Challenge für Kernkraftgegner: Löst das Problem der Entropie!

“Aber ihr müsst das Problem des Atommülls auch ganz sicher lösen!”

Dies ist eine geläufige Aussage von Kernkraftgegnern. Wenn sie von unseren Projekten, fortgeschrittenen Brennstoffzyklen mit komplettem Aktinidenrecycling und Reaktoren der IV. Generation hören, wird, sofern das Gespräch, hust hust, in höflichem und zivilisiertem Rahmen bleibt, über kurz oder lang mit großem Nachdruck eine Lösung des Problems der nuklearen Abfälle eingefordert.

Nun sind stark radiotoxische Substanzen aus offensichtlichen Gründen in der Tat nicht dazu geeignet, zur Würze in den Frühstückskaffee gegeben zu werden. Sie sollten nicht in die Biosphäre gelangen und daher in möglichst stabiler Form eingeschlossen werden, genauso wie Chemotoxika, z. B. Cadmium aus der Solarzellenproduktion.

Ja, Kernkraftgegner haben in diesem Zusammenhang in gewisser Hinsicht recht: Eine Lösung für nukleare Abfälle muß gefunden werden, so wie für alle anderen toxischen Industrieabfälle, in dem Sinne, dass man sie nicht einfach in die Landschaft schütten sondern in robuste Behältnisse einschließen, möglichst recyceln und wo dies nicht möglich ist so lagern sollte, dass sie nicht zufällig freigesetzt werden können. Optimalerweise sollte all dies nach international verbindlichen Protokollen erfolgen.

Kernkraftgegner fordern eine Lösung des Problems nuklearer Abfälle auf der Erde. Nun habe ich auch eine Forderung an die Kernkraftgegner: Löst das Problem der Entropie auf der Erde.

Die Entropie bezeichnet man umgangssprachlich als “Maß für die Unordnung eines Systems”, präziser gesagt ist sie dem Logarithmus der Zahl der Mikrozustände (i.e. Möglichkeiten die Teilchen im Orts- und Impulsraum anzuordnen) die dem sichtbaren Makrozustand entsprechen, proportional. Einfache Systeme haben sehr viele ihrem makroskopischen Erscheinungsbild entsprechende Mikrozustände und daher eine hohe Entropie: z. B. ein Sandhaufen, eine Ladung Eisenerz, eine Menge unbearbeiteter Steine. Komplexe Systeme haben viel weniger Mikrozustände, die mit dem Makrozustand noch kompatibel sind – schon die Veränderung weniger Bestandteile kann zum Zusammenbruch des Ganzen führen. Sie haben eine niedrige Entropie, z. B. ein Computer, ein Auto, ein Haus.

Man sieht daran, dass alle Arbeitsgänge, die für das Leben von Menschen in Wohlstand nötig sind, darauf beruhen, dass die Entropie von Systemen gesenkt wird (anderswo erhöht sie sich dabei, da die Gesamtentropie im Universum aus stochastischen Gründen mit fast absoluter Sicherheit immer weiter ansteigt). Alle Industrieprozesse sind antientrop: Vom Sand zu Mikrochips, vom Erz zum Stahl zum Automobil, von unbearbeitetem Stein zum Wohnhaus.

