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Freitag, 12. August 2022

[ #physik ] Quantentechnologie: Umwelt und Klima

Quantentechnologie ist ein relativ neues Gebiet der Ingenieurwissenschaften, in dem spezifische Eigenschaften und Freiheitsgrade der Quantenmechanik ausgenutzt werden. 

Dazu gehören etwa diskrete Energieniveaus, Zustandsüberlagerung, Quantenverschränkung oder der Tunneleffekt. Die hier entwickelten oder noch zu entwickelnden Technologien werden mit Begriffen wie Quanteninformatik und Quantencomputer, Quantensensoren und -metrologie, Quantenkryptographie und -kommunikation sowie Quantensimulation beschrieben (Wikipedia).

Uhren des Klimas. Beim Thema Klima und Umwelt ist es vielfach bereits fünf vor zwölf. Doch für belastbare Aussagen über die Veränderungen braucht man quantitative, genaue und verlässliche Messungen (sprich: Uhren) – und dies in einem hochkomplexen System mit einer sehr hohen Zahl an relevanten Messparametern und Stoffgruppen. 

Weil Umwelt- und Klimaprozesse keine Grenzen kennen, ist einer der wichtigsten Partner der PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt - Deutschland) bei der Klimaüberwachung die World Meteorological Organization (WMO), die unter anderem das Global Atmosphere Watch (GAW) Programme und das Global Climate Observing System (GCOS) betreibt. Letzteres definiert beispielsweise 54 essenzielle Klimavariablen, also physikalische, chemische und biologische Messgrößen, die eine Beschreibung des globalen Klimazustandes zum Ziel haben. Die Änderungen dieser Größen sind klein, und um Entwicklungen eindeutig zu erkennen, sind langfristige, hochgenaue und zuverlässige (sprich: auf das Internationale Einheitensystem SI rückgeführte) Messungen notwendig. 


 [ #MINTsprint ] ⇒  

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Samstag, 5. Dezember 2020

[ #naturwissen ] Metrologie für den Energiesektor


Metrologie, die Wissenschaft des richtigen Messens, bildet einen essentiellen Grundstein unserer arbeitsteiligen, industrialisierten und globalisierten Gesellschaft. 

Sie beeinflusst durch die Entwicklung und die Bereitstellung hochgenauer und international harmonisierter Normale und Messverfahren nahezu jeden Aspekt unseres modernen, vernetzten Lebens. Das Vertrauen in die Gültigkeit von Messergebnissen ist die Basis für alle industrialisierten Produktionsprozesse und den Verbraucherschutz.

Dies gilt in besonderem Maße auch für den Bereich der Energiewirtschaft. Deutschland ist ein Transitland für Strom und Erdgas. Eine genaue Messung von Energiemengen in Pipelines, an Tankstellen oder auch in privaten Haushalten ist eine Voraussetzung für korrekte Abrechnungen und damit Voraussetzung für fairen Handel.

Auf das Internationale Einheitensystem und nationale Normale rückgeführte Messungen, z. B. von Wärmefluss und Temperaturen in Kraftwerken, von Windgeschwindigkeiten bei zu errichtenden Windparks und von der Effizienz von Solarzellen, sind die wesentlichen Grundlagen für technologischen Wandel und Fortschritt.

Die Broschüre "Energie für Deutschland - Metrologie für den Energiesektor" von der  Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin liefert dafür eine gute Propädeutik.


 [ #MINTsprint ] ⇒ 

Lohnt sich ein Download? Ein Blick auf das Inhaltsverzeichnis sagt mehr: 

 Energie – Ziele einer nachhaltigen Versorgung  3
PTB – Metrologie für Industrie und Gesellschaft, in Deutschland und weltweit 5
Metrologie – Die Basis für eine saubere und sichere Energieversorgung 7
Energieerzeugung 9
Photovoltaik 9
Solarthermie  9
Windenergieanlagen 10
Konventionelle Kraftwerke 12
Kraftstoffe-Biokraftstoffe 13
Energiespeicherung - Energietransport 15
Gasnetze als Energiespeicher   15
Ausbau des Stromnetzes - Vernetzte Systeme 16
Energieeinsparung 19
Energieeffiziente Beleuchtung und Lichtquellen  19
Energieeffiziente Fahrzeuge  19
Elektromobilität - Metrologie für die Batteriediagnostik  20
Anhang  21
Die PTB – Zahlen und Fakten  21
Kontakt   21
Standort Braunschweig 23
Standort Berlin  23
Bildnachweis  24
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Dienstag, 28. März 2017

[ #naturwissen ] Die Bedeutung des Messens: Paradigmenwechsel 2018 für neues Internationales Einheitensystem (SI)

Der Herbst des Jahres 2018 wird, soviel ist heute schon sicher, für einen Eintrag in die Geschichtsbücherder Wissenschaft sorgen. Und es könnte sogar sein, dass nicht nur die Wissenschaftsgeschichte von dem Ereignis Notiz nimmt, sondern auch viel grundsätzlicher die Kulturgeschichte.

