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ENERGIEWIRTSCHAFT
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Es kam aus dem Weltraum, bewegte sich mit Lichtgeschwindigkeit und stürzte in die Antarktis. Tief unter dem Eis fand es sein Ende. Es war kein Asteroid oder außerirdisches Raumschiff, sondern ein Teilchen, das selten mit Materie interagiert, bekannt als Neutrino.
Neutrinos, die bereits in den 1930er Jahren postuliert und in den 1950er Jahren erstmals entdeckt wurden, haben eine geheimnisvolle Ausstrahlung und werden manchmal auch als „Geisterteilchen“ bezeichnet – sie sind weder beängstigend noch bedrohlich, aber sie passieren die Erde einfach, ohne dass wir sie bemerken.
Geisterteilchen haben in den letzten Jahren aus verschiedenen Gründen für Schlagzeilen gesorgt. Die Kollision in der Antarktis wurde beispielsweise auf ein schwarzes Loch zurückgeführt, das einen Stern zerrissen hat, während andere Neutrinos von der Sonne auszugehen scheinen. Anfang 2022 gelang es Forschern, die ungefähre Masse eines Neutrinos direkt zu bestimmen – eine Offenbarung, die zur Entdeckung neuer physikalischer Phänomene beitragen oder die Grundsätze des Standardmodells verletzen könnte.
Stellen Sie sich vor, wir wären in der Lage, einen Geist zu fangen und zu behaupten, das Gespenst gehöre zu einem Verstorbenen. Alles, was wir über den Kosmos wissen, würde sich dadurch ändern. Ein Geisterteilchen ist aus demselben Grund ein großes Problem, weshalb Astrophysiker versuchen, es zu fangen. Sie sind begeistert, und hier ist der Grund, warum Sie es auch sein sollten.
Ein Neutrino ist, kurz gesagt, ein grundlegendes subatomares Teilchen. In der Teilchenphysik wird es gemäß dem Standardmodell als „Lepton“ eingestuft. Elektronen, die negativ geladenen Teilchen, aus denen die Atome bestehen, sowie Protonen und Neutronen sind Beispiele für Leptonen. Aber wenn wir uns mit all diesen Dingen befassen, werden wir sehr tief in die Teilchenphysik eindringen, was uns umhauen wird.
Das Neutrino ist insofern ungewöhnlich, als es keine elektrische Ladung und eine verschwindend geringe Masse hat, aber überall im Kosmos zu finden ist. „Sie entstehen in der Sonne, in Kernreaktoren und bei der Kollision hochenergetischer kosmischer Strahlung mit der Erdatmosphäre“, erklärt Eric Thrane, Astronom an der australischen Monash University. Sie werden auch durch einige der extremsten und mächtigsten Phänomene erzeugt, die wir kennen, wie supermassive schwarze Löcher und explodierende Sterne, und sie entstanden am Anfang des Universums: beim Urknall.
Sie bewegen sich, wie das Licht, auf einer geraden Bahn von ihrem Entstehungsort im Raum. Während andere geladene Teilchen den Magnetfeldern ausgeliefert sind, rasen Neutrinos unbeeindruckt durch das Universum, wie eine Phantomkugel aus einem gigantischen kosmischen Gewehr. Billionen von ihnen rasen über die Erde und direkt in Sie hinein, während Sie dies lesen.
Das ist richtig. Neutrinos durchqueren Ihren Körper jede Sekunde eines jeden Tages seit dem Tag Ihrer Geburt. Du merkst es nur nicht, weil sie nicht viel mit dir zu tun haben. Sie kollidieren nicht mit den Atomen, aus denen Sie bestehen, so dass Sie nicht einmal bemerken, dass sie da sind. Das Neutrino geht durch die Wand, als wäre es eine Geistererscheinung. Zum Glück ist kein Exorzismus notwendig.
Wissenschaftler untersuchen sie seit Jahrzehnten und haben dabei etwas Unerwartetes entdeckt. Nach dem herkömmlichen Modell sollten Neutrinos keine Masse haben. Sie haben sie aber. „Die Tatsache, dass sie Masse haben, führt zu neuen physikalischen Erkenntnissen, die unser Wissen über den Kosmos verbessern werden“, bemerkt James.
Das Geheimnis der Neutrinomasse wurde erstmals in den 1960er Jahren gelüftet. Die Wissenschaftler stellten die Hypothese auf, dass die Sonne Elektronenneutrinos, eine Art subatomares Teilchen, erzeugen sollte. Aber das war nicht der Fall. Dieses „Sonnenneutrinorätsel“ führte zu einer bahnbrechenden Entdeckung: Neutrinos können ihren Geschmack ändern.
Das Geisterteilchen, das einer fast leeren Tüte Mentos gleicht, gibt es in drei verschiedenen Arten: Elektron, Myon und Tau, und sie können auf ihrer Reise durch den Weltraum ihre Art ändern. Die Sonne kann zum Beispiel ein Elektronenneutrino erzeugen, das anschließend als Myon Neutrino nachgewiesen wird.
Und eine solche Verschiebung deutet darauf hin, dass das Neutrino Masse hat. Wären sie masselos, könnten sie der Physik zufolge ihre Art nicht ändern. Die Wissenschaft versucht nun herauszufinden, wie groß die Masse ist.
