Die Geschichte der Schifffahrt geht weit zurück. Bevor die Menschen das Rad erfanden, war der Wasserweg die beste Möglichkeit für den Transport. Bereits die alten Ägypter bauten vor mehr als 5.000 Jahren Schiffe, mit denen sie auf dem Nil fuhren. Als Baumaterial verwendeten sie anfänglich zusammengebundenes Schilf und später auch Holz.
In den letzten Jahrtausenden entwickelte sich der Schiffbau weiter. Die Wikinger bauten ihre berühmten Kriegsschiffe und die Spanier große Handelsschiffe aus Holz. Mit einem solchen Handelsschiff entdeckte Christoph Columbus 1492 Amerika. Heute bestehen unsere Schiffe meistens aus Metall. Im Gegensatz zu Holz ist Metall sehr stabil, aber auch viel schwerer.

Wie kann ein Schiff schwimmen?

Du hast bestimmt schon einmal gesehen, dass ein Holzstück auf dem Wasser schwimmt. Und du weißt auch, dass eine Metallkugel im Wasser untergeht. Warum gehen Schiffe, die aus schwerem Metall gebaut sind, dann nicht unter?
Schiffe sind innen hohl und haben eine bauchige Form. Ein zusammengeknülltes Schiff würde sinken, wie die Metallkugel. Ob ein Gegenstand schwimmt, hängt also nicht nur von seinem Gewicht ab, sondern auch von seiner Form. Durch die Form des Schiffes wird ein Auftrieb erzeugt, der das Schiff auf dem Wasser hält. 

Das Archimedische Prinzip

Ein weiterer Grund dafür, dass Schiffe schwimmen können, ist das sogenannte Archimedische Prinzip“. Der griechische Mathematiker Archimedes entdeckte dieses physikalische Gesetz vor über 2.000 Jahren. Das kennst du sicher auch: Wenn du dich in eine Badewanne setzen würdest, die randvoll ist, würde die Wanne überlaufen. Das Wasser wird „verdrängt“.
Das physikalische Prinzip dahinter sagt aus: Der Auftrieb eines Körpers im Wasser ist dann ausreichend gegeben, wenn er ein größeres Gewicht an Wasser verdrängt, als der Körper selbst besitzt. Wenn ein 100 Tonnen schweres Schiff also schwimmen möchte, muss es mehr als 100 Tonnen Wasser verdrängen.

Schwimmen und tauchen: So funktionieren U-Boote 

Wie kommt es nun, dass U-Boote tauchen können, wo sie doch innen hohl und mit Luft gefüllt sind? Ganz einfach: U-Boote besitzen große Tanks, die entweder mit Wasser oder mit Luft gefüllt sind. Für den Tauchgang öffnet der Steuermann die Klappen des Tanks. Dadurch füllen sich die Tanks mit Wasser und das U-Boot wird schwerer – es sinkt. Tiefsee-U-Boote können so bis zu 6.000 Meter tief tauchen. Um wieder an die Wasseroberfläche zu kommen, füllt der Steuermann die Tanks mit Luft aus Pressluftflaschen. Die Luft verdrängt das Wasser: Das U-Boot wird wieder leichter und der Auftrieb stärker. So schwimmt das U-Boot wie ein Schiff auf dem Wasser.

 

Schwimmendes U-Boot
U-Boote können nicht nur tauchen sondern auch an der Wasseroberfläche schwimmen.

 

 

Beitragsfoto: Adobe Stock // STOCKSTUDIO

Batterien und Akkus gibt es ganz viele verschiedene und alle sind sie dafür da, Geräte mit elektrischem Strom zu versorgen und funktionsfähig zu machen. Doch was ist eigentlich der Unterschied zwischen Batterien und Akkus? Ganz einfach: Die Batterie ist im Gegensatz zum Akku nicht aufladbar. Das kennst du zum Beispiel von deinem Wecker oder deinem Taschenrechner. Wenn die Batterie einmal leer ist, musst du sie entsorgen. Einen Handyakku oder den Akku einer Digitalkamera kann man dagegen immer wieder aufladen. Er ist praktisch eine wiederaufladbare Batterie. Doch auch die hält nicht ewig: Mit der Zeit muss man sie immer öfter aufladen, bis sie schließlich zu schwach für das Gerät wird. Auch der Akku muss dann entsorgt werden – oder?

Akku
Ein Akku ist eine wiederaufladbare Batterie.

Umweltfreundlich

Eines steht auf jeden Fall fest: Da du Akkus nicht sofort entsorgen musst, sondern immer wieder aufladen kannst, sind sie ein wenig umweltfreundlicher als Batterien. Sie produzieren schlichtweg nicht so viel Müll. Doch auch bei Akkus gibt es Vor- und Nachteile. Um diese zu erklären, machen wir einen kleinen Ausflug in die Chemie.

