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Licht ist Energie

Wenn man längere Zeit in der Sonne sitzt, kann es einem ganz schön warm werden. Der Grund ist, dass Licht Energie in sich trägt und somit Dinge aufwärmen kann. Das merkst du besonders, wenn du im Sommer ein schwarzes T-Shirt trägst. Die schwarze Farbe verschluckt das Licht und dein Oberteil erwärmt sich dabei. Anders ist das bei Weiß: Hier wird das Licht größtenteils reflektiert, also zurückgeworfen. Die Energie, mit der das Licht Dinge erwärmen kann, nennt man auch elektromagnetische Strahlung. Sie wird von einer Lichtquelle ausgestrahlt und breitet sich dann in Form von Wellen aus – ähnlich wie die Wellen, die entstehen, wenn du einen Stein ins Wasser wirfst.

Weißes Licht besteht aus vielen verschiedenen Farben

Welche Farbe hat Licht eigentlich? Sonnenlicht erscheint für das menschliche Auge weiß – ganz richtig ist das allerdings nicht. Tatsächlich befinden sich in dem weißen Licht, das die Sonne zur Erde sendet, nämlich alle Farben des Farbspektrums – also Violett, Blau, Grün, Gelb, Orange und Rot. Das wird deutlich, wenn man Licht in ein geometrisches Gebilde namens „Prisma“ leuchtet. Das Licht wird in die einzelnen Farben zerlegt und man kann das ganze Farbspektrum erkennen. Weißes Licht besteht also eigentlich aus ganz vielen verschieden Farben, die zusammen weiß wirken.

Was ist eigentlich Licht? — So sieht es aus, wenn weißes Licht in ein Prisma gestrahlt wird; Bild: www.shutterstock.com / kasezo

Licht ist 750.000-mal so schnell wie ein Düsenjet

Wenn du auf den Lichtschalter drückst, erhellt das künstliche Licht der Glühbirne sofort den dunkeln Raum. Das geht schneller, als du schauen kannst – nämlich in Lichtgeschwindigkeit. Diese beträgt mehr als 1 Milliarde Kilometer pro Stunde und ist somit 750.000-mal so schnell wie ein Düsenjet. Das Mondlicht benötigt daher auch gerade mal circa eine Sekunde, um uns auf der Erde zu erreichen. Das ist eine Geschwindigkeit, die wir uns kaum vorstellen können, so hoch ist sie.

Intelligentes Scheinwerferlicht

Das Licht von Autoscheinwerfern ist sehr wichtig für die Sicherheit im Straßenverkehr. Es wird daher ständig daran gearbeitet, um es zu verbessern. Dafür gibt es spezielle Scheinwerfer mit sogenanntem „digital light“, also digitalem Licht. Was das Besondere daran ist? In jedem der Scheinwerfer befinden sich über eine Millionen Mikrolichter. Ein Sensor scannt die Umgebung des Autos und passt das Scheinwerferlicht optimal an die Umgebungsbedingungen an. Es ist nämlich wichtig, dass Autofahrende möglichst gut sehen können, aber andere Verkehrsteilnehmende dabei nicht geblendet werden.

Hinweis: Die in diesem Text enthaltenen Informationen und Aussagen werden von unserem Team sorgfältig recherchiert und geprüft. Es ist jedoch wichtig zu betonen, dass dieser Text keinen wissenschaftlichen Anspruch erhebt. Die primäre Zielsetzung unserer Blogartikel besteht darin, junge Leserinnen und Leser für MINT-Themen zu begeistern und komplexe Inhalte in einer verständlichen Form zu vermitteln.

Stand: August 2017

Beitragsbild: www.shutterstock.com / Family Business

Batterien und Akkus gibt es ganz viele verschiedene und alle sind sie dafür da, Geräte mit elektrischem Strom zu versorgen und funktionsfähig zu machen. Doch was ist eigentlich der Unterschied zwischen Batterien und Akkus? Ganz einfach: Die Batterie ist im Gegensatz zum Akku nicht aufladbar. Das kennst du zum Beispiel von deinem Wecker oder deinem Taschenrechner. Wenn die Batterie einmal leer ist, musst du sie entsorgen. Einen Handyakku oder den Akku einer Digitalkamera kann man dagegen immer wieder aufladen. Er ist praktisch eine wiederaufladbare Batterie. Doch auch die hält nicht ewig: Mit der Zeit muss man sie immer öfter aufladen, bis sie schließlich zu schwach für das Gerät wird. Auch der Akku muss dann entsorgt werden – oder?

Umweltfreundlich

Eines steht auf jeden Fall fest: Da du Akkus nicht sofort entsorgen musst, sondern immer wieder aufladen kannst, sind sie ein wenig umweltfreundlicher als Batterien. Sie produzieren schlichtweg nicht so viel Müll. Doch auch bei Akkus gibt es Vor- und Nachteile. Um diese zu erklären, machen wir einen kleinen Ausflug in die Chemie.

Es gibt Nickel-Kadmium-Akkus, Nickel-Metallhydrid-Akkus, Lithium-Ionen-Akkus und Lithium-Ion-Polymer-Akkus. Das hört sich sehr kompliziert an, diese Typen lassen sich aber schnell in zwei verschiedene Gruppen einteilen. Die beiden Akku-Varianten mit Nickel entladen sich sehr schnell selbst. Das bedeutet, wenn du sie auflädst und einfach unbenutzt liegen lässt, ist beim nächsten Benutzen der Akku bereits zu einem Teil leer. Auch die Lithium-Ionen-Akkus entladen sich selbst, allerdings nicht so schnell. Ein Vorteil ist hier auch, dass die Akkus genauso groß sind wie die Nickel-Akkus und trotzdem mehr Energie speichern können. Außerdem haben sie eine längere Lebenszeit. Das sind ein paar der Gründe, warum Lithium-Ionen-Akkus häufig zum Einsatz kommen. Du findest solche Akkus zum Beispiel in Handys und Laptops, aber auch die Batterie in einem Elektrofahrzeug funktioniert wie ein Lithium-Ionen-Akku.

