Mittwoch, August 29, 2012

Der Regenbogen

Jeder hat sich schon einmal an einem Regenbogen erfreut!
Aber erstaunlich wenig haben sich Gedanken gemacht, was sie eigentlich dabei sehen.
Obwohl schon die Alten Griechen bemerkten, dass zum Regenbogen Regen und Sonne gehören, hat erst Rene Descartes den Regenbogen als optische Erscheinung richtig erklärt. Anhand des folgenden, wundervollen Regenbogenfotos von Ottohall will ich einige Aspekte erläutern.
Regenbogen bei Tübingen, links der Sekundärbogen mit Rot endend, dann eine dunkle Zone, danach der Hauptbogen mit Rot beginnend und nach dem blauen Bogen eine hellere innere Zone.
Die Situation vereinfacht dargestellt:
Von der Sonne kommen parallele Lichtstrahlen, die von den Regentropfen auf unterschiedlichen Wegen über Reflexion und Brechung zum Beobachter gelangen. (Bildquelle: Wikipedia)


Für die Erklärung beginne ich in der Mitte des Regenbogens (Im Bild rechts). Licht von der Sonne trifft auf den Wassertropfen und wird in der Mitte der Tropfenrückseite reflektiert und gelangt direkt zum Beobachte. Etwas weiter vom Mittelpunkt tritt das Licht etwas links von der Mitte in den Tropfen, wird von der Hinterseite reflektiert und zum Beobachter zurückgeworfen.

Farben

Im Bereich der Farben, beim Primären Regenbogen, kommt das Licht in streifendem Einfall auf den Tropfen, wird deutlich abgelenkt und zum Beobachter geworfen. Dabei hängt dieser Grenzwinkel etwas von der Farbe ab, so dass es zum Aufbau eines Spektrums kommt. Mathematisch ist das eine Nullstelle in der Ableitung, aber so genau will ich das nicht erläutern.
Jetzt kommt eine Zone, wo es keinen Strahlengang im Tropfen gibt, der beim Beobachter endet, daher die dunkle Zone. Noch weiter Außen gibt es einen weiteren Regenbogen, den man bei guten Lichtverhältnissen sieht, dabei tritt das Licht rechts streifend in den Tropfen und nach Reflexion an den Beobachter zurückgeworfen. Noch weiter Außen und auch Innerhalb des Hauptbogens kann es noch weiter Bögen geben, die auf komplexe Beugungsprozesse beruhen.
Letztendlich ist der Regenbogen ein sehr kompliziertes Naturphänomen, das zur Erklärung die gesamten Kenntnisse der modernen Optik benötigt. Und zugleich ist er ein wundervolles Symbol für Sonne, Wind Regen die unsere Energie und Lebensmittelversorgung zentral bestimmen.

Montag, August 13, 2012

Der 4. Kern

Der vierte Kern

Betrachtet man unser Universum, dann findet man sehr viele Strukturen auf jeder Ebene. Das bekannte Universum erscheint unerwartet stark stark strukturiert. Eigentlich würde man ja ein sehr einfaches Universum erwarten, etwas Raum und einen Elementarteilchentyp. Aber wir sind natürlich in einem Universum, das Komplexität erlaubt und daher will ich vier Ebenen der Komplexität betrachten.
Die Kerne erster Ordnung unseres Universums

Die Elemente

Obwohl es nur sehr wenige Elementarteilchen gibt, nennenswert sind die Elektronen, Protonen und Neutronen[1], gibt es eine Struktur, die auf diesen Teilchen aufbaut, und das sind die Atomkerne. Zufällig sind die Kräfte der elektrischen Abstoßung und der nuklearen Anziehung gerade so groß, dass einige tausend verschiedene Atomkerne existieren, dabei gibt es 92 unterschiedliche Kernladungen, das was man normalerweise als die 92 Elemente bezeichnet. (Mehr zu solchen grundlegenden Fragen)
Jedes Atom hat einen Kern und eine Hülle mit merkwürdigen Eigenschaften, die es erlaubt, dass mehrere Atome zusammen Moleküle oder Kristalle bilden, keineswegs selbstverständlich, aber so ist eben unser Universum aufgebaut. 
  • Jedes Atom hat einen Kern, der mit seiner Ladung vorgibt, wie das Atom sich in seiner Umgebung verhält.

Die Zellen

Geht man eine Komplexitätsebene nach oben, findet man in der Natur Zellen. Zellen sind die kleinsten, selbstständigen Einheiten des Lebens. Erstaunlicherweise bestehen Sie ebenfalls aus einem Kern, in dem das Erbgut liegt, und einer Hülle. Die Hülle kann mit der Umwelt reagieren und es gibt sogar Zellverbände und "Zellkristalle" die man gemeinhin als Vielzeller oder höhere Lebewesen beschreibt.
Das Erbgut, die DNA, im Kern ist in jeder Zelle eines bestimmten Art nahezu identisch. Und ohne besondere Übertreibung kann man die Zellen als die Atome der Lebewesen bezeichnen. 
  • Der Zellkern ist damit ein Kern zweiter Ordnung, da er aus Atomen mit Kernen erster Ordnung besteht.

