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Schülerexperiment zum Magnetohydrodynamischen Antrieb (Anwendung Lorentzkraft)

Mit dem Aussterben der Röhrenfernseher ist ein beliebtes Anwendungsbeispiel für die Lorentzkraft verloren gegangen. Aber es gibt eine Alternative, die sich gut motivieren lässt, eindrucksvoll aussieht und sogar einfache Schülerexperimente bis hin zu einem Egg-Race ermöglicht: Der magnetohydrodynamische Antrieb bzw. eine MHD-Pumpe.
Hinter diesem sperrigen Wort verbirgt sich ein denkbar einfaches Funktionsprinzip: Ein Strom I fließt in einer leitenden Flüssigkeit senkrecht zu einem Magnetfeld B. So wirkt auf die Elektronen eine Lorentzkraft. Im Ergebnis sorgt dies dafür, dass die Flüssigkeit entlang der Düsenrichtung bewegt wird. Dieses Prinzip kann somit als einfache Pumpe oder auch Motor für Schiffe genutzt werden.
In Hollywood wurde der MHD-Antrieb bereits 1990 thamtisiert – im Spielfilm „Jagd auf Roter Oktober“. Hier nutzt ein U-Boot einen solchen Antrieb, um sich nahezu lautlos fortzubewegen, da keine Schiffsschraube rotiert oder sonstigen mechanischen Bewegungen notwendig sind. Dies könnte auch eine gute Einstiegsmotivation sein. Ist sowas überhaupt möglich oder ist das mal wieder reine Hollywood-Fantasie?
Zu „Zutaten“ für das Experiment sind eigentlich in jedem Haushalt zu finden und auch in der Schule leicht zu organisieren:
Material für das Modell einer magnetohydrodynamischen Pumpe
Benötigt werden:

  • 2 Teelichtschalen (oder 2 andere, nicht magnetische Elektroden)
  • ein Magent (an den Rändern isoliert – oder mit Klebeband abgeklebt)
  • ein 9 V-Block
  • Anschlusskabel
  • einfaches Salz
  • Tinte
  • eine Schale (ideal mit flachem Boden)

Als erstes stellt man dann die Pumpeneinheit her. Dazu werden die Teelichtschalen aufgeschnitten und zu Elektroden gebogen. Diese sollten am Ende etwa so aussehen wie in folgendem Bild:
Elektroden
Wichtig ist dabei, dass die beiden „Standflächen“ der Elektroden so kurz sind, dass sie sich nicht unterhalb des Magnetes berühren, wenn man sie direkt an den Magneten schiebt. Anschließend stellt man die Pumpeneinheit auf den Boden der Schale (oder klebt sie dort mit etwas doppelseitigem Klebeband fest). Idealerweise sollte die Pumpe nicht direkt am Rand, aber auch nicht zu weit weg davon stehen (etwa 3 cm), sodass man die Kabel promblemlos „schwebend“ zu den Elektroden führen kann. Bei mir sag das ganze dann so aus:
Aufbau MHD-Pumpenmodell
Jetzt noch eine gute Portion Salz in die Schale schütten und in so viel Wasser auflösen, dass der Magnet gut „überflutet“ ist, aber die Elektroden noch etwas aus dem Wasser herausragen. Damit ist die magnetohydrodynamische Pumpe im Prinzip schon fertig und kann durch anschließen des 9V-Blocks in Betrieb genommen werden. Um den Pumpeneffekt jedoch deutlicher zu machen und gegenüber dem Elektrolyse-Effekt (Blasenbildung) hervorzuheben, empfiehlt es sich vor dem Einschalten zwischen Pumpe und Schalenrand einen Tropen Tinte zu geben.
Dies führt zu folgendem Ergebnis:

Natürlich kann man durch Umpolen auch die Richtung des Stromflusses im Salzwasser umkehren und damit die Pump-Richtung ändern. Ebenso wäre ein Umdrehen des Magneten möglich.
Wer etwas mehr Zeit hat, kann dieses Prinzip auch tatsächlich für den Bau eines Bootes verwenden. Einfach alles auf eine Styroporplatte bauen, die Elektroden nach unten ins Salzwasser ragen lassen und der Pumpeneffekt führt nach Actio-Reactio-Prinzip dazu, dass das Boot angetrieben wird. Insbesondere dieser Bootbau eignet sich als Egg Race, auch wenn man von den Bootantrieben nicht zu viel erwarten darf. Die Beschleunigung ist gering und die Masse des Bootes durch 9V-Block, Magnet und Elektroden nicht gerade klein. Aber man sieht trotzdem dass der Hydrodynamische Antrieb keine Erfindung aus der Fantasie Hollywoods ist, sondern physikalische tatsächlich grundlegend realisierbar ist.

Test

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