Feb 21 2009

Lichtmühle

Angeregt durch die Mail eines Freundes bin ich wieder einmal mit der Physik der Lichmühle und deren diversen Erklärungsversuche konfrontiert worden.

Kaum etwas ist von den Erklärungen sagenumwobener und für viele Leute zum Physik-Philosophieren anregender als die Lichtmühle (nur das Perpetuum Mobile und Schwarze Löcher können das trumpfen). Sollte es tatsächlich noch jemanden geben, der eine Lichtmühle noch nie in Aktion gesehen hat, hier gibt es auch ein Video dazu.

Im Prinzip besteht die Lichtmühle aus meistens vier dünnen Metallfolien, die wie bei einer Windmühle an einer gemeinsamen Achse montiert sind. Das ganze ist dann noch drehbar gelagert und aufgrund des geringen Gewichts der Folien und um Störungen durch leichte Luftzüge zu vermeiden, befindet sich die Mühle in einem leicht evakuierten Glaskolben. Jede Folie ist auf einer Seite reflektierend und auf der anderen Seite mit Ruß oder Farbe geschwärzt. Lässt man nun Sonnenlicht, Licht einer Glühbirne oder Kerze oder sogar einfach nur die Infrarotstrahlung einer Hand auf die Mühle fallen, so beginnen sich die Blättchen in eine bestimmte Richtung zu drehen. Der Drehsinn ist so, als ob die schwarze Seite der Blättchen die Mühle antreibt.

Und genau das ist die Erklärung dafür. Man braucht keine quantenmechanischen Überlegungen um dieses Phänomen zu erklären, einfache Thermodynamik reicht dafür auch schon. Die schwarze Seite erwärmt sich stärker als die reflektierende Seite, jeder, der im Sommer mit einem schwarzen T-Shirt unterwegs ist, kennt das. Dadurch heizen sich die wenigen Moleküle, die im Glaskolben noch vorhanden sind, auf dieser Seite stärker auf, haben eine höhere kinetische Energie als auf der reflektierenden Seite, stoßen gegen das Blättchen und übertragen einen höheren Impuls wegen der höheren Geschwindigkeit. Das Ungleichgewicht der Temperatur bewirkt also das Drehen der Mühle.

Am schlimmsten ist wohl die Erklärung des Effekts durch den Strahlungsdruck. Jedes Photon das von der schwarzen Fläche absorbiert wird überträgt seinen gesamten Impuls darauf. Wird das Photon aber reflektiert, so wird auf das Blättchen der doppelte Impuls übertragen und die Mühle würde sich in die andere Richtung drehen. Diese Theorie versagt also bereits beim Versuch, den Effekt zu erklären.

Ein Experiment, das die thermodynamische Erklärung bestätigt, ist, dass wenn man den Glaskolben noch stärker evakuiert, also ein Ultrahochvakuum erzeugt, dann bewegt sich die Mühle gar nicht mehr, weil zu wenige Moleküle in der Umgebung vorhanden sind, um die Mühle anzutreiben. Der Strahlungsdruck hängt natürlich nicht von der Güte des Vakuums ab, also 2:0 für die Thermodynamik.

Soviel zum Thema Lichtmühle, mit diesem Eintrag erkläre ich das Thema für abgeschlossen und möchte auch keine wirren Kommentare dazu lesen.

Doch um den Eintrag mit einem Zitat von den Simpsons zu beenden: “Lisa, in diesem Haus gehorchen wir den Gesetzen der Thermodynamik!”


Jan 22 2009

Karatschai-See

Über die Liste von radioaktiven Unfällen auf wikipedia bin ich auf einen Vorfall aufmerksam geworden, der von der Strahlungsbelastung bei weitem schlimmer war als der Vorfall im Reaktor Tschernobyl.

In Kyschtym, Russland, explodierte im Jahr 1957 ein Tank mit radioaktiven Abfällen. Die Hintergrundgeschichte ist mehr als kurios. Nachdem alle Abfälle des Reaktors Majak von 1949 bis 1951 einfach in den nahe gelegenen Fluss Tetscha geleitet wurden und massenhaft Leute an der Strahlenkrankheit gestorben sind, wurde die Strategie geändert und der radioaktive Müll einfach in den Karatschai-See umgeleitet. Erst zwei Jahre Später 1953 kam man auf die Idee, das strahlende Zeug in riesigen Tanks zu lagern.

Gute Idee, wenn da nicht ein Problem gewesen wäre: Durch die Strahlung heizen sich die Tanks auf und müssen ständig gekühlt werden. Als 1957 die Zuleitungen zu einem Tank undicht geworden sind, trocknete der Inhalt aufgrund der Wärme schnell aus und die entstandenen Nitritsalze explodierten aufgrund eines in einem integrierten Messgerät entstandenen Funkens. Langer Rede kurzer Sinn, die Gegend ist verstrahlt, die Umwelt kaputt und keiner will jemals wieder dorthin. Doch es kommt noch besser.

In den 1960er begann der See auszutrocknen und in einer Trockenperiode im Jahr 1967 wurde der radioaktive Staub trockengelegt. Nun überrascht es keinen mehr, wenn ich sage, dass dieser Staub durch den Wind verweht wurde und 1800km² mit einer der Explosion von Hiroshima ähnlichen Strahlendosis bedeckt wurden. Deshalb wurde der Karatschai-See von 1978 bis 1986 (8 Jahre!) mit Beton gefüllt und vollständig abgedeckt. So weit, so gut, aber es geht noch weiter.

In Zukunft kann nicht ausgeschlossen werden, dass das verseuchte Wasser des Sees durch Grundwasserströme in den Ob gelangen und damit bis zur Arktischen See transportiert werden. Viel Spaß.

Das Beste an dieser Geschichte ist meiner Meinung nach, dass diese Aneinanderreihung unglücklicher Umstände erst 1989 von der russischen Regierung öffentlich bekannt gegeben wurde und heute alle Leute davon immer noch nichts wissen.

Nachzulesen im wikipedia-Artikel zur Anlage Majak und dem Karatschai-See.