Infopunkte Naturwissenschaft

raum&zeit-Ausgabe 232

Neue Farbe kühlt Oberflächen – Das strahlendste Weiß ihres Lebens

Forscher der Purdue University im US-Staat Indiana haben ein Weiß kreiert, dass 98,1 Prozent des Sonnenlichts (und damit auch den wärmenden Infrarotanteil) reflektiert und so den alten Weltrekord um 2,6 Prozent überboten. Zum Vergleich: Marktübliches Deckweiß erreicht Werte bis maximal 90 Prozent. Das ist zu wenig, um die bestrichene Oberfläche durch Reflexion auf Temperaturwerte unterhalb der Umgebungstemperatur zu kühlen. Das neue Ultraweiß hingegen soll dazu in der Lage sein. Die Kühlleistung eines mit dem neuen Weiß bestrichenen Daches von knapp 100 Quadratmetern (qm) soll bei circa zehn Kilowatt liegen. „Das ist mehr als die die zentrale Klimaanlage der meisten Gebäude leistet“, sagt Prof. Xiulin Ruan von der Purdue University. Die neue Farbe besteht aus einem hohen Anteil Bariumsulfat, einer weißen, geruchslosen Substanz, die als Kontrastmittel bei Röntgenuntersuchungen und CT-Scans sowie bei der Fotopapierherstellung zum Einsatz kommt. Entscheidend für den Weiß-Effekt war die Variation der Partikelgröße des Bariumsulfats. Die Menge des reflektierten Lichts hängt nämlich stark von der Partikelgröße ab, die Variation derselben sorgt dann für eine Abdeckung in allen Wellenlängenbereichen. Die Forscher gaben an, dass das neue Weiß in der Nacht Oberflächen um 10,6 Celsius unter der Umgebungstemperatur halten kann, bei vollem Sonneneinfall immerhin noch um 4,4 C. Auch im Winter ist der Kühlungseffekt vorhanden: Bei einer Umgebungstemperatur von 6 C soll die Probentemperatur um 10 C darunter gelegen haben.
Manche Städte sind bereits dazu übergegangen, die Rückstrahlung – den sogenannten Albedo-Effekt – zur Kühlung zu nutzen. So habe New York bereits 929 000 qm Dächer weiß gestrichen. Xiulin Ruan schätzt, dass man „nur“ ein Prozent der Erdoberfläche mit dem neuen Weiß bedecken müsste, um den globalen Erwärmungstrend aufzuhalten. Interessanter aber erscheint die Frage, ob man das neue Weiß nicht mit dem 2014 erfundenen „Vantablack“ kombinieren kann, dass 99,9 Prozent aller einfallenden Energie absorbiert und sich dabei erwärmt. Der entstehende Temperaturgradient könnte doch für einen Kreisprozess zur Energiegewinnung ausreichen. (DS)

Quelle:
www.livescience.com

Physik jenseits des Standardmodells – Fünfte Grundkraft entdeckt

Das Standardmodell der Teilchenphysik ist eine an der speziellen Relativitätstheorie ausgerichtete Quantenfeldtheorie, deren fundamentale Objekte Felder (also Energiemuster) und ihre diskreten Verdichtungen (Teilchen) sind. Sie beschreibt drei fundamentale Kräfte: die elektromagnetische, die starke (Kernkraft) und die schwache (Kernzerfälle) Wechselwirkung. Die Gravitation konnte bislang nicht mit eingebunden werden, ebenso gibt sie keine Hinweise auf dunkle Energie und dunkle Materie (beide sind bislang rein hypothetisch). Deswegen wohl macht die Wissenschaft keinen Hehl daraus, dass das Standardmodell etwas Vorläufiges ist. Das wiederum führt dazu, dass Messergebnisse, die nicht mit dem Standardmodell vereinbar sind, in der Regel ernst genommen werden. So wurde jüngst bekannt, dass bei der Kollision von Protonen im Large Hadron Collider im CERN-Beschleuniger die sogenannte Leptonen-Universalität verletzt worden sein könnte. Leptonen-Universalität bedeutet, dass bei der Protonenkollision entstehende Beauty-Quarks mit der gleichen Wahrscheinlichkeit in zwei Elektronen wie in zwei Myonen zerfallen. Verbesserte Messreihenauswertungen weisen jedoch darauf hin, dass hier ein Ungleichgewicht bestehen könnte.
Die Wahrscheinlichkeit, dass die Daten mit der theoretischen Vorhersage übereinstimmen, liegt bei nur 0,1 Prozent. Doch erst wenn dieses Verhältnis 0,00003% beträgt, würde dies auf eine Physik jenseits des Standardmodells hinweisen. Dann könnte es sein, dass eine weitere Grundkraft neben den vier bekannten im Spiel ist. Das wäre natürlich eine wissenschaftliche Sensation. Weitere Messungen werden zeigen müssen, ob die Leptonen-Universalität wirklich verletzt wird. (DS)

