurde. Viel ist passiert. Aber eines ist gleich geblieben: die verwirrende Nachrichtenlage aus Japan heraus. Aktuelle Informationen entnehmt ihr am besten den Tickern, die überall im Netz zu finden sind. Spiegel Online, Al Jazeera – oder in den Spezialsendungen im TV. Ein besonderer Hinweis weiterhin auf Jörgs Sammelposting, wo er immernoch gute Links zusammenführt.

Wir wollen hier ein paar Fragen besprechen, die in den Kommentaren auftauchten und auch ein kurzes Update zur Lage geben.

• Notstromaggregate und Energieversorgung: Warum fliegt das Militär nicht einfach mit ein paar Hubschraubern Notstromaggregate ein, schließt sie zur Wiederherstellung der Energieversorgung der Kühlkreisläufe an und verhindert so eine (weitere) Kernschmelze? Wir haben keine Ahnung! Wir können nur Mutmaßen: So einfach wie es klingt, ist das nicht. Man braucht viele Aggregate. Man setzt eine funktionierende Strominfrastruktur vor Ort (nach der Explosion!) voraus. Funktionieren die Kühlpumpen überhaupt noch?³ Wie nah kann man sich an den Reaktor heranwagen? Alles Fragen, für die wir hier keine Erklärungen haben.
• Meerwasser zur Kühlung: Die japanische Regierung setzt momentan Meerwasser zur Kühlung des Reaktordruckbehälters ein. Das korrodiert die Kühlungsrohre, ist aber für den Moment egal. Ob die Kraftwerke allerdings später wieder aufgebaut werden, ist daher fraglich. Insgesamt scheint diese Aktion nicht im Notfallplan vorgesehen, sondern improvisiert zu sein.
• Kernschmelze oder Nichtkernschmelze: Auch hier ändert die Regierung häufig ihre Aussage. Gerade ist der aktuelle Stand, dass man vermutet, es habe keine Kernschmelze gegeben. Wichtig: Sollte es trotzdem zu einer Kernschmelze gekommen sein, muss nicht unbedingt der gesamte Kern geschmolzen sein (auch eine Teilschmelze ist möglich) — darüber hinaus muss die Schmelze nicht zwangsweise aus dem stählernen Druckbehälter ausgetreten sein. Letzterer scheint noch intakt, bei der Explosion von Samstag ist vermutlich nur das umgebende Betongebäude zerstört worden.
  Eine hervorragende Animation dazu findet sich auf der Webseite der New York Times.
• Radioaktivität in der Umgebung: Man liest davon, dass Caesium-137 und Iod-131 in der Nähe der Reaktoren gemessen wurde. Eine wahrscheinliche Erklärung des Ursprungs dieser Spaltprodukte ist der Druckablass am Samstag um eine Explosion des Reaktorkerns zu vermeiden. Dabei wird Dampf abgelassen, der beim Siedewasserreaktor im direkten Kontakt mit den Brennstäben stand und so eine geringe Kontamination aufweist. Die Strahlenbelastung ist höher als die natürliche, aber noch nicht besorgniserregend für die Umgebung. Insbesondere ist sie wesentlich geringer, als wenn der Kern selber in die Gegend verteilt worden wäre.
• Zweiter Reaktorblock: Mittlerweile ist neben dem Reaktorblock 1 in Fukushima auch Reaktorblock 3 in einer kritischen Situation. Hier deutet sich momentan eine Wiederholung des gestrige Verlaufs beim Schwesterblock an.

Wir hoffen, dass die Maßnahmen der Japaner Erfolg haben und sich die Lage bald zum Positiven aufklärt.

Nachtrag (2), Sonntag, 13. März, 22:32 Uhr: Susi hat unten in einem Kommentar gut erklärt, woher der Wasserstoff für die Knallgasexplosion am Samstag morgen kam.

