Warum verwenden Elektroautos keine Atombatterien?

Die größte Energie, die der Mensch bislang nutzen kann, ist die Kernenergie. Der Grund für die große Wirkung der Kernenergie liegt darin, dass bei Kernreaktionen Masse in Energie umgewandelt werden kann.

Bevor die Menschheit die Kernenergie beherrschte, konnte die Energie im Wesentlichen durch chemische Reaktionen gewonnen werden. Die durch chemische Reaktionen erzeugte Energie ist bei weitem nicht mit der Kernenergie vergleichbar. Der Grund dafür ist, dass es bei der chemischen Reaktion nahezu zu keinem Masseverlust kommt. Die Gesamtmasse der Substanz vor der Reaktion ist gleich der Gesamtmasse der Substanz nach der Reaktion. Dies lässt sich auf den ersten Blick an der Bilanzierung der chemischen Formel erkennen. Tatsächlich erfuhr man später, dass es auch bei chemischen Reaktionen zu einem Massenverlust kommt, dieser ist jedoch so gering, dass er vernachlässigt werden kann. Kernreaktionen unterscheiden sich von chemischen Reaktionen. Bei einer Kernreaktion kommt es zu einem sichtbaren Masseverlust, der in Energie umgewandelt wird.

Wie furchterregend ist der Prozess der Umwandlung von Masse in Energie? Die Atombombe ist ein Paradebeispiel.

Am 6. August 1945 warfen die Vereinigten Staaten eine Atombombe namens „Little Boy“ auf Hiroshima, Japan. Die direkte Zahl der Todesopfer durch die Explosion überstieg 100.000. Alles im Umkreis von 0,36 Quadratkilometern um den Explosionsort wurde zerstört, und Menschen im Umkreis von 10 Quadratkilometern erlitten Verbrennungen unterschiedlichen Schweregrades. Ist es nicht erstaunlich? Aber noch erstaunlicher ist, dass diese Atombombe durch die Kernspaltung tatsächlich nur einen Massenverlust von etwa 1 Gramm verursachte. Kann die Masse von 1 Gramm Materie in eine so große Menge Energie umgewandelt werden? Ja, das stimmt. Obwohl Einstein nicht der Erfinder der Atombombe war, lieferte er die theoretische Grundlage dafür, indem er die Masse-Energie-Gleichung E=mc² entdeckte.

In der Masse-Energie-Gleichung steht E für die Energie, m für die verlorene Masse und c für die Lichtgeschwindigkeit, die 299792458 m/s beträgt.

Daraus lässt sich erkennen, dass das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit eine extrem große Zahl ist, sodass selbst bei einem Massenverlust von nur 1 Gramm eine extrem große Energie erzeugt werden kann. Kernenergie ist die Energie, die durch Massenverlust gewonnen wird. Die Kernenergie umfasst im Allgemeinen drei verschiedene Formen. Die erste ist die Kernspaltung. Vereinfacht ausgedrückt erzeugt ein schweres Element durch eine Kernspaltung zwei leichte Elemente. Die zweite ist die Kernfusion, das Gegenteil der Kernspaltung. Dabei handelt es sich um zwei leichte Elemente, die durch eine Fusionsreaktion ein schweres Element synthetisieren. Unabhängig davon, ob es sich um eine Kernspaltung oder eine Fusionsreaktion handelt, kommt es im Laufe des Prozesses zu einem Masseverlust, und die verlorene Masse wird in Form von Energie freigesetzt. Neben der Kernspaltung und der Kernfusion gibt es eine dritte Form der Kernenergie: den natürlichen Zerfall.

Radioaktive Elemente sind instabil und zerfallen daher mit der Zeit.

Was ist Verfall? Einfach ausgedrückt handelt es sich dabei um den Prozess, bei dem ein radioaktives Element mehrere Partikel freisetzt und sich dann in ein anderes Element verwandelt. Die Zerfallszeiten verschiedener radioaktiver Elemente sind unterschiedlich. Wenn ein radioaktives Element einige Partikel freisetzt und zu einem anderen Element wird, kommt es zu einem Masseverlust und diese verlorene Masse wird als Wärme freigesetzt. Nachdem wir die Wärme haben, müssen wir sie zur Nutzung nur noch in elektrische Energie umwandeln. Bei der Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie kann der „Temperaturunterschied-Stromerzeugungseffekt“ genutzt werden, der das Grundprinzip von Kernbatterien darstellt. Natürlich ist „Atombatterie“ nur ein populärer Name. Genauer gesagt müsste es „Radioisotopenbatterie“ heißen.

Der Zerfall radioaktiver Elemente ist ein kontinuierlicher Prozess, und der Zerfallsprozess einiger radioaktiver Elemente kann Jahrzehnte oder sogar Hunderte von Jahren dauern.

Könnte eine Atombatterie in diesem Fall nicht sehr lange funktionieren? Das stimmt. Eine Batterie kann ein Leben lang verwendet werden, ohne aufgeladen zu werden. Warum so etwas Gutes nicht auch in Elektrofahrzeugen einsetzen? Kernenergie, die Masse in Energie umwandelt, ist zwar leistungsstark, aber nicht so leistungsstark wie wir denken. Dies gilt insbesondere für Kernbatterien, die Energie durch den natürlichen Zerfall radioaktiver Elemente gewinnen. Das am häufigsten verwendete radioaktive Element in Atombatterien ist Plutonium 238, dessen Kern aus 94 Protonen und 144 Neutronen besteht. Beim Zerfall werden 2 Protonen und 2 Neutronen freigesetzt, wodurch Uran 234 entsteht, das 92 Protonen und 142 Neutronen enthält.

Obwohl eine sehr kleine Masse in eine riesige Energiemenge umgewandelt werden kann, ist der durch den natürlichen Zerfall verursachte Massenverlust eigentlich zu gering.

Die Masse eines Protons beträgt nur 1,6726219 x 10∧-27. Selbst wenn man sie mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit multipliziert, ist die resultierende Energie erbärmlich gering. Daher können die zwei oder drei Protonen und Neutronen, die beim natürlichen Zerfall radioaktiver Elemente freigesetzt werden, überhaupt nicht viel Energie erzeugen. Es ist offensichtlich, dass Atombatterien in Raumfahrzeugen eingesetzt werden können, aber wenn sie auf der Erde stationiert werden, um Elektrofahrzeuge anzutreiben, werden sie dazu nicht in der Lage sein. Im Allgemeinen beträgt die Leistung von Atombatterien in Raumfahrzeugen nur etwa 100 Watt, während die Motorleistung der Elektrofahrräder, die wir normalerweise fahren, mehr als 500 Watt beträgt. Daher ist es schwierig, Elektrofahrräder mit Atombatterien anzutreiben, geschweige denn, sie zum Antreiben von Elektroautos zu verwenden.

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