Die Marxisten bezeichnen dies als “Schaffung von Mehrwert”, die Physik sieht darin einen thermodynamischen Prozess, der der Tendenz aller Systeme, ihre Entropie zu steigern, lokal entgegenwirkt. Dazu ist die Zugabe hochwertiger Energie – mechanische Arbeit oder Elektrizität – nötig. Nicht alle Energieformen sind gleichwertig: Zum Antrieb antientroper Prozesse sind natürlich die Energieformen am nützlichsten, die selber eine geringe Entropie aufweisen, bei denen mit anderen Worten viel Energie auf möglichst wenige Teilchen konzentriert ist. Das macht Kernreaktoren, vor allem in Form kleiner modularer Einheiten, die dezentral verbaut werden können, als Kraftquelle für Industriewerke besonders attraktiv. Bei Kernspaltung und -fusion stehen bis zu einige Megaelektronvolt pro Teilchen zur Verfügung. Klassische Erneuerbare – Solarenergie und ihre Derivate (Wind, Wasser, Biomasse, OTEC…), Geothermie und Gezeiten – dagegen bieten, der Wellenlänge des Sonnenlichtes entsprechend, wenige Elektronvolt pro Teilchen, was der Energiedichte pro Teilchen bei chemischen Verbrennungen in Fossilkraftwerken ähnelt. Sowohl fossile wie klassische erneuerbare Energiequellen sind hochentrop. Bei Erneuerbaren äußert sich dies in der massiven Raumgreifung der erforderlichen Anlagen, sowie, im Fall von direkt genutzter Solarenergie und Wind, in geringen Nutzungsgraden von maximal 0.4 für Offshore-Windparks und unregelmäßigen zeitlichen Schwankungen. Bei fossilen Verbrennungen dagegen zeigt sich die hohe Entropie in dem riesigen Stoffdurchsatz pro Energiemenge (10.000 bis 20.000 Tonnen Kohle pro Gigawatt-Tag!) und daraus resultierend in der Freisetzung kolossaler Massen toxischer Aschen sowie umwelt-, gesundheits- und klimaschädlicher Abgase.

Klassische Erneuerbare sind eine deutlich bessere Energiequelle als Fossilbrennstoffe, schon alleine weil das Sonnenlicht, die Gezeiten und die Erdwärme noch Jahrmilliarden lang vorhanden sein werden, während Öl, Erdgas und Kohle schon im Laufe des 21. Jahrhunderts verknappen dürften. Jedoch sie sind ebenfalls hochentrop, was sie als alleinige Quelle für eine Zivilisation von 10, 12 oder sogar 15 Milliarden Menschen, die alle auf europäischem Niveau leben möchten, ungeeignet macht.

Sollen 10 Milliarden Menschen mit 3 kW Elektrizität pro Person beliefert werden, ist eine Weltgesamtleistung von 30 TW nötig (heute: 2 TW elektrisch). Pro Terawatt (1000 GW, entsprechend 100 W pro Person) wären beispielsweise erforderlich:

Dies entspricht jeweils einem einzelnen Terawatt. Zur Bereitstellung von 30 TW müssten die verschiedenen Erneuerbaren sinnvoll miteinander kombiniert werden, unter entsprechend größerem Material- und Flächenverbrauch. Und man bedenke, dass 3 kW elektrisch pro Person eventuell sehr knapp gerechnet sind – vergessen wir nicht, dass wir hier vom postfossilen Zeitlater sprechen, in dem nicht nur die Stromerzeugung dekarbonisiert, sondern auch das gesamte Mineralöl und Erdgas durch kohlendioxidfreie Optionen ersetzt wurde. Das bedeutet, dass Synfuel oder Wasserstoff für Flugzeuge hergestellt werden muss, dass sämtliche Fahrzeuge und Heizungen entweder elektrisch oder auch mit synthetischen Kraftstoffen arbeiten, deren Erzeugung viel Energie verbraucht. Jedes zusätzlich benötigte Gigawatt bedeutet einen beträchtlichen Zubau an Erneuerbaren (z. B. 170 Lieberoses) – oder aber Anschaffung eines einzelnen großen Kernreaktors oder einiger modularer Einheiten.

Neben den heutzutage verbreiteten Industrieprozessen werden in der Zukunft neuartige energieintensive Verfahren hinzukommen – zum Beispiel:

Meine Forderung an die Kernenergiegegner lautet daher:
Löst das Entropieproblem – ausschließlich mithilfe der von euch favorisierten klassischen Erneuerbaren! Das bedeutet, dass ihr dafür sorgen müsst, dass überall auf der Erde hochwertige Energie (Elektrizität) im Überfluss zur Verfügung steht, mindestens mehrere Kilowatt pro Person, damit die Menschen aller Länder die Möglichkeit haben, antientrope Produktionsprozesse anzutreiben und einen hohen Lebensstandard zu genießen. Erzeugt soviel konzentrierte Energie, dass die vielbeschworenen “Grenzen des Wachstums” fallen und die Zivilisation sich weiterentwickeln kann zur Nachknappheitsgesellschaft, überall auf der Erde und, über diese hinausschreitend, auch in permanenten Kolonien im Weltraum. Das Ziel ist eine raumfahrende Menschheit, die die materiellen, energetischen und entropen Begrenzungen ihres Heimatplaneten hinter sich lässt.

Wenn es den Gegnern gelingt, diese Aufgabenstellung mithilfe klassischer Erneuerbarer – Solarkraft, Windkraft, Biomasse, Erdwärme, Gezeiten etc. – plausibel zu lösen, dann bin ich sofort voll auf ihrer Seite. Dann sage ich: All the power to you!

Challenge accepted?

11 Gedanken zu “Challenge für Kernkraftgegner: Löst das Problem der Entropie!

  1. Mir ist nachdem ich den Beitrag gelesen habe (und ich stimme dir absolut zu), nicht ganz klar, wie die Forderung nach der Lösung des Entropieproblems mit der Lösung der Lagerung für radioaktive Abfälle zusammen hängt…
    Irgendwie hinkt mir der Vergleich etwas – es klingt ein wenig nach “wir lösen das Atommüll-Problem wenn ihr das Entropieproblem löst”. Oder auch nach “das Atommüll-Problem lösen ist genauso schwer wie das Entropieproblem lösen”. Ist eine Interpretationssache, deshalb wäre meine Frage, was du genau gemeint hast. Denn das Atommüll-Problem ist ja nun definitiv auf verschiedene Weisen (nur ggf. nicht für alle wirklich 100 % akzeptabel) lösbar.

    • Was ich damit sagen möchte: Die Kernenergiegegner sollten aufhören, panisch über die Unterbringung radioaktiver Reststoffe nachzudenken, und stattdessen ihr Hirnschmalz daran wenden, die Lebensbedingungen der Menschen auf der Erde zu bessern. Durch Atommüll ist noch niemand ernstlich zu schaden gekommen, durch Hunger, Durst, Ölkriege u. ä. aber schon sehr viele. Die Lösung dieser Probleme erfordert viel anti-entrope Energie, und die ohne Kernreaktoren bereitzustellen ist offensichtlich sehr problematisch. Wenn Kernenergie-Gegner um jeden Preis ohne Kernkraftwerke leben wollen, müssen sie sich klarmachen, was das bedeutet: Dass man das stärkste Werkzeug zu Bekämpfung von Armut, Knappheit und Klimawandel aus der Hand gibt.

  2. dass Problem mit dem Atommül hab Ich nie wirklich verstanden… Alles was Ein Atommülllager Leisten muss ist den Müll von der Biosphere zu isolieren bis er unschädlich ist. Je nach dem ob dass jetzt unverarbeitete Brenstäbe, oder verarbeiteter, transmutierter, oder aus Gen 4 Kraftwerken stammender Müll ist sind dass 500.000 oder sogar nur 300 Jahre. Haben wir Geologische Strukturen die in den vergangenen 500.000 Jahren kein Kontakt zu Biosphere hatten? Na klar!. Steinsalz wäre sonst aus der Erde in die Mehre rausgespült, Erdgas würde sonnst nicht in den Schiefergestein, sondern in der Atmosphere sein, und öl würde gigantische, schwarze seen auf der Oberfläche bilden. Streng genommen, wenn mann nur vertikal nach unten bohrt, und über einer Magmakammer steht, wird mann früher oder später auf so eine Struktur stoßen. Es gilt noch zu beweisen dass eine konkrete Struktur nicht doch noch mit der Biosphere in Berührung kommt. Die Annahme es gäbe keine solche Strukturen in Deutschland, also dass alle diese Strukturen die seit Millionen, manchmal Milliarden von Jahren nicht mit der Biosphere in Berührung kamen jetzt auf einmal dass tun werden ist absurd. Es gibt Millionen, wenn nicht Milliarden von Standorten die für ein Endlager in Deutschland gut genug sind (also 500.000 Jahre Isolieren könnten). Dass Problem ist nur noch es im konkretem Fall zu beweisen, und den Billigsten von allen Kandidaten zu wählen. Dass Eindeutige Beweisen hat sich als unerwartet Teuer erwiesen (nicht ohne Schuld der Politik, die jedes mall wenn bedeutende Fortschritte gemacht würden den Ganzen Prozess stoppte und von neu anfangen lies). Der bau und eventuelle Ausweitung des Endlagers um doppelt, zehnfach oder hundertfach so viel Müll zu speichern sind im Vergleich zu diesen Vorbereitungen fast vernachlässigbar billig. Dass Argument Atommüll kann also benutz werden um dass Starten eines Atomprogramms zu verhindern, hat mann den Müll aber schon, dann macht der weitere Betrieb und Ausbau der Atomkraft dass Problem nicht bedeutend größer, oder teurer. Es wird sogar Billiger pro tone Müll, wenn mann besonders viel davon hat.