Nachtrag (3), Montag, 14. März, 13:22 Uhr: In den Kommentaren wurde bereits mehrfach die Frage gestellt, wie lange denn so ein abgeschalteter Reaktorkern noch gekühlt werden muss.
Zwar ist die Kettenreaktion gestoppt, aber andere Kernreaktionen finden weiter statt und produzieren Wärme. Ein genauer Zahlenwert ist dabei nicht gut zu machen, weil zu viele Faktoren reinspielen, die wir momentan einfach nicht kennen. Aktiv gekühlt (also z.B. mit Wasser) werden muss der Kern sicherlich die nächsten ein-zwei Jahre, danach muss weiterhin mit passiver Kühlung gearbeitet werden.
Als Vergleich: wenn ein Brennstab in einem AKW ausgebrannt, also zu schwach zur effektiven Stromproduktion ist, muss er noch 2-3 Jahre in einem Wasserbecken im AKW gelagert und gekühlt werden, obwohl die Kettenreaktion der Kernspaltung in diesem Moment gestoppt ist. Anschließend wird der Brennstoff in CASTOR-Behälter geschafft, die mit Kühllamellen für eine passive Kühlung sorgen. Auch darin ist’s dann noch 400-500°C heiß.

Nachtrag (4), Dienstag, 15. März, 14:26 Uhr: Heute Abend um 21 Uhr wird es im WDR eine Quarks-&-Co.-Sendung zu den Vorgängen in Fukushima geben. Ranga Yogeshwar ist normalerweise dafür bekannt, seriöse und gute Beiträge zu geben, daher ganz klare Empfehlung von unserer Seite aus.

Nachtrag (5), Mittwoch, 16. März, 15:00 Uhr: Wir haben einen Beitrag zum Thema Nachzerfallswärme geschrieben.

1. Zu meinem Hintergrund: ich habe im Rahmen des Studiums das Nebenfach Reaktortechnik belegt.
2. Hier war vorher dieses Bild verlinkt, das aber anscheinend nicht so verlässlich ist. Danke David.
3. Die Explosion soll durch das Kühlsystem ausgelöst worden sein, nicht ausgeschlossen, dass es einfach am Arsch ist.

dolescum

Ein Kohlekraftwerk und eine Wiese. Welten, die aufeinander prallen.

Nachtrag: Dieser Artikel wurde am 17. März aktualisiert. Es finden ein paar nachgefragte Informationen Erwähnung, es wurden Aktualisierungen an die Situation eingebaut.
Kinder, da ist ganz schön was los in Japan. Aus aktuellem Anlass, aber auch weil wir es prinzipell ganz Interessant finden, ein paar Informationen zu Druck- und Siedewasserreaktoren und deren Kühlsystem. Zu unserem Hintergrund: wir haben im Zuge unseres Physikstudiums Reaktortechnik als Nebenfach gewählt.

Atomkraftwerk. Das ist das graue Dingen hinten auf der Kuhwiese, wo die dreiäugigen Fische produziert werden und günstige Energie rauskommt. Und je nach dem, wen man fragt, sind die Dinger super oder super bescheuert. So wie Karneval oder Oliven.
Nach dem Erdbeben in Japan haben die Kraftwerksanlagen von Fukushima arge Probleme mit der Kühlung bekommen und man spricht mit schnell ändernden Wissensgehalt in Bezug auf Fukushima I von eingetretener Kernschmelze und Super-GAU, dem Super-»größten anzunehmenden Unfall«. Das Super deutet an, dass es bei dem Unfall unkontrollierbar wird und die Umgebung in Mitleidenschaft gezogen wird. In der Debatte darum, was da eigentlich passiert, ist ziemlich viel Kuddelmuddel mit technischen Details involviert. Kurze Erklärungen gibt es zwar mittlerweile, wer aber mehr Hintergrundwissen haben möchte, muss sich direkt an Fachliteratur etc. wenden.

Es folgt ein Versuch, diesen Misstand auszugleichen.

Kettenreaktion im Kernkraftwerk

Fangen wir ganz vorne an. Die Energie in einem Kernkraftwerk kommt aus der radioaktiven Umwandlung des verwendeten Brennstoffs. Radioaktiv bedeutet, dass da was strahlt — auch wenn es nicht grün-leuchtend ist. Die Strahlung trägt Energie huckepack, die sie wieder ablädt, wenn sie auf etwas trifft¹. Im Allgemeinen wird es dann warm, so wie die Bremsen am Auto heiß werden, wenn ihr mal wieder für ein kleines süßes Kätzchen bremst.

Reaktorkern eines Kraftwerks. Von Vattenfall auf flickr.

Im Kernkraftwerk nutzt man bei radioaktiven Zerfällen den Turbo-Modus und schafft Rahmenbedingungen, sodass eine Kettenreaktion entsteht. Die läuft so ab: Atomkern A zerfällt in zwei kleinere Kerne sowie ein paar Neutronen. Die Neutronen gehen auf die Reise und finden irgendwann einen weiteren Atomkern A, den sie wiederum zum Spalten anregen. Die dabei freiwerdende Energie heizt das Kühlmittel auf, das dann (eventuell über Zwischenschritte) eine Turbine antreibt und elektrische Energie erzeugt.