Alterung durch Oxidation

Ein Lithium-Ionen-Akku besteht aus vielen Zellen, die wiederum jeweils aus einer positiven und einer negativen Elektrode bestehen. Bei der Aufladung wandern die Ionen von der positiven zur negativen Elektrode und lagern sich dort ein. Bei der Entladung ist es andersherum. Mit der Zeit allerdings oxidieren die beiden Elektroden in einer Zelle. Das bedeutet, sie geben Elektronen ab. Die Folge davon ist, dass sie keine Lithium-Ionen mehr speichern können. Das Auf- und Entladen des Akkus funktioniert immer weniger.

Du fragst dich nun sicher: Warum oxidieren die Elektroden in den Zellen überhaupt? Das hängt vor allem von Temperatur und Ladezustand des Akkus ab. Wenn der Akku zum Beispiel in einer sehr warmen Umgebung aufbewahrt wird und zudem noch vollgeladen ist, altert er sehr schnell.

Das zweite Leben der Elektroauto-Batterie

Die Lithium-Ionen-Akkus in den Elektroautos der Mercedes-Benz Group AG haben eine Lebensdauer von circa zehn Jahren. Dann muss man sie auswechseln, weil die Reichweite der Autos nicht mehr ausreicht. Sind Elektroautos also wirklich so umweltfreundlich, wenn ihre Akkus alle zehn Jahre entsorgt werden müssen?

Die Mercedes-Benz Group AG möchte, dass der Lebenszyklus einer solchen Batterie dann noch nicht endet. Deshalb hat der Autobauer die Batterien von 1000 smart-Elektrofahrzeugen zu einem großen Stromspeicher zusammengeschlossen. Wie ein stationärer Energiespeicher soll er zum Beispiel Sonnen- oder Windenergie speichern und dann verfügbar machen, wenn man diese Energie braucht.

Die Akkus der Elektroautos werden damit nicht nur weitere zehn Jahre verwendet, die Energieanbieter könnten so auch ein weiteres großes Problem lösen. Momentan kommt unser Strom noch aus umweltschädlichen Kraftwerken. Deshalb ist das Ziel, langfristig auf erneuerbare Energien, also Energie aus Windrädern oder Energie durch Solarzellen, umzustellen. Auf diese Energie kann man sich aber nicht verlassen, denn die Sonne scheint nicht immer dort, wo Menschen Strom brauchen, und auch der Wind weht dort nicht immer. Es muss deshalb sogenannte Primärreserven geben. Das sind Energiespeicher, auf die sofort zurückgegriffen werden kann, wenn der Strom mal fehlt. Ein Stromspeicher aus ganz vielen alten Elektro-Akkus kann überschüssige Energie aus Sonne und Wind speichern und in solchen Fällen zum Einsatz kommen.

Der Stromspeicher der Mercedes-Benz Group AG soll noch dieses Jahr bei den deutschen Energieanbietern in Betrieb gehen und vollautomatisch funktionieren. Nach zehn Jahren eignen sich die Batterien auch dafür nicht mehr. Dann sollen sie recycelt und für den Bau neuer Batterien für Elektroautos verwendet werden.

Stand: August 2017

Wie es sich anhört, wenn die Reifen über den Asphalt rollen, wenn ihr schnell über die Autobahn fahrt oder wenn du dich nicht angeschnallt hast – all das, was du während der Autofahrt hörst, gehört zur sogenannten Fahrzeugakustik. Doch was bedeutet das Wort „Akustik“ eigentlich?

Die Lehre vom Schall

Was ist Fahrzeugakustik? — Du kannst hören, weil Schallwellen dein Trommelfell zum Schwingen bringen; Bild: www.shutterstock.com / F8 studio

Die Akustik untersucht, wie Schall entsteht und sich ausbreitet, wie er beeinflusst wird und wie er erzeugt werden kann. Schall wird durch ein Geräusch oder einen Ton ausgelöst und besteht aus sogenannten akustischen Wellen oder Schwingungen. Sie heißen so, weil sie den Druck der Luft verringern und wieder erhöhen, sodass unsichtbare Wellen entstehen, die durch die Luft „schwingen“. Mit circa 340 Meter pro Sekunde können sich die Schallwellen durch die Luft ausbreiten und bis an dein Ohr gelangen, wo sie dein Trommelfell ebenfalls in Schwingungen versetzen. So kannst du ein Geräusch oder einen Ton hören. Die Schallwellen können außerdem unterschiedlich schnell schwingen: je schneller die Schwingung, desto höher nimmst du einen Ton war. Je stärker der Druck schwankt, desto lauter ist ein Geräusch. Die Lautstärke von Geräuschen wird mit der Einheit „Dezibel“ gemessen. Wenn du zum Beispiel flüsterst, sind das circa 30 Dezibel, wenn du normal sprichst, sind es ungefähr 55 Dezibel.

Ein Auto macht nicht nur „Brumm“

Im Gegensatz zur Akustik beschäftigt sich die Fahrzeugakustik nicht nur mit dem generellen Thema „Schall“. Sie analysiert, prüft und verbessert die Geräusche von Fahrzeugen. Im Stadtverkehr bei niedrigen Geschwindigkeiten ist zum Beispiel der Motor meist sehr laut, wenn man anfährt und beschleunigt. Auch das Abrollen der Reifen auf der Fahrbahn, die sogenannten „Reifen-Fahrbahn-Geräusche“, kann man hören. Auf der Autobahn bei sehr hohen Geschwindigkeiten ist die Luftumströmung, also die Aerodynamik, besonders laut. Theoretisch kann aber jedes Einzelteil am Auto Geräusche erzeugen. Besonders, wenn es sich während der Fahrt bewegt, schwingt oder vibriert. Du kannst dir das vorstellen wie nach einem Einkauf: Wie Glasflaschen oder Dosen in der Einkaufstasche, so können auch im Kofferraum Bauteile klappern, knarzen oder quietschen. Die Karosserie, der Fahrzeugrahmen des Autos, kann außerdem Antriebs-, Roll- und Windgeräusche weiterleiten und sie damit noch lauter und störender machen.

Lärm, Lärm und nochmal Lärm

So extrem wie hier dargestellt, hast du das aber bei der Autofahrt nicht wahrgenommen, oder? Das liegt daran, dass sich bereits beim Bau eures Autos Fahrzeugakustiker/innen um diese sogenannten Störgeräusche kümmern und sie entfernen. Bei großen Autobauern wie der Mercedes-Benz Group AG testen die Ingenieur/innen die Einzelteile des Autos schon auf ihre Akustik, bevor sie zusammengebaut werden und das Auto fertig ist. Sie passen die Lautstärke des Antriebs und der Reifen den gesetzlichen Vorgaben an. Besonders an großen Straßen, wo viele Autos fahren, ist es manchmal sehr laut. Um Anwohner vor der Lautstärke zu schützen, sind von der Europäischen Union Grenzwerte für die Lautstärke von Autos in Dezibel festlegt. An diese Grenzwerte müssen sich alle Autobauer halten.

