Sexl Physik 8, Schulbuch

VERTIEFUNG UND WIEDERHOLUNG stellt sich immer dringender die Frage, ob die Veränderung der Materialien z. B. durch Nanopartikel Auswirkungen auf den menschlichen Körper hat. Zurzeit gibt es keine Studien, die eine negative Auswirkung bestätigen können, Langzeitstudi- en wurden noch keine abgeschlossen. Viele Menschen betrachten die Entwicklun- gen kritisch, da noch nicht abzuschätzen ist, ob und welche Gefahren diese Technologie mit sich bringt.  Untersuche, überlege, forsche: „Nano“ im Einsatz 114.1 W 1 Nanotechnologie spielt auch im Bereich der Farbstoffe eine große Rolle (Sta- bilisierung von Farbstoffen, kostengünstige Herstellung von Displays usw.). Versu- che mehr darüber herauszufinden!  Untersuche, überlege, forsche: Nahrungsmittel auch Nano? 114.2 S 1  Nichtschmelzende Schokolade, cremiges Eis ohne Fett,… Auch im Nahrungs- mittelbereich hält die Nanotechnologie ihren Einzug. Lies den Zeitungsartikel unter https://physikplus.oebv.at und besprich ihn mit dei- nen Mitschülerinnen und Mitschülern! Nanowelt und Automobilindustrie Es gibt bereits unzählige Beispiele für mögliche Einsatzbereiche nanotechnologi- scher Forschung. Im Folgenden sollen stellvertretend einige aus der Autoindustrie beschrieben werden, die auf Nanotechnologie beruhen. Verringerung von Schadstoffen Problem: Verbrennungsmotoren von Autos produzieren Kohlenstoffdioxid und an- dere Schadstoffe, die die Luft belasten. Ziel: Reduktion von Spritverbrauch und Schadstoffemissionen Beitrag der Nanotechnologie: Normalerweise lagern sich an den Einlassventilen von direkt einspritzenden Benzinmotoren störende Kohlenwasserstoffe ab. Durch gezielte Beschichtung könnten diese Kohlenwasserstoffe aufgebrochen und eine Anlagerung verhindert werden. Außerdem forscht man an Filtern, die mittels Nanoporen oder Kohlenstoff-Nanoröhren Schadstoffe aus dem Abgas entfernen. Der Spritverbrauch lässt sich drastisch reduzieren, wenn die beweglichen Teile ei- nes Motors leichter laufen. Dazu werden spezielle Öle entwickelt, die Nanopartikel enthalten. Diese bilden im Film zwischen zwei Teilen eine eigene Schicht, welche die mechanische Reibung verringert. Eine andere Möglichkeit zur Verringerung der Umweltbelastung durch Autos ist der Einsatz von sauberen Alternativen zum Verbrennungsmotor. Eine davon ist die Brennstoffzelle (  114.1 ), deren Energie einen Elektromotor antreibt. Mit einer Brennstoffzelle kann man mit (meist) Wasserstoff und Sauerstoff chemische in elektrische Energie umwandeln. Dabei werden Wasserstoffatome (1) in Elektronen (2) und Protonen (3) gespalten. Die Elektronen sammeln sich an der nahe gelege- nen Elektrode (4), die Protonen wandern durch eine Membran (5) zur entfernten Elektrode (6). Dadurch entsteht eine elektrische Spannung zwischen beiden Elekt- roden – es fließt Strom (7). Reaktionsgleichungen Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle Anode 2 H 2 + 4 H 2 O ¥ 4 H 3 O +  + 4e – Oxidation / Elektronenabgabe Katode O 2 + 4 H 3 O +  + 4e –  ¥ 6 H 2 O Reduktion /Elektronenaufnahme Gesamtreaktion 2 H 2 +O 2 ¥ 2 H 2 O Redoxreaktion / Zellreaktion Elektroden aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen sollen eine höhere Energiedichte erzie- len. Auch die Membran lässt sich mit Nanomaterialien verbessern. Das Problem liegt hierbei noch in der Verwendung des Wasserstoffs. Derzeit benötigt man für eine 100 km lange Fahrt noch 20 kg Wasserstoff, der in einem sehr schweren und stark gekühlten Drucktank mitgeführt werden muss. Außerdem benötigt man zur Herstellung von Wasserstoff viel elektrische Energie. Elektrode (4) negativ geladen Elektrode (6) positiv geladen Membran (5) Wasserdampf Wasser- stoffgas Sauer- stoffgas Elektronen wandern zum Pluspol: Gleichstrom wird erzeugt (7) Elektromotor Elektron (2) Wasserstoff- atom (1) Proton (3) 114.1 Brennstoffzelle Bei einer Brennstoffzelle wird ein edelmetall- haltiger Katalysator eingesetzt, der die Reakti- on von Wasserstoff und Sauerstoff ermöglicht (kontinuierlich und regelbar, ohne Wärmever- lust und daher mit einem größeren Wirkungs- grad, im Gegensatz zu einer Knallgasreaktion). Der Brennstoff (Wasserstoff) wird unter Abga- be von Elektronen in H 3 O + -Ionen umgewandelt. An der Katode wird das Oxidationsmittel (Sau- erstoff) durch Aufnahme von Elektronen zu Anionen reduziert und reagiert gleichzeitig mit den durch die Membran zur Katode gewander- ten H 3 O + -Ionen zu Wasser. Die bei der Reaktion zwischen den beiden Elektroden erzeugte Po- tenzialdifferenz ist die „treibende Kraft“ im Stromkreis. 114.2 „Nano“ im Automobil  1 kratzfeste Beschichtung (Kunststoffteile)  2 Verschleißminderung im Motor  3 wärmereflektierende Verglasung  4 Antireflexbeschichtung (Anzeigen)  5 vom Blickwinkel abhängige Farbe  6 leichtere, stabilere und elastischere Kunststoffe  7 kratzfeste Lacke  8 Kleben statt Schweißen  9 schmutzabweisende Oberflächen 10 elektrochrome Rückspiegel (tönen sich auf ein elektronisches Signal hin) 11 wirksame Katalysator 12 Nano-Rußpartikel für bessere Haftung 13 Brennstoffzelle 2H 2 + O 2  2H 2 O 114.3 Eine Rettungsdecke ist eine extrem dünne, reißfeste, wasserdichte und Wärme isolierende Folie.  114 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv