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Energie und Entropie, Physik im Alltag und Naturphänomene, Rubrik: "Schlichting! "

Die Energie der platzenden Kirsche

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 41/7 (2010), S.32 – 33

Was einer reifen Frucht den Kragen platzen lässt, könnte bald zu unserer Energieversorgung beitragen.

Kirschen haben es nicht leicht. Selbst wenn die Blüten des Kirschbaums nicht erfroren sind und bestäubt wurden, kann ihnen noch in der Endphase langanhaltender Regen zu schaffen machen. Wenn die Wassertropfen zu lange an der Haut der Kirschen anhaften, platzt ihnen schließlich „der Kragen“ (siehe oberes Foto). Die so entstehenden Einschnitte ins Fruchtfleisch sind ein Einfallstor für Schädlinge, insbesondere Pilze, die in den meisten Fällen dafür sorgen, dass die Kirsche ungenießbar wird.
Das süße und schmackhafte Innere der Kirsche wird durch eine Haut zusammengehalten, die wie viele andere Häute (Membranen) in der Natur auch die wunderbare Eigenschaft besitzt zu selektieren, d.h. bestimmte Stoffe durchzulassen und andere nicht. Im Falle der Kirsche lässt die Haut Wassermoleküle durch, für die im Innern enthaltenen Zuckermoleküle ist sie aber undurchlässig.
Als grobes Modell für diesen Vorgang, der ein typisches Beispiel für die Osmose darstellt, kann man sich ein Sieb oder Filter vorstellen, das ebenfalls verschiedene Teilchen, in diesem Fall große und kleine voneinander trennt.
Doch was veranlasst die Wasserteilchen ins Innere der Kirsche einzudringen? Sie müssen dies ja gegen den Druck der prall mit Saft gefüllten Kirsche tun. Jeder weiß, dass man eine reife Kirsche zum Platzen bringen kann, indem man sie zwischen den Fingern zusammendrückt. Der Druck im Innern wird dadurch so stark erhöht, dass die Haut dem nicht mehr standhalten kann und reißt. Die oft sehr weit reichenden Saftspritzer geben einen anschaulichen Eindruck von der Größe des Drucks, bis zu dem die Haut gerade noch hält.
Verantwortlich für das Eindringen des Wassers von außen ist grob gesagt die universelle natürliche Tendenz in der Natur, einheitliche Verhältnisse zu schaffen. Diese Tendenz trifft man allenthalben in weniger spektakulären Situationen an. So wundern wir uns kaum darüber, dass beispielsweise ein Tropfen Tinte, den man in ein Glas mit Wasser gibt, nach einiger Zeit zu einer einheitlich hellblauen Flüssigkeit führt. Oder: Ein Tropfen Parfüm, der an dem einen Ende eines Raumes verdunstet, ist kurz danach auch am anderen Ende zu riechen. Aber auch der heiße Tee, der nach einiger Zeit Zimmertemperatur angenommen hat, ist ein Beispiel für diese Ausgleichstendenz.
Wie stark diese Tendenz sein kann, zeigt das Beispiel der platzenden Kirsche. Das Wasser dringt von außen durch die Haut ins Innere, auch wenn der dadurch aufgebaute mechanische Druck der sich zunehmend spannenden Haut einer weiteren Zunahme entgegenwirkt. Der darin zum Ausdruck kommende, so genannte osmotische Druck, ist in diesem Fall offenbar so stark, dass die Elastizitätsgrenze der Haut schließlich überschritten wird und es zum Platzen kommt.
Die mechanische Wirkung des Mischungsbestrebens kann man in einem einfachen Experiment demonstrieren. Dazu füllt man ein unten mit Hilfe von Zellophan (im Laden für Einmachutensilien erhältlich) fest abgedichtetes Röhrchen z.B. mit Himbeersirup oder einer konzentrierten Salzwasserlösung und taucht dieses bis zur Füllhöhe in (destilliertes) Wasser. Man kann dann beobachten, wie allmählich der Wasserspiegel im Röhrchen steigt, auch wenn dadurch ein wachsender hydrostatischer Druck aufgebaut wird mit der Tendenz, die Flüssigkeit umgekehrt durch die Membran herauszudrücken (siehe mittleres Bild).