Es gibt Nickel-Kadmium-Akkus, Nickel-Metallhydrid-Akkus, Lithium-Ionen-Akkus und Lithium-Ion-Polymer-Akkus. Das hört sich sehr kompliziert an, diese Typen lassen sich aber schnell in zwei verschiedene Gruppen einteilen. Die beiden Akku-Varianten mit Nickel entladen sich sehr schnell selbst. Das bedeutet, wenn du sie auflädst und einfach unbenutzt liegen lässt, ist beim nächsten Benutzen der Akku bereits zu einem Teil leer. Auch die Lithium-Ionen-Akkus entladen sich selbst, allerdings nicht so schnell. Ein Vorteil ist hier auch, dass die Akkus genauso groß sind wie die Nickel-Akkus und trotzdem mehr Energie speichern können. Außerdem haben sie eine längere Lebenszeit. Das sind ein paar der Gründe, warum Lithium-Ionen-Akkus häufig zum Einsatz kommen. Du findest solche Akkus zum Beispiel in Handys und Laptops, aber auch die Batterie in einem Elektrofahrzeug funktioniert wie ein Lithium-Ionen-Akku.

Akku
Vor allem in tragbaren Geräten und Elektroautos findest du Lithium-Ionen-Akkus. — Bild: Daimler AG

Alterung durch Oxidation

Ein Lithium-Ionen-Akku besteht aus vielen Zellen, die wiederum jeweils aus einer positiven und einer negativen Elektrode bestehen. Bei der Aufladung wandern die Ionen von der positiven zur negativen Elektrode und lagern sich dort ein. Bei der Entladung ist es andersherum. Mit der Zeit allerdings oxidieren die beiden Elektroden in einer Zelle. Das bedeutet, sie geben Elektronen ab. Die Folge davon ist, dass sie keine Lithium-Ionen mehr speichern können. Das Auf- und Entladen des Akkus funktioniert immer weniger.

Du fragst dich nun sicher: Warum oxidieren die Elektroden in den Zellen überhaupt? Das hängt vor allem von Temperatur und Ladezustand des Akkus ab. Wenn der Akku zum Beispiel in einer sehr warmen Umgebung aufbewahrt wird und zudem noch vollgeladen ist, altert er sehr schnell.

Akku
Ein Stromspeicher aus alten Batterien von Elektroautos — Bild: Daimler AG

Das zweite Leben der Elektroauto-Batterie

Die Lithium-Ionen-Akkus in den Elektroautos der Daimler AG haben eine Lebensdauer von circa zehn Jahren. Dann muss man sie auswechseln, weil die Reichweite der Autos nicht mehr ausreicht. Sind Elektroautos also wirklich so umweltfreundlich, wenn ihre Akkus alle zehn Jahre entsorgt werden müssen?

Die Daimler AG möchte, dass der Lebenszyklus einer solchen Batterie dann noch nicht endet. Deshalb hat der Autobauer die Batterien von 1000 smart-Elektrofahrzeugen zu einem großen Stromspeicher zusammengeschlossen. Wie ein stationärer Energiespeicher soll er zum Beispiel Sonnen- oder Windenergie speichern und dann verfügbar machen, wenn man diese Energie braucht.

Die Akkus der Elektroautos werden damit nicht nur weitere zehn Jahre verwendet, die Energieanbieter könnten so auch ein weiteres großes Problem lösen. Momentan kommt unser Strom noch aus umweltschädlichen Kraftwerken. Deshalb ist das Ziel, langfristig auf erneuerbare Energien, also Energie aus Windrädern oder Energie durch Solarzellen, umzustellen. Auf diese Energie kann man sich aber nicht verlassen, denn die Sonne scheint nicht immer dort, wo Menschen Strom brauchen, und auch der Wind weht dort nicht immer. Es muss deshalb sogenannte Primärreserven geben. Das sind Energiespeicher, auf die sofort zurückgegriffen werden kann, wenn der Strom mal fehlt. Ein Stromspeicher aus ganz vielen alten Elektro-Akkus kann überschüssige Energie aus Sonne und Wind speichern und in solchen Fällen zum Einsatz kommen.

Akku
So stellt sich die Daimler AG den Lebenszyklus der Batterien aus Elektroautos vor. — Bild: Daimler AG

Der Stromspeicher der Daimler AG soll noch dieses Jahr bei den deutschen Energieanbietern in Betrieb gehen und vollautomatisch funktionieren. Nach zehn Jahren eignen sich die Batterien auch dafür nicht mehr. Dann sollen sie recycelt und für den Bau neuer Batterien für Elektroautos verwendet werden.

Kein Oben und Unten

Doch erst einmal schauen wir uns an, was Schwerelosigkeit überhaupt ist. Wenn man den Begriff liest oder hört, denkt man sofort an das Weltall. Gegenstände fliegen dort herum, es gibt kein Oben und Unten mehr. Alles was man nicht festhält oder was nicht gesichert ist, fliegt weg. Astronauten spüren nichts, was sie nach unten zieht. Sie sind dort schwerelos. Das bedeutet, sie spüren keine Schwerkraft mehr. Was aber interessant ist: Die Schwerkraft ist trotzdem da! Klingt widersprüchlich? Ist es aber nicht. Schwerelosigkeit ist nicht nur das Gegenteil von Schwerkraft, sondern beide Phänomene sind direkt miteinander verbunden. Ohne das eine, gäbe es das andere gar nicht.