Geräusche für die Sicherheit

Doch nicht nur laute Geräusche müssen entfernt werden. Versuch mal Zuhause mit verschiedenen Gegenständen leise Geräusche zu machen. Du wirst merken: Auch hier kann manches sehr unangenehm und störend sein. Wenn Fahrzeugakustiker/innen aber auch leise Geräusche entfernen – warum hört man dann bei der Autofahrt überhaupt noch etwas? Darauf gibt es eine ganz einfache Antwort: Weil es für Autofahrer und Fußgänger sicherer ist. Wenn du die Straße überqueren willst, achtest du meist nicht nur mit den Augen, sondern auch mit den Ohren darauf, ob ein Auto kommt. Müssten sich alle nur noch auf ihre Augen verlassen, gäbe es vermutlich viel mehr Unfälle. Doch auch für den Autofahrer sind akustische Signale wichtig. Einige werden deshalb von den Akustiker/innen künstlich hergestellt oder verstärkt. Wenn der Autofahrer zum Beispiel das Gaspedal drückt, ist das Gasgeräusch für ihn die akustische Rückmeldung, dass das Pedal funktioniert und das Auto nun beschleunigt. Hat er vergessen, sich anzuschnallen, ist es wichtig, dass das Auto sich mit einem Geräusch meldet. Drückt der Autofahrer auf den Knopf auf seinem Schlüssel, sagt ihm ein schnappendes Geräusch, dass das Auto nun abgeschlossen ist.

Testcenter mit drei Prüfständen

Die Akustikingenieur/innen der Mercedes-Benz Group AG testen die Fahrzeugakustik im Technologiezentrum für Akustik und Schwingungen in Sindelfingen. Erst vor kurzem wurde dieses Zentrum eröffnet. An drei Prüfständen mit Mikrofonen können Geräusche in verschiedenen Verkehrssituationen getestet werden.

Mit dem sogenannten Allrad-Außengeräusch-Prüfstand können die Akustikingenieur/innen Außen- und Innengeräusche unabhängig vom Wetter prüfen. Der „Regengeräusch-Prüfstand“ testet, welche Geräusche zum Beispiel Dach und Scheiben bei unterschiedlich starkem Regen machen. Der „Akustik- und Schwingungskomfort-Prüfstand“ testet die Abrollgeräusche der Reifen und wie sich Straßenunebenheiten anhören. Sogar unterschiedliche Straßentypen können die Fahrzeugakustiker/innen zum Test nachahmen: Kopfsteinpflaster in kleinen Städten hört sich zum Beispiel anders an, als der Asphalt auf großen Autobahnen.

Die Tests helfen letztlich bei der Entwicklung von Bauteilen: Zum Beispiel können die Autobauer Rückspiegel so gestalten, dass schnell vorbeiströmender Wind keine unangenehmen Geräusche macht.

Stand: Juli 2017

Die Arzthelferin führt dich in einen Raum mit einem riesigen Gerät, du bekommst eine schwere Weste an, musst ganz ruhig stehen. Die Helferin geht kurz aus dem Raum. Und dann ist es auch schon vorbei und hat gar nicht weh getan. Schon mal erlebt? Dann bist du schon geröntgt worden.

Röntgenstrahlung –Was ist das?

Röntgenstrahlen sind benannt nach Wilhelm Conrad Röntgen. Er war ein deutscher Physiker und entdeckte die Strahlen im Jahr 1895. Im Gegensatz zu Lichtstrahlen sind Röntgenstrahlen für unser menschliches Auge nicht sichtbar. Warum? Sowohl Lichtstrahlen, als auch Röntgenstrahlen sind sogenannte elektromagnetische Wellen. Der Unterschied ist, dass die Wellen der Röntgenstrahlung kürzer sind, als die Wellen des Lichts.

Röntgentechnologie — Mit so einem Gerät bist du bei deiner Ärztin oder deinem Arzt vielleicht schon einmal geröntgt worden / Bild: www.shutterstock.com, gyn9037

Röntgenröhre

Die Röntgenstrahlen entstehen dadurch, dass sich geladene Teilchen beschleunigen. Diese Elektronen wandern in einer sogenannten Röntgenröhre von einem negativen Pol, der Kathode, zu einem positiven Pol, der Anode. Die Kathode kann die Elektronen zu Beginn erzeugen und beschleunigen, weil sie sich erhitzt und die Elektronen so aus einem Metalldraht herauslöst. Diese Beschleunigung der Elektronen reicht aber noch nicht aus, um Strahlung zu erzeugen. Die Elektronen treffen deshalb auf die Anode und werden da stark abgebremst. Es entsteht ebenfalls eine Beschleunigung, aber eine negative. Diese Beschleunigung reicht aus, um „Bremsstrahlung“ zu erzeugen.

Dichtes und weniger dichtes Gewebe

Wie kann diese Strahlung nun ein Röntgenbild erzeugen, auf dem das Innere des Körpers in hell und dunkel erkennbar ist? Ganz einfach: Die unterschiedlichen Helligkeitsstufen auf dem Röntgenbild spiegeln die unterschiedlichen Gewebearten im Körper wider. Hat ein Gewebe eine hohe Dichte, wird es auf dem Röntgenbild heller dargestellt. Hat es eine niedrige Dichte, sieht man es ganz dunkel.

Dasselbe Prinzip wird auch bei der Computertomographie (CT) angewendet. Das CT kennst du vielleicht aus dem Krankenhaus. Hier entstehen Röntgenbilder des ganzen Körpers in Form von Querschnittsaufnahmen. Man kann das Innere so in einer räumlicheren Art und Weise betrachten und untersuchen.

Ultrakurzzeit-Röntgentechnologie

Zu medizinischen Zwecken eignen sich Röntgenstrahlen also sehr gut. Doch nicht nur das. Die Röntgenfotografie ist zum Beispiel seit einiger Zeit eine ganz besondere Form der Fotografie und Kunst.