Jetzt ist es aber so, dass die Neutronen, die Kern A bei der Spaltung abgibt, nicht dafür geeignet sind, einen weiteren Kern zu spalten. Sie sind zu schnell und rauschen einfach an potentiellen Spaltkernen vorbei. Wusch! Wie ein übereifriger Redner in einer Talkshow muss ein Moderator eingreifen, damit die Show weiterlaufen kann. Im Kernkraftwerk sorgt ein Moderator dafür, dass die Neutronen so langsam werden, dass sie einen weiteren Kern spalten können.

Kurze Zusammenfassung: Damit die Kettenreaktion läuft brauchen wir einen Moderator, damit wir die Energie nutzen können (und es nicht zu heiß wird) brauchen wir einen Kühlkreislauf.

Prinzip bei Druck- und Siedewasserreaktoren

Wie ein Kernkraftwerk im Detail realisiert wird, hängt erstmal vom verwendeten Konzept ab. Häufig verbreitet sind Druck- und Siedewasserreaktoren (DWR bzw. SWR)², die auch die Funktionsweise aller in Deutschland und Japan betriebenen Kraftwerke darstellen. Die kritischen Reaktoren in Fukushima sind übrigens Siedewasserreaktoren.

Schema eine SWRs. Aus der Wikipedia.

Sowohl SWR, wie auch DWR, benutzen Wasser für den Kühlkreislauf, das dabei verdampft und eine Turbine antreibt. Beim SWR kommt nur ein interner Kühlkreislauf zu tragen, bei dem das Wasser an den Brennelementen vorbeigepumpt wird und direkt dort verdampft — siehe Abbildung rechts. Der Wasserdampf wird zu einer Turbine geleitet, und anschließend mit einem externen Kühlkreislauf zum Kondensieren gebracht. Beim DWR ist ein Kreislauf zwischengeschaltet, so dass das Wasser aus dem Reaktor wegen höherem Druck nicht verdampft und somit keine Turbine antreibt. Erst der zweite Kreislauf wird zum Verdampfen gebracht und erzeugt die Energie.

Schema eines DWRs. Hier bereits erkennbar: Der zusätzliche Wasserkreislauf. Bild aus der Wikipedia.

Das Wasser hat neben der erfrischenden und kühlenden Wirkung auf den Kern auch noch eine andere nette Eigenschaft: es kann Neutronen gut abbremsen und stellt somit gleichzeitig den Moderator des Reaktors dar. Wie intensiv das Wasser moderieren soll wird zum einen über den Aufbau bestimmt (Abstand der Brennstäbe zueinander) und zum anderen über Zusätze wie Borsäure. Bor ist ein Neutronengift und nimmt sehr gerne Neutronen aus der Umgebung auf *schlürp*. Man kann es sich wie die Katzenhaarrolle für die Kleidung vorstellen: die Haare bleiben dran kleben und man fühlt sich wieder gut.

Und jetzt kommt das Superfeature, das Steve Jobs erst im siebten Update einführen würde: Wird der Reaktor im Regelbetrieb zu heiß, weil wasauchimmer, entstehen mehr Bläschen mit Wasserdampf, die natürlich eine geringere Dichte als flüssiges Wasser haben. Geringere Dichte bedeutet aber auch weniger Moleküle, die die Neutronen moderieren können und somit zuviele schnelle Neutronen. Die Folge ist, dass die Kettenreaktion nicht mehr so gut läuft, die Reaktivität sinkt und der Brennstroff abkült.

Wieder in Kürze: Druck- und Siedewasserreaktoren laufen mit Wasser. Das kühlt und moderiert gleichzeitig und vor allem reguliert (in Maßen) automatisch die Intensität der Kernreaktionen. Voll supi. Eigentlich.

Notfalleinrichtungen bei Störungen

Aber natürlich ist nicht alles immer easy-peasy, ein Kraftwerk muss auch das ein oder andere Ereignis überstehen, ohne Gefahren für die Umwelt darzustellen. Dass sich die Intensität der Kernreaktionen in gewissem Maße selber regelt ist dabei schonmal ein guter Anfang. Hilft aber im Zweifelsfall nichts, denn es ist genug Brennmaterial vorhanden, um auch mit wenig Moderator noch genug rumzustänkern.