Der Mensch

Alle höheren Lebewesen, und insbesondere der Mensch, haben ein zentrales Nervensystem. Das zentrale Nervensystem, Gehirn, ist für die Handlungen des Organismus verantwortlich. Es steuert seine Aktivitäten in der Umwelt. Zwei Menschen können sich zu einem "Menschenmolekül" zusammenlagern, auch Ehe oder Partnerschaft genannt. Viele Menschen können einen "Menschenkristall" bilden, der dann als Staat, Nation oder ähnlich bezeichnet wird.
  • Das Gehirn ist ein Kern der dritten Ebene, da alle Mitglieder einer Art im wesentlichen gleiche Gehirne haben.

Die Menschheit

Die Menschheit bildet gerade einen Kern aus, den wir heute Internet nennen. Dieses System, das den Organismus Menschheit auszeichnet ist noch nicht ganz fertig, so wie wohl in der Ursuppe die Zellkerne noch nicht so eindeutig zu identifizieren waren oder bei niedrigen Tieren kein klar abgetrenntes Gehirn existiert.
  • Aber der Trend ist erkennbar, die vierte Ebene der Kernbildung hat begonnen. 
  • Unklar ist, ob wir damit die letzte Ebene der Komplexität erreicht haben.
Bei Innovationen ist aber nie das Ende erreicht.

Nicht nur die Kerne erreichen neue Ebenen, auch die bearbeiteten Dimensionen, wie ich in einem weiteren Post dargestellt habe

Da ich bisher noch nirgends eine vergleichbare Betrachtung gefunden habe, würde ich mich über Hinweise zu diesem Problem freuen!

[1]Hinweis: Protonen und Neutronen sind keine echten Elementarteilchen sondern aus Quarks aufgebaut, das ist hier aber nicht relevant.

Donnerstag, August 09, 2012

Mars macht mobil

Marsmobil Curiosity ist sinnvoll

Vor wenigen Tagen ist ein wissenschaftliches Labor auf Rädern auf dem Mars gelandet. Eine beachtliche Leistung der NASA, die dafür nur einen Bruchteil der Kosten als bei der Apollo-Mission 1969 hatte. Genaugenommen hat die Mondlandung bei heutigen Preisen 150 Mrd. $ gekostet, Curiosity nur 2 Mrd $.



Aber nicht der Preis allein ist entscheidend, es wird immer Menschen geben, die sagen, was haben wir von einem Marsflug, wenn wir jeden Monat den gleichen Geldbetrag auch nach Griechenland senden können.

Der entscheidende Punkt ist, jedes Projekt, das junge Wissenschaftler begeistert und zu Höchstleistungen animiert, ist ein gutes Projekt. Das liegt einerseits daran, dass die hoch motivierten Menschen lernen, auch schwere Probleme kann man lösen, wenn man sich darauf konzentriert. Weiterhin lernen die Menschen, dass man mit Zusammenarbeit gewaltiges leisten kann.

Die Ernte besteht dann aus einer Erweiterung unseres Weltbildes, wie sieht es auf anderen Planeten aus, insbesondere warum ist es nur bei uns so schön. Zudem könnte die spannende Frage nach Leben außerhalb unserer Biosphäre wieder eine weitere Antwort, welcher Art auch immer, bekommen.

Längerfristig sind, neben den technischen Abfallprodukten, die hochqualifizierten Menschen das wichtigste. Ich kenne einige Physiker, die viele Jahre intensiv über schwarze Löcher, Röntgensatelliten und viele andere astronomischen Probleme gearbeitet haben und danach außerordentlich erfolgreiche Unternehmer und Programmierer wurden. 

Die Ausbeute von Monumental-Projekten wie Pyramiden (Mathematik), Kathedralen (Universitäten), Mondflug (Mikroelektronik) und Teilchenbeschleunigern (Internet) liegt also nicht direkt im Projektergebnis sondern im Abfallprodukt, das ich jeweils in Klammer angegeben habe. Zudem in gut funktionierenden Gesellschaften die gemeinsame, nicht militärische Ziele verfolgen und hochqualifizierte Menschen bilden.

Ich wünsche mir daher viele weitere Projekte die dem Frieden dienen.

Wer genau wissen will, wo Curiosity in den nächsten 800 Tagen hinfährt findet im Vortrag von Ryan Anderson eine Menge mehr Informationen.

Sonntag, August 05, 2012

PV - die beste Geldanlage?

Photovoltaik, die beste Geldanlage?

In Zeiten der Währungskrise suchen die Menschen nach einer Anlageform die das ersparte Geld sicher in die Zukunft transferiert. Früher war es relativ einfach, wer nicht all zuviel Geld hatte und sicher sein wollte, dass er es in zehn oder zwanzig Jahren noch etwas davon hat, der hat sogenannte "Bundesschatzbriefe" gekauft. Da war die Verzinsung nicht berauschend, aber nach vielen Jahren war das Geld noch da.