Und auch die Mercedes-Benz Group AG wendet eine besondere Form des Röntgens bei Crashtests an: die Ultrakurzzeit-Röntgentechnologie. Dabei testen die Entwickler/innen die Autos wie bei einem ganz normalen Crashtest auf ihre Sicherheit und auf die Sicherheit für Insassen. Zusätzlich werden nun Stellen am Auto ausgewählt, von denen mithilfe der Röntgentechnologie Standbilder gemacht werden. Das ist gar nicht so einfach: Sowohl bei der Fotografie, als auch beim Röntgen verwackeln die Bilder schnell. Deshalb darfst du dich auch nicht bewegen, wenn du geröntgt wirst. Da bei einem Crashtest alles ganz schnell geht und viel Bewegung im Spiel ist, dürfte es hier dann ja kaum möglich sein, scharfe Röntgenbilder zu machen. Das ist es trotzdem. Für diesen Zweck ist einfach eine sehr genaue zeitliche Abstimmung nötig: Im Vergleich zum normalen Röntgen beim Arzt ist die Belichtungszeit bei einem Crashtest nochmal um ein Tausendstel verkürzt.

Größere Sicherheit

Am Computer können die Daten aus den Röntgenbildern gemeinsam mit den äußeren Beobachtungen vom Crashtest ausgewertet werden. Man kann somit besser nachvollziehen, wie sich Bauteile im Inneren des Autos bei einem Unfall verändern. Die Entwickler/innen der Mercedes-Benz Group AG können reagieren und die Bauteile den Veränderungen anpassen und sicherer machen.

In Zukunft sollen die Röntgenaufnahmen außerdem noch räumlicher werden, ähnlich wie bei der Computertomographie. Aktuell sind die Bilder von den Crashtests zweidimensional, genau wie die Bilder, die auch eine Ärztin oder ein Arzt von dir macht. Zukünftig sollen dreidimensionale Bilder vom Inneren des Autos möglich sein. Dafür arbeitet der Autobauer mit dem Fraunhofer Institut in Stuttgart zusammen, das das Röntgen erforscht und gemeinsam mit Mercedes-Benz für diesen Zweck weiterentwickelt.

Stand: Juni 2017

Bilder: Mercedes-Benz Group AG

Er hat die beiden nach Sindelfingen eingeladen und für sie den Klimakanal der Mercedes-Benz-Forschungsabteilung geöffnet. Und: Die beiden jungen Reporter haben im Interview mit Ola Källenius Spannendes über die Fahrzeugentwicklung erfahren.

Nick und Emma im Interview mit Ola Källenius

„Das war richtig cool im Wärmekanal. Wie an einem ganz heißen Sommertag. Es war auch ganz hell – wie gut, dass ich meine Sonnenbrille dabei hatte“, erzählt Emma begeistert. „Und dann kam der Kälteschock im Kältekanal. Minus 20 Grad waren es dort! Das Auto war komplett vereist, und wir haben es mit Ola Källenius gemeinsam freigekratzt“, erzählt Nick beeindruckt.

Schau dir Emmas und Nicks spannenden Tag mit Ola Källenius im Klimakanal an – hier ist ihre Videoreportage:

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Hast du dir schon einmal überlegt, für was wir alles Strom brauchen? Wenn du schon mal einen Stromausfall miterlebt hast, dann ist dir das sicher auch schon schmerzlich bewusst geworden. Jeder Haushalt braucht eine bestimmte Menge an Strom, auf die er angewiesen ist. Stell dir mal vor, man würde den Stromverbrauch aller Haushalte auf der Welt zusammenrechnen. Da würde eine unglaubliche Menge herauskommen. Und dann kommen noch die ganzen Fabriken und Produktionsbetriebe dazu … Du merkst sicherlich, worauf wir hinauswollen. Der Stromverbrauch auf der Erde ist enorm. Aber: Was ist Strom eigentlich und wie wird er erzeugt?

Elektrische Energie

Warum muss man Strom sparen? — Bei einem Stromausfall fehlt nicht nur das Licht

Das Wort „Strom“ kann man ganz einfach übersetzen mit „elektrische Energie“. Diese elektrische Energie kann aus verschiedenen Energieformen erzeugt werden – wie beispielsweise Bewegung. Das kennst du von deinem Fahrraddynamo: Wenn du in die Pedale trittst, entsteht Bewegungsenergie und die wird vom Dynamo umgewandelt in elektrische Energie. Doch um die ganze Welt mit Energie zu versorgen, bräuchte es ganz schön viele Fahrräder und selbst dann würde die Energie nicht ausreichen.

Kraftwerke als Stromquelle

Den Strom, der zu dir nach Hause kommt, kann man zum Beispiel aus Atomenergie gewinnen. Das war lange sehr verbreitet und wird in sogenannten Atomkraftwerken gemacht. Außerdem kann man fossile Stoffe wie Erdöl, Erdgas oder Braunkohle verbrennen und daraus Wärmeenergie gewinnen. Braunkohle zum Beispiel verbrennt man in Kohlekraftwerken, Erdgas in Gasturbinenkraftwerken. Heute versucht man immer mehr Strom aus sogenannten „erneuerbaren Energien“ zu gewinnen. Das sind zum Beispiel Sonne, Wasser und Wind: also Energien, die sich nicht wie Kohle oder Erdöl aufbrauchen. Diese Art der Gewinnung ist nicht ganz einfach, denn Strom muss rund um die Uhr zur Verfügung stehen. Und wie wäre es, wenn man sich nur Mittagessen kochen könnte, wenn die Sonne scheint oder der Wind weht?

Die Umwelt schonen

Egal, wo der Strom herkommt – die Produktion ist in allen Fällen ziemlich teuer. Und: Das Erzeugen von Strom ist häufig belastend für unsere Umwelt. Deshalb möchte die Bundesregierung in Zukunft immer mehr auf erneuerbare Energiequellen zugreifen. Kohle-, Atom- und Gasturbinenkraftwerke haben eine schlechte Auswirkung auf unser Klima. Bei der Stromgewinnung aus Atomenergie entsteht radioaktiver Abfall. Das kann sehr schädlich für uns Menschen sein und Krankheiten wie Krebs verursachen. Bei der Verbrennung von fossilen Stoffen entsteht außerdem Kohlenstoffdioxid, Feinstaub und andere Abgase, die für Mensch und Umwelt schädlich sind.