 Paradigmenwechsel. Denn in jenem Herbst des Jahres 2018 soll etwas mit Brief und Siegel versehen werden, woran schon seit Jahren und Jahrzehnten mit höchster Messkunst in den Nationalen Metrologieinstituten gearbeitet wird: an einer grundlegenden Revision des Internationalen Einheitensystems (Système International d’unités, kurz: SI).

Die (Basis-)Einheiten werden auf eine so fundamentale Art neu definiert werden, dass von einem Paradigmenwechsel gesprochen werden muss. Nicht mehr eine ausgewählte kleine Menge von Basiseinheiten, mit all ihren historischen Zöpfen, Willkürlichkeiten und Idealisierungen, werden von diesem Moment an der Welt die Maße sagen, sondern vielmehr eine Menge von Naturkonstanten. Also jene „Objekte“, die im Gegensatz zu jeder Maßverkörperung wirklich unveränderlich sind.

Bis jetzt hat man Einheiten und bestimmt in diesem Einheitensystem die Werte der Naturkonstanten
– was zu dem bemerkenswerten Umstand führt, dass sich die Werte der Naturkonstanten permanent ändern, weil sich in diesen Werten unsere Messmöglichkeiten widerspiegeln.

Die Metrologie (gr. μετρώ metró „messen“ und -logie) wird als „Wissenschaft vom Messen und ihre Anwendung“ definiert. Die Metrologie ist nicht zu verwechseln mit der Meteorologie (von gr. μετέωρος metéōros „in der Luft schwebend“, siehe auch Meteor), der Wetterkunde.

Morgen, also nach dem Herbst 2018, kehrt sich dieses Verhältnis um: Aus festgelegten Werten der Naturkonstanten ergeben sich die Einheiten als Schlussfolgerung. Wenn die Naturkonstanten wirklich
konstant sind, hat unser Einheitensystem dann die festeste und zuverlässigste Basis, die sich denken lässt.

 PTB-Mitteilungen. Die PTB-Mitteilungen erscheinen 4-mal jährlich und sind das metrologische Fachjournal der deutschen Physikalisch-Technischen Bundesanstalt – vorwiegend mit Übersichtsartikeln zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten der PTB. Jede Ausgabe ist einem Themenschwerpunkt gewidmet.

[ #MINTsprint ] ⇒

Lohnt sich ein Download? Ein schneller Blick auf den Inhalt sagt mehr: 
Inhalt
Experimente für das neue Internationale Einheitensystem (SI)
Vorwort 3
Jens Simon
Naturkonstanten als Fundament
Paradigmenwechsel im Internationalen Einheitensystem (SI) 5
Rainer Scharf, Thomas Middelmann
Frequenz eines atomaren Übergangs
Wie tickt eine Atomuhr? – Realisierung der Sekunde von 1955 bis heute 17
Andreas Bauch, Stefan Weyers, Ekkehard Peik
Lichtgeschwindigkeit
Interferometrie – wie entlocke ich dem Licht eine Länge? 35
René Schödel
Elementarladung
Elektronen zählen, um Strom zu messen 53
Hansjörg Scherer, Uwe Siegner
Planck’sches Wirkungsquantum & Avogadro-Konstante
Atome zählen für Masse und Stoffmenge 63
Peter Becker, Horst Bettin
Elektrisch-mechanisches Gleichgewicht – die Wattwaage 79
Michael Gläser
Boltzmann-Konstante
Wie viel Energie steckt in der Temperatur? 89
Joachim Fischer, Bernd Fellmuth, Christof Gaiser
Photometrisches Strahlungsäquivalent
Ein Maß für sichtbares Licht – Entwicklung und Bedeutung im Internationalen Einheitensystem 99
Armin Sperling, Stefan Kück
PTB-Innovationen
Ausgesuchte Technologieangebote und Erfolgsgeschichten zu den SI-Einheiten 109
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