Stabfahrvorrichtung des Baseler Forschungsreaktors. Bild von flickr.

Kommt es zu einer Notabschaltung, werden auf verschiedene Weisen massiv Neutronengifte in den Reaktorkern gebracht. Borsäure wird dem Kühlwasser in großen Mengen beigefügt und Regelstäbe werden in den Kern eingebracht. Hä? Regelstäbe? Regelstäbe bestehen aus Neutronengiften wie Bor oder Cadmium und befinden sich in Führungen zwischen den Brennstäben und normalerweise außerhalb des Reaktorkerns oder sind zur Regelung der Reaktivität nur teilweise eingefahren.
Bei Druckwasserreaktoren werden sie üblichweise oberhalb des Kerns mit elektronischen Klammern gehalten, die beim Ausfallen des Stroms die Regelstäbe sofort herunterfallen lassen. Bei Siedewasserreaktor klappt das Konstruktionsbedingt nicht so gut (der Dampf, der nach oben weggeht), so dass die Stäbe hier von unten elektrisch eingefahren werden.

Ist der Reaktor abgeschaltet heißt das aber erstmal nur, dass die Kettenreaktion unterbrochen wurde. Da die Zerfallsprodukte in den Brennstäben aber auch ohne Kettenreaktion noch radioaktive Strahlung und somit Wärme absondern, kann man nicht einfach ein Täßchen Kaffee trinken gehen. Die Kühlung muss weiter sichergestellt werden, sonst wirds dem Reaktor was warm.
Weil das Wasser mit Pumpen in den Kern befördert wird, braucht man dafür Strom. Für die Primärkreis-Pumpen pro Stück alleine etwa 7 MW³! Sollte der ausfallen, weil (wie jetzt gerade in Japan) nicht nur das eigene Kernkraftwerk sondern auch alle Kraftwerke in der Umgebung abgeschaltet wurden, muss der Strom woanders herkommen.
Die erste Stufe sind Notstromaggregate. So wie ein Krankenhaus sich im Zweifelsfall auch selber mit dem Nötigsten an Strom versorgen kann, sollen die Geräte den Kühlkreislauf sicherstellen. In Fukushima sind diese erst korrekterweise angesprungen, mit Eintreffen des Tsunamis aber abgesoffen⁴.
Dann tritt Stufe zwei der Notstromversorgung in Kraft: Batterien. Aber wie euer iPhone auch irgendwann wieder an die Steckdose will, so wollen auch die Batterien der Pumpen irgendwann nicht mehr. Und dann wirds heikel.

Zusammengefasst: Reaktoren haben durchaus ausgeklügelte Notfalleinrichtungen, insbesondere für die Schnellabschaltung. Auf lange Sicht wird aber Strom benötigt.

Aussetzen des Kühlkreislaufs und die Kernschmelze

Setzt der Kühlkreislauf aus, wirds warm. Soweit recht einfach.
Die Kettenreaktion ist gestoppt, es kommt also nicht knüppel-dicke mit der Wärme. Trotzdem sind in den ersten Tagen noch bis zu 5% der Norm-Leistung vorhanden⁵ und die Temperatur steigt kontinuierlich und bringt immer mehr Wasser zum Verdampfen. Dadurch steigt der Druck im Reaktorkern, der kontrolliert abgelassen werden kann, um ein Platzen zu vermeiden. Das Problem dabei: da steht keiner und dreht an einem Rädchen, das geht über elektrisch gesteuerte Ventile. Und die brauchen ebenso Strom. Aber nehmen wir mal an, wir haben noch ein bisschen Rest in der Leitung und können nachregulieren. Um ein Austreten in die Umwelt zu vermeiden, ist der Reaktorkern und beim DWR der erste Kühlkreislauf in einem überdruckresistenten Sicherheitsgebäude eingeschlossen (das sog. Containment, siehe die Abbildung des DWR weiter oben). Aber auch so ein Sicherheitsgebäude hat seine Grenzen, so dass auch hier irgendwann kontrolliert abgelassen werden muss.

Wird hoffentlich nicht benötigt werden: Ein Sicherheitsraum. Bild von holycalamity auf flickr.

