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Didaktik der Physik
Wärmestrahlung

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    Treibhausgas nachweisen



    Einführung

    Die Ausgangsfrage, die sich beim Treibhausgas stellt, wie kann es messtechnisch auf relativ einfache Weise nachgewiesen werden? Dabei bedeutet einfach nicht preiswert.

    Zwei Möglichkeiten bieten sich an. Zum einen eine Thermosäule nach Moll mit einer Empfindlichkeit von 160 µV/mW und einem Wellenlängenbereich von 150 nm - 15µm zu benutzen. Die andere Möglichkeit ist eine Wärmebildkamera für normale Anwendungen wie Architektur oder Elektrotechnik einzusetzen, die eine Empfindlichkeit von 100 mK im Bereich von ca. 8 - 13 µm aufweist. Auch preislich liegen Welten dazwischen. Die Thermosäule liegt im unteren dreistelligen Preissegment und die Thermokamera bewegt sich im vier bis fünfstelligen Eurobereich.

    Mit der Thermosäule ist der Nachweis von CO2 in einer kleinen Küvette als Laboraufbau nicht unproblematisch, gelingt aber. Das gilt erst recht bei Tetrafluorethan ein Fluorkohlenwasserstoff ohne Ozonschädigung auch als Kältespray bekannt. Der Nachteil ist ein einziges, empfindliches Messsignal, dem die praktische Anschauung fehlt.

    Eine übliche Wärmebildkamera hilft beim CO2-Nachweis praktisch nicht. Anders sieht es bei Tetrafluorethan aus. Durch die Stärke seiner Wirkung kann es gut in einer Labor-Küvette nachgewiesen werden. Die Wirkung von Tetrafluorethan ist ca. 1300 mal stärker als von CO2. Tritt aber weltweit nur in geringen Mengen auf.

    Messaufbau

    Im folgenden Experiment wird eine Küvette (Acrylglas), die vorher mit Luft gefüllt wurde, durch eine obere Öffnung mit Tetrafluorethan gefüllt. Die Küvette ist an beiden Stirnseiten mit einer Frischhaltefolien (Polypropylen - PP) abgedeckt, die eine Transmission für Wärmestrahlung (8-13µm) von tau=0,78 zulässt. Als Temperaturreferenz dient ein Peltierelement, im Modell die Erde, die mit einem Netzteil mindestens 30 Minuten vor der Messung in Betrieb genommen werden muss, um einen Temperaturdrift möglichst gering zu halten. Dieses Peltierelement strahlt durch die Küvette hindurch zur Wärmebildkamera, die die Seite zum Weltall darstellt.

    Klimagas
    Abb. 1: Aufbau des Experimentes mit der Gas Küvette


    Das Peltierelement ist zwischen zwei Kupferplatten zur Kühlung und gleichmäßigen Wärmeabstrahlung eingespannt. Kupferflächen haben die Eigenschaft ungleichmäßig zu oxidieren, wodurch sich dadurch der Emissionsgrad der Oberfläche ändert. Deshalb wurde die Kupferfläche mit einem definiertem Emissionsklebeband (quadratisch) versehen ( e=0,95), um eine verwertbare Messung zu erhalten.


    Durchführung der Messung

    Klimagas
    Abb. 2: Die Temperaturmessung am Peltierelement ergibt eine Wert von 84°C. Die Küvette ist mit Luft der Umgebung gefüllt, die auch der Raumtemperatur entspricht. Die Messung erfolgt am Messpunkt P1 und wird in der Tabelle angezeigt.


    Klimagas
    Abb. 3: Im oberen Bereich wird eine geringe Menge vom Kältespray in die Küvette eingefüllt. Sofort ist ein Rückgang der Temperatur von 84°C auf 18°C zu beobachten


    Klimagas
    Abb.4: Aufgrund der geringen Einfülltemperatur des Kältesprays wird die Küvette mit einem Fön auf Raumtemperatur erwärmt. Die Temeratur ist auf 31°C gestiegen.


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    Abb. 5: Nach ca. 15s hat sich die gemessene Temperatur nicht wesentlich erhöht. Sie liegt nun bei 33°C.


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    Abb. 6: Die Temperatur ist sogar geringfügig zurückgegangen. Die beiden Verschlussstopfen (oben/unten) werden entfernt, damit das Gas entweichen kann.


    Klimagas
    Abb. 7: Deutlich sichtbar der Temperaturanstieg auf 47 °C.


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    Abb. 8: Mit dem kalten Gebläse vom Fön wird die Küvette schneller gespült.


    Klimagas
    Abb. 9: Die Ausgangstemperatur von 84 °C ist wieder erreicht.


    Ergebnis

    Mit dem Einfüllen von Tetrafluorethan und nachträglichem Spülen der Küvette mit Luft nach der Messung, können die beiden klimatischen Zustände simuliert werden. Mit Tetrafluorethan in die Küvette kann die Wärme des Peltierelements praktisch nicht mehr bis zur Wärmebildkamera vordringen. Sie wird in der Küvette zurückgehalten durch Absorption bzw. Reemission, aber kaum Transmission. Als Folge heizt sich in dem Modell durch das Treibhausgas die Atmosphäre auf.

    Mit dem Messfühler wurde die Umgebungstemperatur erfasst, spielte aber durch die geringe Änderung keine Rolle.



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    28.07.2017 13:14:03