Diesen Vorgang kann man auch so betrachten, dass durch die einseitige Mischung und dadurch steigende Wassersäule potenzielle Energie gewonnen wird. Damit wird die zunächst sehr unorthodox erscheinende Idee angesprochen, Mischungsvorgänge zu „zähmen“ und zur Energiegewinnung heranzuziehen. Bedenkt man nämlich, dass in der Natur ständig großräumige Mischungsvorgänge etwa durch die in die Salzwassermeere einmündenden Süßwasserflüsse stattfinden, so liegt angesichts der allenthalben stattfindenden Suche nach alternativen Energiequellen die Frage nach einer großtechnischen Nutzung mehr als nahe (siehe unteres Foto).
An einer mangelnden Stärke des Mischungsbestrebens sollten Osmosekraftwerke nicht scheitern. Denn rein theoretisch ist es so stark, dass eine ca. 230 m hohe Wassersäule aufgestaut werden könnte. Es wäre also so, als würde man die Energie eines in 230 m Tiefe stürzenden Flusses nutzen.
Diese Idee wurde bereits in den 1970er Jahren geäußert [1]. Zu einer Inbetriebnahme einer Versuchsanlage eines solchen Osmosekraftwerks kam es allerdings erst im Jahre 2009 durch den norwegischen Energiekonzern Statkraft, dem europaweit größten Produzenten erneuerbarer Energie.
Das Hauptproblem der großtechnischen Nutzung besteht darin, genügend leistungsfähige Membranen herzustellen. Denn diese Membranen müssen geeignet sein, bei hohem Druck Salze wirkungsvoll zurückzuhalten und gleichzeitig Wasser bei möglichst geringem Widerstand durchzulassen. In der Versuchsanlage wird mit den aus Polymeren gefertigten Membranen pro Quadratmeter Energieströme von etwa 3 Watt gewonnen. Mit Membranen, die Energieströme von 5 Watt erreichen, könnte aus heutiger Sicht die Mischung von Salz- und Süßwasser wirtschaftlich gewonnen werden. Man geht davon aus, dass dies in wenigen Jahren möglich sein wird. So soll den auch nach den Plänen der Betreiber das erste Kraftwerk mit einer Leistung von 25 MW Leistung für 2015 in Betrieb gehen.
Da man bekanntlich Energie nicht aus dem Nichts erschaffen kann, bleibt zum Schluss noch die Frage, woher die Energie stammt, die man hier dem kontrollierten Mischungsvorgang von Salz- und Süßwasser abzapft. Letztlich stammt sie wie fast alle nutzbaren Energie von der Sonne. Denn die Sonne sorgt dafür, dass die Vermischung von Salz- und Süßwasser stets wieder rückgängig gemacht wird. Indem durch die Sonnenstrahlung das Meerwasser verdunstet, das dann in Form von wasserträchtigen Wolken von ebenfalls solarbetriebenen Wind über das Land getrieben werden, werden die Flüsse mit den Süßwasserniederschlägen aus den Wolken gespeist. Im Osmosekraftwerk wird letztlich ein Teil der Energie zurückgewonnen, die von der Sonne für die Trennung in Salz- und Süßwasser aufgewandt wurde.
Man darf gespannt sein, ob die Energie der platzenden Kirsche uns eines Tages ein klein wenig unabhängiger vom Öl machen wird.

Literatur
[1] Norman, Richard S. (1974). Water Salination: A Source of Energy. Science 186, 350–352
[2] Loeb, S.: Osmotic Power Plants. Science, 189(4203), S. 654 – 655, 22. August 1975.

http://www.spektrum.de/alias/pdf/sdw-10-07-s032-pdf/1036782

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