Zwei wichtige Forderungen für Geldanlagen: Sicherheit und Ertrag

Sicherheit bedeutet, dass man am Ende des Anlagezeitraums auf jeden Fall das Geld, oder genaugenommen den Wert noch vorhanden ist. Noch allgemeiner: Wenn ich heute 100 Stunden Arbeite und eine sichere Anlage wähle, dann erwarte ich, dass ich am Ende des Anlagezeitraums mir etwas kaufen kann für das ich dann 100 (oder mehr) Stunden arbeiten müsste!

Es gibt keine wirklich sichere Anlage, da alles verloren gehen kann, zuletzt natürlich auch das eigene Leben. Geld ist immer nur so sicher, wie das Vertrauen in denjenigen, der das Geld druckt. Hier hat in den letzten Jahren ein gewaltiger Erosionsprozess eingesetzt. Offenbar ist völlig offen, wie viel Euros in den nächsten Jahre gedruckt werden, sollten es wesentlich mehr sein, als die Werte, die er repräsentiert, dann verliert der Euro seinen Wert, oder in anderen Worten für die hundert Stunden, die wir gearbeitet haben, bekommen wir in Zukunft nur noch einen Wert, der 50 Stunden oder weniger entspricht.

Objekte kaufen

Eine Alternative ist es, Objekte zu kaufen, da diese nicht der Inflation unterliegen können. Sehr verbreitet sind Immobilien. Immobilien haben aber die natürliche Eigenschaft, einerseits dem Zerfall zu unterliegen, eine Heizung geht kaputt, das Dach muss neu gemacht werden, andererseits wird offensichtlich der Anspruch der Mieter immer höher, Wärmeisolation, große Räume, Klimatisierung und viele andere Wünsche lassen Altbauten oft alt aussehen. 
Zudem sind Immobilien sehr teuer, so dass man nicht eben mal 5000 Euro in Immobilien anlegen kann.
Daher weichen andere auf Objekte aus, die offensichtlich schon seit langer Zeit einen gewissen Wert haben, an erster Stelle sei hier Gold genannt. Tatsächlich hat Gold im großen und ganzen über Jahrhunderte seinen Wert erhalten, nur gibt es ein Problem, Gold ist unproduktiv und wirft weder "Miete" noch Zinsen ab. Zudem   bekommt man für 100 Stunden Arbeit nur die Goldmenge, für die man vor zehn Jahren 20 Stunden arbeiten musste. Es ist also nicht auszuschließen, dass man in zehn Jahren erhebliche Wertverluste hinnehmen muss. Und damit ist keine echte Werthaltigkeit geschaffen.

Photovoltaik kaufen

Eine Photovoltaikanlage erzeugt Strom aus Sonnenenergie. Strom ist die wertvollste Energieform, die es gibt, da man aus Strom jede andere Energieform erzeugen kann. Aktuell kostet eine Solaranlage inklusive Installation pro kW peak, das bedeutet, eine Anlage, die in einer Stunde maximal eine kWh Strom erzeugen kann, etwa 1700 Euro. In Deutschland erzeugt diese Anlage im Lauf eines Jahre etwa 1000 kWh Strom. Da wir von unserer Stromrechnung wissen, dass eine kWh etwa 0,20 Euro kostet, kann man leicht ausrechnen, dass die Anlage im Lauf von 9 Jahren mindestens ihren Einkaufspreis als Strom erzeugt hat. Ähnliche Rechnungen gibt es auch für viele Immobilien oder andere Investitionen. Ungewöhnlich sind aber folgende Eigenschaften einer Photovoltaikanlage:
  • nahezu keine Wartungskosten
  • Strom ist immer wertvoll
  • Sehr langlebig
Im Gegensatz zu vielen anderen Maschinen muss man an einer Solarzelle keine Wartung vornehmen. Gerade Wartungskosten können eine Investition längerfristig sehr teuer machen, wie der Autor erfahren hat, der einen Anteil an einem Windkraftwerk besitzt. Plötzlich ist das Getriebe kaputt oder das Bioöl von Bakterien zerfressen. Insbesondere bedeutet Wartung immer den Einsatz von Arbeitskraft und Arbeitskraft wird immer teurer!

Strom brauch jeder, selbst wenn in Zukunft der Strompreis sinken sollte, weis man zumindest mit einer Solaranlage, dass man keine Kosten für den eigenen Strom hat. Es ist ähnlich zur Situation, wenn man eine kleine Ölquelle im Garten hat, mit der man das eigene Auto betanken kann. Der Benzinpreis interessiert dann nicht mehr, oder genaugenommen ein bestimmter Anteil der Lebenshaltungskosten ist verschwunden.

Wie lange Solarzellen funktionieren ist nicht ganz exakt bekannt, aber wir haben bei uns an der Hochschule Zellen, die 28 Jahre in der Sonne Strom produziert haben untersucht, die Leistung der monokristallinen Zellen war nur um weniger als zehn Prozent abgefallen.

Es macht also durchaus Sinn, einen Teil seines Vermögens in Photovoltaik anzulegen, unabhängig von aktuellen Förderprogrammen, weil Energie auch in zehn Jahren wertvoll sein wird. Sollte Energie bis dahin sehr billig werden, dann können wir uns alle auf die Zukunft freuen, den dort wo Energie billig ist, ist der Wohlstand groß!