Smart Grid

Nun braucht man auch für die Produktion von Autos eine ganze Menge Strom. Die Roboter in der Fabrik betrifft das vor allem im Karosseriebau. Die Mercedes-Benz Group AG möchte deshalb in Zukunft mit einem sogenannten „Smart Grid“ arbeiten. Das ist ein schlaues und umweltfreundliches Energienetz. Zum Test wurden im Mercedes-Benz-Werk in Sindelfingen eine Produktionsanlage mit Robotern und eine Photovoltaikanlage gebaut, die Solarstrom an die Produktionsanlage liefert. Mithilfe digitaler Messtechnik wird in der Fabrik ermittelt, wie viel Energie von welchem Roboter benötigt wird. Energie, die gerade nicht gebraucht wird, soll vom System gespeichert werden, damit sie zu einem anderen Zeitpunkt wieder verwendet werden kann.

Über die Stromleitungen in der Luft läuft Wechselstrom

Von Wechselstrom zu Gleichstrom

Außerdem werden die Roboter durch die Solarenergie nicht mehr mit Wechselstrom, sondern mit Gleichstrom versorgt. Gleichstrom ist elektrischer Strom, der im Gegensatz zu Wechselstrom in die gleiche Richtung fließt und Energie spart.

Der Strom aus deiner Steckdose Zuhause ist normalerweise Wechselstrom. Haushaltsgeräte wie Wasserkocher benötigen aber Gleichstrom und wandeln den Strom aus der Steckdose wieder um. Warum so umständlich? Ganz einfach: Um elektrische Energie über große Entfernungen zu übertragen (also vom Kraftwerk in die Haushalte) brauch es eine hohe Spannung. Bei einer zu geringen Spannung geht zu viel der Energie verloren. Wechselstrom kann man in der Spannung „hochtransformieren“, Gleichstrom nicht. Deshalb kommt aus den Kraftwerken immer Wechselstrom.

Die Mercedes-Benz Group AG will nun mit dem Smart Grid alle Roboter mit Gleichstrom aus Solarenergie versorgen. Gleichzeitig ist die Produktionsanlage aber noch an das Wechselstromnetz angeschlossen. Das ist als Reservequelle für den Notfall gedacht – falls der Solarstrom mal knapp wird. Das Projekt in Sindelfingen ist für den Autobauer ein weiterer Schritt zu einer umweltfreundlichen Energieversorgung in der Produktion. Die Roboter in Sindelfingen arbeiten schon mit Solarenergie und stellen Bauteile für die Autos her.

Stand: Juni 2017

Beitragsbild: Mercedes-Benz Group AG

Um ein solches Chaos auf den Straßen zu vermeiden und den Verkehr besser zu regeln, gibt es Verkehrszeichen. Sie bestimmen, wer Vorfahrt hat oder welche Geschwindigkeit wo erlaubt ist. Sie warnen aber auch vor möglichen Gefahren wie steilen Straßen oder Bahnübergängen. Alle Verkehrszeichen und ihre Bedeutung sind in der Straßenverkehrsordnung (StVo) festgelegt. Wer sie nicht beachtet, wird bestraft.

Von der Warntafel zum Verkehrsschild

Heutzutage sind Verkehrszeichen zum Beispiel Ampeln oder Markierungen auf der Fahrbahn. Und was noch? Genau, Verkehrsschilder! Und die gibt es übrigens schon seit Mitte des 19. Jahrhunderts. Die allerersten Schilder sollten die Menschen vor Bahnübergängen warnen. Anfang des 20. Jahrhunderts führte der „Kaiserliche Automobil-Club“ unter Kaiser Wilhelm II. die ersten Warntafeln ein. Noch waren diese Tafeln nur mit Text beschriftet. Nach und nach wurden aber immer mehr Zeichen und Farben dafür verwendet. Seit 1923 sind nun nicht mehr die Automobilclubs für das Aufstellen von Verkehrszeichen zuständig, sondern der Staat.

Was gibt es für Verkehrszeichen?

Heute gibt es ganz viele verschiedene Verkehrszeichen. Ein/e Autofahrer/in lernt die Bedeutung, während der Fahrstunden für den Führerschein. Und nicht nur die Autofahrenden: Auch Fußgänger/innen und Radfahrer/innen müssen über die Bedeutung der Verkehrszeichen Bescheid wissen, um sicher im Straßenverkehr unterwegs sein zu können. Sicher hast du auch schon einige Zeichen in der Schule gelernt.

Es gibt fünf verschiedene Arten von Verkehrszeichen: Gefahrenzeichen, wie beispielweise Warnungen vor Bahnübergängen, Baustellen oder Stau. Außerdem gibt es noch Richtzeichen. Das sind Vorfahrts- und Parkzeichen. Viele Richtzeichen sind rechteckig und blau – wie an Autobahnausfahrten, einige auch gelb. Die dritte Art der Verkehrszeichen sind die Vorschriftzeichen. Sie sind meistens rund und rot oder haben einen roten Rand. Sie geben zum Beispiel die Geschwindigkeitsbegrenzung, ein Halteverbot oder ein Überholverbot vor.

Auch Zusatzzeichen sind wichtig. Sie stehen nicht allein, sondern immer in Kombination mit einem anderen Verkehrszeichen, beispielsweise einem Richt- oder Vorschriftzeichen. Sie sind rechteckig und weiß und können andere Vorschriften zeitlich begrenzen. Oft gilt dann eine bestimmte Geschwindigkeitsbegrenzung – zum Beispiel nur von 9 bis 18 Uhr an einem Tag. Die letzte Art von Verkehrszeichen sind Verkehrseinrichtungen. Damit sind Absperrschranken bei Unfällen gemeint. Sie haben immer Vorrang. Sie setzen andere, vielleicht widersprüchliche Verkehrszeichen, außer Kraft.

Viele Sinneseindrücke im Straßenverkehr

Wie du dir denken kannst, sind aber alle Verkehrszeichen unnütz, wenn die Autofahrenden sie nicht wahrnehmen. Autofahrende haben im Straßenverkehr allgemein sehr viele Sinneseindrücke zu verarbeiten. Die Geschwindigkeit, in der das Gehirn diese Eindrücke verarbeitet, ist aber begrenzt. Je schneller ein/e Autofahrer/in fährt, desto mehr Sinneseindrücke prasseln auf ihn ein. Das Gehirn beginnt bei hohen Geschwindigkeiten dann oft, die Wahrnehmung auf einen kleineren Bereich zu reduzieren. Ein Tunnelblick ist die gefährliche Folge. Deshalb sind Verkehrszeichen auf der Autobahn immer viel größer, als zum Beispiel in der Tempo-30-Zone.