Quelle:
www.media.uzh.ch

Experimenteller Beweis – Keine Temperaturerhöhung durch IR-aktive Gase

Infrarot aktive Gase in höheren Atmosphärenschichten sollen Wärmestrahlung von bodennahen Schichten zurückstrahlen und so eben deren Energieeintrag erhöhen. Allerdings wird dabei vergessen, dass Wärme ein wesentlich thermodynamisches Phänomen ist, das mit kollektiven (Gitter-)Schwingungen im Festkörper bzw. kinetischen Bewegungsspektren (Geschwindigkeitsverteilung der Atome/Moleküle im Fluid) verbunden ist. Eine einzelne, diskrete Linie ist aber kein thermodynamisches Phänomen, sondern ein quantenmechanisches.
So liegen die CO₂-Linien bei 4,26 Mikrometer und 14,99 μm zwar innerhalb des IR-Strahlungsspektrums, allerdings können sie keine Wärme übertragen. Wie sollte denn auch eine einzelne, diskrete Linie zu einer Erhöhung der kontinuierlichen kinetischen Energie von Atomen, Molekülen oder Gitterschwingungen führen? Das, was erwärmt (wird), ist immer eine kontinuierliche Verteilung. Genau diesen Zusammenhang scheinen die beiden norwegischen Physiker Thorstein O. Seim und Borgar T. Olsen durch eine Experiment-Serie zu bestätigen.
Sie untersuchten mit zwei benachbarten Kammern die Infrarot-Rückstrahlung von CO₂ und den Effekt auf die Temperatur. Kammer A (die „Rückstrahlkammer“) enthielt in aufeinander folgenden Experimenten jeweils CO₂ (100 %), Luft oder Argon, Kammer B nur Luft. Eine Heizvorrichtung erwärmte die Luft in Kammer B, wobei die entstehende IR-Strahlung das Gas in Kammer A erwärmte. Anschließend wurde die durch den Infraroteffekt in Kammer A zurückgestrahlte IR-Strahlung gemessen. Diese lag bei reinem CO₂ in Kammer A signifikant über den Werten von Luft bzw. Argon. Damit wurde also die IR-Aktivität von CO₂ bewiesen. Allerdings erhöhte sich die Temperatur durch diese IR-Strahlung in Kammer B nicht signifikant. Zitat: „Die Ergebnisse unserer Studie zeigen die nahezu identischen Heizkurven, wenn wir von Luft auf 100 % CO₂ oder auf Argon-Gas mit geringer CO₂-Konzentration wechseln. Dennoch beobachteten wir die Absorption von IR-Strahlung in der vorderen Kammer. Wir beobachteten auch die erhöhte Strahlungsdichte in der hinteren Kammer aufgrund der Rückstreuung von CO₂. Die Veränderung der beobachteten Rückstreustrahlung sollte uns bei Anwendung des Stefan-Boltzmann-Gesetzes eine messbare Temperaturerhöhung von 2,4 bis 4 K bescheren. Wir beobachten aber nur eine sehr geringe Temperaturerhöhung durch die CO₂-Rückstreuung. Dies deutet darauf hin, dass die Erwärmung durch die IR-Rückstreuung von CO₂ viel geringer ist, als nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz oder nach den Gleichungen (1a) und (1b) angenommen wird. Die nahezu identischen Heizkurven für alle drei Gase weisen darauf hin, dass der thermische Energietransfer nur durch die Temperatur der Rückwand der hinteren Kammer angetrieben wird. Ohne zusätzliche Erwärmung der Wände in der Rückkammer kann die Lufttemperatur nicht ansteigen. Diese Ergebnisse könnten die Grundlage der vom IPCC verwendeten Treibhausgesetze in Frage stellen.“(DS)

Quelle:
www.scirp.org/journal/paperinformation.aspx?paperid=99608