Das ist schon ziemlich blöd, aber die Stoffe, die dort in die Umwelt kommen, sind nur relativ kurz radioaktiv schädlich (maßgeblich Stickstoff-16). Viel schlimmer ist der Kram, der noch im Reaktor ist. Und der hört mit seiner Nachzerfallswärme ja nicht auf, nur weil wir Druck ablassen.
Durch das verdampfende Wasser sinkt der Wasserstand, der zum Teil mit Ausgleichsbehältern wiederhergestellt werden kann. Mehrere redundante Systeme sollen dafür sorgen. Aber auch die sind irgendwann leer. Und benötigen ebenfalls Strom.

Kann man also innerhalb der ersten Stunden nach Kühlungsausfall diese nicht wieder in Gang setzen, ist es möglich, dass der Brennstoff so heiß wird, dass erst die Tragestrukturen aus Zirkaloy und schließlich auch der Brennstoff selber schmelzen⁶: die Kernschmelze. Spätestens jetzt darf man laut »FUCK!« rufen.
Sie ist nämlich aus zwei Gründen gefährlich: Erstens kann sie sich regelrecht durch Druckbehälter und Sicherheitsgebäude fressen und schließlich Boden und Grundwasser kontaminieren. Nicht gut.
Noch weniger gut ist zweitens: hat man es vor der Kernschmelze nicht geschafft, den Druck im Druckbehälter ausreichend zu senken, kann es durch die Abschwächung der Konstruktion zu einer Explosion kommen. Häufig entsteht vom Restkühlwasser Wasserstoff, dass durch eine Knallgasexplosion dem ganzen noch ein gutes Stück mehr Wumms gibt. Spätestens hier ist man beim Super-GAU angelangt: Radioaktives Material wird bei der gewaltigen Explosion in die Umwelt und insbesondere hoch in die Atmosphäre abgegeben. Man hat also nicht nur die nähere Umgebung verseucht sondern mit ein bisschen Pech beim Wind ganze Gegenden.

Das gilt es natürlich möglichst zu vermeiden. Glücklicherweise muss es selbst bei einer Kernschmelze nicht dazu kommen. Der Druckbehälter ist ziemlich stabil und ist selbst beim Unglück in Tschernobyl nicht vollständig geschmolzen. Schafft man also irgendwie eine äußere Kühlung her⁷, kann es ausreichen, die Schmelze im Behälter zu halten.
Leider (oder zum Glück!) sind Erfahungswerte auf dem Gebiet spärlich und Vorhersagen in solch extremen Bereichen schwierig. Daher kann man nicht darauf bauen, dass die Schmelze nicht austritt.

Dummerweise sind gerade ältere Kernkraftwerke nicht unbedingt super auf ein ‘Durchbrennen’ der Kernschmelze vorbereitet. Bei neueren Konzepten wie der Weiterentwicklung des Druckwasserreaktors, dem Europäischen Druckwasserreaktor (EPR), gibt es eine Auffangwanne, die eine eventuelle Kernschmelze zurückhalten soll. Daneben gibt es dann noch weitere, verfeinerte Sicherheitskonzepte, die ein Austreten von radioaktiven Stoffen vermeiden sollen.

Helfen tut einem das bei der aktuellen Situation in Japan natürlich nichts. Dort kam es nach dem Ausfall der Kühlsysteme zu drei Wasserstoffexplosionen, die die Reaktorgebäude beschädigt haben. Aber trotzdem mittlerweile vier Tage vergangen sind, ist eine genaue Beurteilung der Lage immer noch schwierig.
Mehr dazu z.B. bei Jörgs Linksammlung oder natürlich bei uns (auch die Kommentare lesen!).

1. Daher ist es auch so schädlich für uns: Ein Strahlungsquant trägt genug Energie, um die DNA in unseren Zellen zu verändern so dass unser Körper durcheinander kommt und irgendwann die weiße Fahne hißt.
2. Alternativ gibt es den letztens schon erwähnten Brutreaktor, den in Hamm-Uentrop gebauten aber nie benutzten Hochtemeraturreaktor oder ein RBMK-Reaktor, wie er häufig in Russland gebaut wurde.
3. Es gibt aber auch noch Notfallkreisläufe für die Nachzerfallswärme, die mit weniger auskommen.
4. Vermutlich, im Ergebnis waren sie jedenfalls aus. Und zufällig stand gerade ein Tsunami vor der Tür.
5. Konkrete Abschätzungen zur Nachzerfallswärme haben wir in einem extra Artikel behandelt.
6. Zirkaloy hat einen Schmelzpunkt etwa bei 2000°C, Uronoxid (UO₂) bei 2870°C
7. in Fukushima benutzt man hierzu Meerwasser von außen