Das Auto unterstützt die Fahrenden

Trotzdem kann es beim Autofahren in einem unaufmerksamen Moment mal passieren, dass die Fahrenden ein Verkehrszeichen übersehen. Das kann schlimme Unfälle zur Folge haben. Um die Sicherheit zu verbessern, bieten Autobauer wie Mercedes-Benz Fahrerassistenzsysteme an, die Verkehrszeichen erkennen und die Fahrenden darauf aufmerksam machen können.

Wie das funktioniert? Eine Kamera an der Innenseite der Frontscheibe filmt den Bereich vor dem Fahrzeug. Sie kann die runde Form der Schilder erkennen und aus dem Umfeld herausfiltern. Anschließend gleicht das Auto die Informationen mit den GPS-Daten des Navigationssystems ab. Das Auto weiß nun, wo es sich genau befindet und wie schnell es sich fortbewegt. So kann es erkennen, dass die aktuelle Geschwindigkeit nicht den Vorgaben auf dem Schild entspricht. Wenn nun der/ die Fahrer/in am Schild vorbeifährt, warnt das System, indem ein Signal ertönt und eine Meldung auf dem Display erscheint. Genial oder? Das Assistenzsystem kann vor allem Geschwindigkeitsbegrenzungen, Überholverbote und Fahrtrichtungen erkennen und berichtigen.

Auflösung des Bilderrätsels (links nach rechts): 1. Stop-Schild: Anhalten und Vorfahrt gewähren, 2. Durchfahrt verboten, 3. Gefahrstelle: vorsichtig und aufmerksam fahren, 4. Vorfahrtstraße

Stand: Mai 2017

Beitragsbild: www.shutterstock.com / Carsten Reisinger

Stell dir vor, du bist mit deinen Eltern im Auto auf einer rutschigen Straße unterwegs und ihr möchtet rechts abbiegen. Ihr habt es eilig und deine Mutter fährt etwas zu schnell in die Kurve. Sie muss stark abbremsen und fährt dann wieder normal weiter. So etwas passiert oft in Sekundenschnelle, ohne dass man es richtig wahrnimmt. Früher wäre ein schlimmer Unfall passiert, doch zum Glück geht es heutzutage meistens gut aus. Das liegt an ABS und ESP: Genius erklärt dir, wie diese Assistenzsysteme vor Unfällen schützen können.

Meilenstein in der Automobilgeschichte

Das Anti-Blockier-System (ABS) gibt es schon seit mehr als 70 Jahren. Zu diesem Zeitpunkt arbeitete unter anderem die Firma Bosch daran und brachte die zweite verbesserte Version des Systems 1978 in Serie auf den Markt. Bereits in diesem Jahr baute die Daimler AG (jetzt Mercedes-Benz Group AG) das System in die ersten Autos ein. Die Erfindung des ABS war ein wichtiger Schritt für die Autobauer. Das System ermöglichte erstmals das Bremsen in einer Kurve und verhinderte, dass die Räder der Fahrzeuge beim starken Bremsen blockieren und das Auto ins Rutschen kommt.

Was sind ABS und ESP? — Das Umfahren von Hindernissen während des Bremsens auf einer Teststrecke – mit und ohne ABS

Wie funktioniert das ABS?

Bei einer Vollbremsung aus hoher Geschwindigkeit kommen die Räder eines Autos oft ins Rutschen – sie blockieren. Die Folge ist, dass die Fahrenden das Auto nicht mehr unter Kontrolle haben. Außerdem kommt das Auto schlechter zum Stehen, da die Bremsen nur bei Haftreibung richtig bremsen können. Wenn die Räder allerdings rutschen, entsteht Gleitreibung. Wie der Name schon sagt: Das Auto gleitet dann auf der Straße und wird schlechter abgebremst.

Das Blockieren der Räder könnten die Fahrenden in der Extremsituation verhindern, indem sie den Druck auf die Bremse zu den richtigen Zeitpunkten immer wieder anheben und absenken. Doch das ist alles andere als einfach und für die Fahrenden in einer Situation, in der sie zum Beispiel auf ein Hindernis zufahren, unmöglich. Deshalb greift das ABS für ihn ein und übernimmt die sogenannte Druckmodulation. „Raddrehzahlsensoren“ messen die aktuelle Raddrehzahl und melden sie an ein Steuergerät. Das Steuergerät wertet diese Informationen dann aus. Wenn es feststellt, dass ein Reifen zu blockieren droht, dann kann es den Bremsdruck nur auf diesem einzelnen Reifen reduzieren. Wenn der Reifen wieder läuft, wird der Bremsdruck vom System wieder erhöht, um das Auto so schnell wie möglich abzubremsen. Dadurch, dass die Reifen nicht blockieren und das Lenken weiter funktioniert, können die Fahrenden beim Bremsen sogar ein Hindernis umfahren.

Übersteuern und untersteuern

Um den Fahrenden noch mehr Hilfestellung zu geben, wurde das Anti-Blockier-System nach und nach weiterentwickelt. Seit 1995 gibt es das elektronische Stabilitätsprogramm (ESP), das vor Schleudern in Kurven schützt und meist reagiert, bevor die Fahrenden überhaupt reagieren können. Auf nasser oder rutschiger Fahrbahn oder in einer Kurve kann ein Auto auf zwei verschiedene Arten ins Schleudern kommen.

Wenn die Fahrenden zu schnell in eine Rechtskurve fahren, kann das Auto übersteuern. Das bedeutet, dass die Hinterräder keinen Kontakt mehr mit der Fahrbahn haben. Dann dreht sich das Auto in die Kurve hinein. Um einen Unfall zu verhindern, bremst das ESP das linke Vorderrad ab und erzeugt damit eine Gegenkraft.

Beim Untersteuern in der Rechtskurve verlieren die Vorderräder den Kontakt mit der Fahrbahn und das Auto droht, nach außen aus der Kurve zu schlittern. In einem solchen Fall bremst das ESP das rechte Hinterrad ab.

Wie funktioniert das ESP?

