Energieumwandlung mit Peltierelement

Insbesondere die einfache Umkehr also elektrische Energie → Wärmeenergie (Kühlbox) oder Wärmeenergie → elektrische Energie (Stromerzeugung) machen diesen Versuch so interessant und verbinden die Themenkomplexe elektrische Energie und Wärmelehre der 8. Klasse Gymnasium Bayern.

Beim Einsatz zur Erzeugung von elektrischer Energie werden bis heute nur thermoelektrische Generatoren eingesetzt. Sie arbeiten ohne bewegte Teile und sind daher verschleißfrei und gut für ihr Einsatzgebiet (sonnenferne, langlebige Raumsonden) geeignet. Der Wirkungsgrad beträgt nur 3 bis 8 %. Die darin zur Energiewandlung eingesetzten Peltierelemente benötigen zur Stromerzeugung einen möglichst großen Temperaturunterschied. Deshalb wird eine Seite durch das radioaktive Präparat erhitzt, die andere Seite strahlt über eine große Fläche mit hohem Emissionsgrad Wärmeleistung in die Umgebung ab und wird so gekühlt.

Plutonium $^{238}$Pu wird für die Verwendung in Radionuklidbatterien gezielt hergestellt. Es wird als Radionuklid in den meisten RTGs in der Raumfahrt verwendet. Typische Generatoren für Raumsonden sind mit keramischem Plutoniumdioxid (PuO$_{2}$) in Form fester Blöcke befüllt. Es ist chemisch stabil, wasserunlöslich, zerstäubt nicht und hat einen höheren Schmelzpunkt als metallisches Plutonium. Die durch radioaktiven Zerfall entstehende Wärmeleistung des Brennstoffs beträgt etwa 450 Watt pro Kilogramm.

$^{238}$Pu ist ein Alphastrahler mit niedriger Spontanspaltungsrate und dadurch geringer Neutronen- und Gammaemission mit einer Halbwertszeit von 87,7 Jahren, d. h. nach 87,7 Jahren sind es noch 225 W/kg, nach 175,4 Jahren noch zirka 112 W/kg usw. Eine Menge von 300 g $^{238}$Pu liefert nach thermoelektrischer Wandlung mit zirka 8 % Wirkungsgrad zum Beispiel etwa 11 Watt elektrische Leistung und innerhalb von 10 Jahren somit etwa 933 Kilowattstunden elektrische Energie. Ein RTG mit $^{238}$Pu Füllung kann ca. 50 Jahre lang Energie für einen Raumflugkörper liefern. © Wikipedia

1. Baue mit den angegebenen Materialien eine Radionuklidbatterie nach.
2. Schließe einen Motor an und bringe diesen zum Laufen mit Hilfe deiner Radionuklidbatterie.
3. Miss die elektrischen Grundgrößen mit Hilfe zweier Multimeter und werte deinen Versuch aus.
4. Erstelle ein komplettes Versuchsprotokoll auf einem DIN A3 Plakat. Fertige für die Auswertung einen ähnlichen wissenschaftlichen Text (siehe Wikipedia.org) mit einigen kleinen Beispielrechnungen an.

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