In einer Studie, die im Februar 2022 in der renommierten Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, entdeckten Forscher, dass die Masse eines Neutrinos sehr gering ist. (aber definitiv vorhanden). Mit Hilfe eines Neutrino Detektors in Deutschland konnten die Physiker direkt nachweisen, dass die maximale Masse eines Neutrinos etwa acht Zehntel eines Elektronenvolts (eV) beträgt. Das ist eine unfassbar geringe Masse, fast eine Million Mal „leichter“ als ein Elektron.
Der Weltraum ist eine der wichtigsten Komponenten, die Sie benötigen. Einen tiefen unterirdischen physischen Raum. Wissenschaftler haben Neutrino Detektoren unter meterdickem Eis in der Antarktis und bald auch auf dem Meeresgrund gebaut, um hervorragende Ergebnisse zu erzielen. So bleiben die Daten frei von Einflüssen wie kosmischer Strahlung, die sonst die empfindlichen Detektoren an der Oberfläche angreifen würden. Der IceCube-Detektor in der Antarktis liegt 8.000 Fuß tief in der Erde.
„Ein Geisterteilchen einfangen“ ist vielleicht nicht die genaueste Beschreibung dessen, was diese Detektoren tun. IceCube zum Beispiel fängt keine Neutrinos ein. Der Großteil der Teilchen fliegt direkt am Detektor vorbei. Einige kollidieren jedoch sehr (sehr!) selten mit dem antarktischen Eis, was zu einem Schauer von Sekundärteilchen führt, die eine Art blaues Licht erzeugen, das als Cherenkov-Strahlung bekannt ist.
Das von den Teilchen ausgestrahlte Licht wird von einer Reihe lichtempfindlicher kugelförmiger Module aufgefangen, die vertikal wie Perlen auf einer Schnur aufgereiht sind. In Japan gibt es einen vergleichbaren Detektor: den Super-Kamiokande. Dieser ist unter dem Berg Ikeno vergraben und verwendet einen 55.000 Tonnen schweren Tank mit Wasser statt Eis. Beide können feststellen, aus welcher Richtung das Neutrino stammt und welche Geschmacksrichtung es hat. Infolgedessen können die Wissenschaftler zwar Hinweise auf das Vorhandensein des Geisterteilchens beobachten, nicht aber das Geisterteilchen selbst.
Neutrinos sind grundlegende Teilchen in unserem Universum, was bedeutet, dass sie allem, was in irgendeiner Weise geschieht, zugrunde liegen. Mehr über Neutrinos zu erfahren, kann uns helfen, einige Rätsel der Physik zu lösen.
„Neutrinos werden von Teilchenphysikern untersucht, um Hinweise auf eine Physik jenseits des Standardmodells zu finden“, erklärt Thrane. Er sagt, dass die Physiker wissen wollen, ob Neutrinos eine der Grundregeln des Standardmodells brechen. „Dies könnte Aufschluss darüber geben, warum es im Universum mehr Materie als Antimaterie gibt“, fügt Thrane hinzu, der das Thema als eines der großen Rätsel der Physik bezeichnet.
Obwohl Neutrinos in vielerlei Hinsicht von Nutzen sind, besteht die wichtigste darin, dass sie eine zuverlässige Lösung für das derzeitige Energieproblem bieten, da diese Teilchen zur Energieerzeugung genutzt werden können.
Wissenschaftler auf der ganzen Welt setzen sich für eine energieeffiziente und ökologisch nachhaltige Zukunft ein. Diese technologische Revolution wird jedoch von der Neutrino Energy Group angeführt, die hart an der Entwicklung ihrer Neutrinovoltaik Technologie arbeitet, um die Energie zu Unterstützen, die derzeit von Windparks, Solaranlagen und anderen erneuerbaren Energieprojekten erzeugt wird. Diese Technologie wird die Art und Weise, wie wir über erneuerbare Energien denken, in den nächsten Jahren revolutionieren, und es wird erwartet, dass sie in den nächsten Jahren weit verbreitet sein wird.
In Bezug auf Effizienz und Haltbarkeit hat die Neutrinovoltaik-Technologie nicht die gleichen Probleme wie andere erneuerbare Energiequellen. Da Neutrinos durch praktisch jedes bekannte Material fließen können, müssen Neutrinovoltaik-Zellen nicht dem Sonnenlicht ausgesetzt sein, um richtig zu funktionieren. Sie können sowohl in Innenräumen als auch im Freien und unter Wasser eingesetzt werden, was sie sehr flexibel macht.
Da Neutrinovoltaik Zellen während der Energieerzeugung problemlos isoliert werden können, ist diese Technologie unempfindlich gegenüber Schnee oder anderen Unwettern. Da Neutrinovoltaik-Zellen kein sichtbares Licht benötigen, um zu funktionieren, können sie auch dann noch die gleiche Energiemenge erzeugen, wenn die Anzahl der Tageslichtstunden drastisch reduziert wird.
Da sie nicht von Umweltveränderungen oder saisonalen Schwankungen beeinflusst werden, bieten Neutrinovoltaik Zellen eine konstante Energiequelle. Daher ist es nicht mehr erforderlich, Neutrino-Energie in Batterien zu speichern.
Dank der Entdeckung der Neutrinovoltaik-Technologie verfügt die Menschheit nun über eine lang erwartete und zuverlässige Antwort auf das gegenwärtige Energiedilemma. Die Entwicklung der Neutrinovoltaik-Technologie befindet sich nach Angaben der Forscher noch im Anfangsstadium. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass diese Entdeckung, ähnlich wie die Photovoltaikzellen, eines Tages weithin als praktikable Antwort auf den weltweiten Energiebedarf akzeptiert werden wird.