Ähnlich wie beim ABS misst der Raddrehzahlsensor die Raddrehzahl des Autos. Ein Lenkwinkelsensor umfasst den Winkel, in dem das Lenkrad eingeschlagen ist. Beide Sensoren erkennen so, wie die Fahrenden das Auto fahren möchten.

Der sogenannte Drehratensensor merkt, wenn das Auto beginnt, sich um die eigene Hochachse zu drehen. Der Beschleunigungssensor vergleicht das tatsächliche Verhalten des Autos mit den einprogrammierten Soll-Werten. Diese beiden Sensoren stellen so, im Gegensatz zu den anderen beiden, fest wie sich das Auto tatsächlich verhält.

Die Sensoren prüfen so insgesamt circa 25 Mal pro Sekunde, ob das Auto in die Richtung fährt, in die die Fahrenden auch lenken. Sie senden alle Informationen an den Systemrechner, der schließlich die Eingriffe an den Bremsen der einzelnen Räder steuert. Und das oft ohne, dass man es überhaupt merkt. Trotzdem sollten Autofahrende besonders auf rutschigen Fahrbahnen vorsichtig sein und auf keinen Fall zu schnell fahren. Auch Fahrerassistenzsysteme haben ihre Grenzen und können nicht in allen Situationen schützen.

Stand: Mai 2017

Fotos: Mercedes-Benz Group AG

Ein Naturphänomen

Gewitter kommen vor allem im Sommer sehr oft vor. Es muss dafür heiß und schwül sein, die Luft muss also eine hohe Feuchtigkeit haben. Dann heizt die Sonne nicht nur bei dir ein, sondern auch der Erdboden heizt so stark auf, dass Wasser verdunstet. Das bedeutet, dass eine große Menge Wasser aus dem Boden sich in gasförmiges Wasser verwandelt. Durch diese feuchtwarme Luft heizt sich die Luftschicht über dem Boden auf. Weil die warme Luft immer leichter ist als kalte Luft, steigt die warme Luft auf. Je höher sie dabei kommt, desto mehr kühlt sie wieder ab. Dadurch entsteht eine sogenannte Kumuluswolke: Durch die Abkühlung wird aus dem gasförmigen Wasser wieder flüssiges Wasser. Es regnet aber noch nicht. Die kleinen Wassertröpfchen sind noch so leicht, dass sie schweben können.

Blitze erzeugen Strom wie 250.000 Fernseher

Je nachdem, wie feucht die Luft ist und wie warm es ist, steigt das kondensierte Wasser noch weiter auf bis es so stark abkühlt, dass die Tröpfchen gefrieren. In einer Höhe von circa zwölf bis 18 Kilometern entsteht eine dachförmige Wolke, die aus winzigen Eiskristallen besteht. Die Wolke türmt sich auf. Dabei reiben die Wasserteilchen aneinander und laden sich elektrisch auf. Die Wolke ist nun oben kälter als unten. Die Eiskristalle sammeln sich deshalb im oberen Teil der Wolke als positive Ladung, und die Tropfen sammeln sich im unteren Teil als negative Ladung.

Zwischen positiv und negativ entsteht eine elektrische Spannung, die sich in Form von Blitzen entweder innerhalb der Wolke oder am Boden entlädt. Dabei fließt elektrischer Strom und der leuchtet, weil er mehrere tausend Grad heiß ist. Der Strom ist außerdem extrem stark, denn er kann bis zu 100.000 Ampére erreichen. Das ist so stark wie der Strom von rund 250.000 Fernsehern.

Lichtgeschwindigkeit und höllische Hitze

Doch warum donnert es jetzt auch noch? Da die Luft um den Blitz etwa 30.000 Grad heiß ist, dehnt sie sich aus. Das löst eine Druckwelle aus, die sich mit einer Schallgeschwindigkeit von circa 343,2 Metern pro Sekunde fortbewegt. Diese gewaltige Kraft nehmen wir am Erdboden als Donnergeräusch wahr. Diese Schallgeschwindigkeit ist zwar sehr schnell, aber die Lichtgeschwindigkeit ist noch viel schneller. Der Donner kommt daher grundsätzlich immer erst nach dem Blitz – die Schallgeschwindigkeit hat keine Chance.

Du kannst ausrechnen wie weit ein Gewitter entfernt ist: Zähle die Sekunden zwischen Blitz und Donner, teile sie durch drei und heraus kommt die Kilometerzahl, die dir sagt, wie weit das Gewitter entfernt ist.

Aber Vorsicht!

Dieses Naturspektakel ist unglaublich spannend zu beobachten. Doch Blitze sind auch sehr gefährlich: Wenn ein Blitz einen Menschen trifft, kann das durch die elektrische Ladung nicht nur sehr schwer verletzen, sondern auch tödlich sein. Du musst vor Gewittern deshalb aber keine Panik haben. Du solltest nur wissen, wie und wo du bei einem Gewitter vor Blitzen geschützt bist.

Grundsätzlich gilt bei einem Gewitter: Blitze suchen sich immer den kürzesten und den am besten leitenden Weg zum Boden. Das heißt, du solltest dich beispielsweise von Bäumen und von leitenden Materialien fernhalten. Wenn du im Freibad bist und die Wolken werden ganz dunkel, dann solltest du das Freibad bald verlassen. Wasser leitet den Strom der Blitze. Wenn du dich in der Nähe eines offenen Gewässers befindest, ist das gefährlich. Auch solltest du dich von Gegenständen aus Metall fernhalten, denn das zieht Blitze an. Auch freie Felder können gefährlich sein.

Das Auto als Blitzableiter

Am allersichersten bist du aber in Gebäuden. Damit der Blitz nicht einschlagen kann, haben die allermeisten Häuser heute einen Blitzableiter. Er zieht die Blitze zunächst an, um sie dann in den Boden abzuleiten. Deshalb ist er auf den Dächern der Häuser angebracht und hat eine Spitze aus einem Metalldraht. Dieses Metall muss so stark sein, dass es von einem Blitz nicht beschädigt werden kann. Über die sogenannte Fangleitung führt die elektrische Ladung in den Boden und trifft dort auf eine Erdleitung aus Platten und Kupfernetz.