Gravitationsgesetz

Schwerelosigkeit
Die Schwerkraft der Erde existiert auch im All – trotzdem sind Astronauten schwerelos

Wie bereits der Physiker Isaac Newton im siebzehnten Jahrhundert in seinem Gravitationsgesetz feststellte, hat jeder Körper eine Anziehungskraft. Je schwerer der Körper ist, desto größer ist diese Kraft. Die Erde ist viel größer als der Mond und hat eine viel größere Anziehungskraft. Warum wir dann von der Erde angezogen werden, kannst du dir denken. Doch warum ist das beim Mond nicht dasselbe? Genau das ist der Grund, warum auch Astronauten in ihren Raumkapseln im Weltall schwerelos sind.

Der Mond kreist auf seiner Umlaufbahn um die Erde. Aufgrund seiner schnellen Geschwindigkeit passiert hier das Gleiche, wie wenn du mit einem schnellen Auto um die Kurve fährst: Es zieht dich nach außen. Die unsichtbare Kraft, die du dann spürst, heißt Fliehkraft. Die Fliehkraft, die der Mond auf seiner Umlaufbahn entwickelt, ist so stark, dass sie der Schwerkraft entgegen wirken kann und sie ausgleicht. Genau das passiert, wenn Astronauten mit einem schnellen Satelliten um die Erde kreisen. Die Schlussfolgerung lautet also folgendermaßen: Die Anziehungskraft der Erde ist im Weltall immer noch da. Allerdings wirken ihr andere starke Kräfte entgegen, sodass man sie nicht mehr spürt. Von Schwerelosigkeit spricht man, wenn man der Schwerkraft ausgesetzt ist, sie aber aufgrund der starken Fliehkräfte nicht mehr spürt.

Fallschirmspringer sind schwerelos, bevor sie den Fallschirm aufspannen

Freier Fall

Schwerelosigkeit lässt sich für wenige Sekunden auch auf der Erde beobachten – und zwar im freien Fall. Ein Fallschirmspringer fällt für eine kurze Zeit  lang frei nach unten, bevor er seinen Fallschirm aufspannt. Während dieser kurzen Zeit ist er, wie man in der Physik sagt, gewichtslos. Das bedeutet, dass er in der Luft nicht schwerer wäre, als ein anderer Gegenstand, der mit ihm fallen würde. Du kannst das ausprobieren, indem du ein Buch in die Hand nimmst und damit nach oben springst. Solang du zum Boden zurückfällst, wiegt das Buch in deiner Hand gefühlt nichts mehr. Der Mond, der um die Erde kreist, ist praktisch ununterbrochen im freien Fall, da er ja von der Kraft der Erde angezogen wird. Durch die starke Fliehkraft fällt er aber nicht auf die Erde, sondern um die Erde herum.

Parabelflüge

Du fragst dich jetzt sicherlich, warum du das Schwerelos-Sein noch nicht bemerkt hast. Das liegt daran, dass diese Momente auf der Erde meist nur so kurz sind, dass man sie gar nicht so schnell spüren kann. Forscher nutzen die Schwerelosigkeit, um angehende Astronauten auf den Weltraum vorzubereiten und für Untersuchungen. Deshalb haben sie Falltürme errichtet, um einige Sekunden Schwerelosigkeit zu beobachten. Oft werden aber auch Parabelflüge durchgeführt. Flugzeuge fliegen mit hoher Geschwindigkeit steil nach oben, um dann einige Kilometer frei zu fallen. Die Forscher an Bord erleben dann 25 bis 30 Sekunden lang den Zustand der Schwerelosigkeit. Für sehr viel Geld kann man solche Flüge mittlerweile sogar als Privatperson buchen.

Navigationsgeräte empfangen die Daten von GPS-Satelliten aus dem Weltall / Foto: Daimler AG

Forschung macht’s möglich

Dass die Wissenschaft diese Möglichkeiten hat, im Weltall zu forschen, ist sehr wichtig für uns. Viele Lösungen und Innovationen aus der heutigen Zeit haben ihren Ursprung in der Weltraumforschung. Beispielsweise das aerodynamische Design der LKW von Daimler basiert auf einer NASA-Technologie. Es bewirkt, dass die LKW beim Fahren weniger Luftwiderstand haben.

Es gibt aber noch eine andere ganz wichtige Sache, die es ohne unsere Satelliten, die im Weltall schwerelos um die Erde kreisen, nicht gäbe: Navigationssysteme. Mittlerweile können wir mit den GPS-Signalen aus dem All Daten auf den Zentimeter genau berechnen. Diese genauen Daten ermöglichen es dem Autobauer, das autonome Fahren weiterzuentwickeln. Denn die GPS-Technologie hilft den Autos, ohne Fahrer sicher auf den Straßen zu verkehren.

Bild: Daimler AG