Ähnlich kann auch ein Auto als Blitzableiter fungieren und ist bei Gewittern deshalb sehr sicher. Autos wie die der Mercedes-Benz Group AG sind von Metall umrahmt, das den Blitz ableitet. Der englische Physiker Michael Faraday fand einmal heraus, dass sich elektrische Ladungen auf der Oberfläche des „Metallkäfigs“ verteilen, ohne in den Innenraum durchzudringen. Man nennt diese Metallumrahmung deshalb auch „Faradayschen Käfig“. Wenn man vom Blitz getroffen wird, fließt der Strom über diesen Käfig in die Erde ab. Trotz dieser Sicherheit sollte man sich bei einem Gewitter nur im stehenden Auto aufhalten, da die Gefahr besteht, dass die Reifen platzen.

Stand: April 2017

Hier ist (fast) alles geheim

Leoni ist 27 Jahre alt. Sie arbeitet bei Mercedes-Benz (ehemals Daimler) in der „Verfahrensentwicklung Brennstoffzelle“ und ist eine absolute Expertin auf diesem Gebiet. Ihre Aufgabe: die Entwicklung von Fertigungsverfahren für die Brennstoffzellenherstellung aus ganz empfindlichen Einzelfolien, die so dünn wie die Hälfte eines menschlichen Haares sind.

Wir treffen uns in Nabern in der Nähe von Stuttgart – hier forscht Daimler rund um die Brennstoffzelle. Vieles ist ganz geheim – wir müssen sogar die Kameras unserer Handys zukleben. Denn hier wird geforscht, getüftelt und gebaut. Aufregend!

In einem Ausstellungsraum zeigt mir Leoni gemeinsam mit ihrem Kollegen Klaus Dobler, der hier für das Testen der Systeme zuständig ist, das erste Brennstoffzellenauto von Mercedes-Benz (ehemals Daimler) – ein kleiner Lieferwagen mit rund 800 Kilo schwerem Gepäck hinter dem Fahrersitz. Das ist der Brennstoffzellenantrieb samt Tank. Fast der ganze Innenraum des Autos ist beladen. Der Wagen konnte immerhin 110 Stundenkilometer fahren und hat damals gezeigt, dass die Technik ein Fahrzeug antreiben kann. Das Auto ist aus dem Jahr 1994 und seitdem hat sich einiges geändert. Mittlerweile kann die ganze Technik komplett im Motorraum verstaut werden und wiegt zusammen mit den Tanks auch nur noch rund ein Viertel von damals.

Brennstoffzelle = Wasserstoff + Sauerstoff

Aber was ist eigentlich eine Brennstoffzelle? Und warum ist sie so interessant für die Autobauer? „Das Brennstoffzellenauto fährt nur mit Wasserstoff. Den Sauerstoff holt es sich aus der Luft. Hinten, aus dem Auspuff, kommt ganz sauberes Wasser heraus, das du sogar trinken könntest“, erzählt mir Leoni begeistert. Ein Auto, das mit Wasserstoff angetrieben wird? Schwer vorstellbar, oder?

Leoni ist begeistert von der Idee: „Das Tolle an dieser Technologie ist, dass sie die Umwelt komplett schont, denn Wasserstoff kann man aus Wind- und Sonnenenergie herstellen. Wenn wir es schaffen, diese Autos auf die Straße zu bringen, dann haben wir das Problem gelöst. Dann haben wir ganz saubere Autos, die keine Schadstoffe in die Luft pusten.“

Die Idee ist längst Wirklichkeit: Schon einige Busse und einzelne Autos fahren mit Wasserstoff durch die Stadt. Im Herbst 2017 wird Mercedes-Benz (ehemals Daimler) das erste Serien-Brennstoffzellenauto für die Straße vorstellen.

Wie funktioniert die Brennstoffzelle?

Aber wie funktioniert das System der Brennstoffzelle?

Eigentlich ist es nur eine chemische Reaktion, die elektrische Energie erzeugt. Die Brennstoffzelle besteht aus zwei Platten, die durch eine Membran, also eine Art Haut, getrennt sind. Der Sauerstoff, der aus der Luft kommt, wird auf der einen Seite zugeleitet, auf der anderen Seite kommt Wasserstoff dazu. Die positiven Teilchen der minikleinen Wasserstoffatome können die Seite dieser ganz dünnen Haut durchdringen, die negativ geladenen Teilchen schaffen das nicht und bleiben auf ihrer Seite. Atome wollen aber, dass die Ladung (negativ und positiv) ausgeglichen ist. Deshalb müssen sie einen Umweg über einen elektrischen Leiter, also so etwas wie einen Draht, nehmen, um auf die andere Seite zu gelangen. Durch diese chemische Reaktion entsteht Energie, also Strom für den Antrieb und Wasser. In einem Brennstoffzellenantrieb müssen rund 400 kleine Brennstoffzellen in Stapeln hintereinandergeschaltet werden, damit dem Auto genügend Leistung zur Verfügung steht.

Rund 20 Wasserstofftankstellen in Deutschland

Und wie werden die Autos betankt? „Das ist gerade noch das Problem. Momentan gibt es nur 20 öffentlich zugängliche Tankstellen für Wasserstoff in Deutschland. Aber da wird sich noch einiges tun. Sobald die Autos da sind, kommen auch die Tankstellen“, ist Leoni überzeugt.

Und wie ist Leoni eigentlich dazu gekommen, Ingenieurin zu werden? „Ich habe mich in der Schule sehr für Technik interessiert – vor allem Physik. Wie funktionieren die Dinge, wie kann man das berechnen? Das fand ich immer cool. Aber auch das Kreative wie Kunst habe ich gerne gemacht.“ Für ihren Job benötigt sie beides: technisches Verständnis und Kreativität. „Wir müssen immer Probleme lösen. Das macht meinen Job so spannend“, erzählt sie mir. Nach ihrem dualen Maschinenbaustudium bei Mercedes-Benz hat sie ihren heutigen Traumjob gefunden und hat nebenher noch weiter studiert.

Und bei der ganzen Arbeit: Bleibt da noch Zeit für Hobbies? „Ich mache Poweryoga und spiele manchmal Tennis. Und ich gehe sehr gerne ins Kino oder treffe mich mit meinen Freundinnen“, erzählt Leoni. Da haben Leoni und ich doch einiges gemeinsam.

Mir hat es total Spaß gemacht, und ich habe eine Menge gelernt. Und wer weiß, vielleicht ist mein erstes Auto ja tatsächlich ein Brennstoffzellenauto. Dann werde ich mich bestimmt an diesen Tag heute erinnern.

Deine Emma