  3. Pingback: Die Thermodynamik der Freiheit | Dr. Herzschmerz sucht seine Göttin

  4. Zu behaupten, das Energieproblem könne durch Erneuerbare gelöst werden ist wie zu behaupten, daß Weltfrieden dadurch gesichert werden könne, daß wir alle nett zueinander sind.
    Zuerst müssen wir alle unabhängig voneinander werden, statt um Energie und Rohstoffe zu konkurrieren, dann können wir uns als Freunde zusammenschließen.
    Fossile Energie anstatt Erneuerbarer zu nutzen wird immer im Interesse des Einzelnen liegen, um einen Vorteil gegenüber den anderen zu erhalten. Darauf zu wetten, daß wir uns mit allen Völkern einig werden ist unrealistisch.
    Unsere Hilfsbereitschaft ist proportional zur Qualität unserer Zukunftserwartungen. Und das gilt auch im negativen Bereich. Wir sind alle gern bereit, etwas von einem wachsenden Kuchen abzugeben. Bei einem schrumpfenden Kuchen aber wird es blutige Verteilungskämpfe geben. Wir werden es nicht einmal dulden, daß sich ein armes Land zu einem potentiellen Konkurrenten entwickeln kann.
    Das ist das wahre Entropie-Problem.

  5. hmm, Irgentwie würde die Challenge so richtig ignoriert…
    Vielleicht weil sie ja auch einfach fatal formuliert ist. Wir haben nämlich kein Entropieproblem… Die Entropie in einem System steigt, damit in einem anderem die Entropie fallen kann. Im falle der Enreuerbaren Steigt die Entropie der Sonne, Im Falle von Kernkraft die von Brennstoff. Mann kann zwar den Entropieanstieg des Brennstoffs effizienter nutzen, Die Entropie der Sonne steigt aber egal ob mann davon nutzen hat oder nicht, wo liegt da also dass Problem?
    Und die Erneuerbaren haben auch einen As im ärmel – den Dyson-Schwarm aus Solarzellen.

    • Der Dyson-Schwarm zeigt, wo das Problem der Erneuerbaren liegt: Sie sind äußerst diffus – die Energie ist sehr stark “ausgeschmiert”, geringe Energieportionen pro Elementarteilchen, d.h. hochentrop.

      Im Inneren der Sonne selbst ist natürlich der Energiefreisetzungsprozess ähnlich niedrig-entrop wie in einem irdischen Kernkraftwerk (da es sich ebenfalls um Kernreaktionen handelt, im Fall der Sonne vorwiegend um die Proton-Proton-Fusionskette), mit einer für Kernreaktionen typischen Energiekonzentration von einigen MeV pro Teilchen. Auf dem Weg von der Fusionszone im Sonnenkern zur Erde wird jedoch der Energiestrom immer weiter ausgedünnt, d.h. er wird immer diffuser und seine Entropie nimmt stark zu.

      Daher sind Anlagen, die viel Solarenergie o.ä. auffangen können, äußerst ausladend. Um den Weltenergiebedarf zu decken, müssten Millionen von Quadratkilometern – die Fläche ganzer Länder – mit Maschinen bedeckt werden. Lies mal meinen Artikel zur Entropiewende, da wird die ganze Problematik aus der Sicht des Thermodynamikers aufgerollt:
      http://nuklearia.de/2012/11/08/entropiewende/

      Solarkraftwerke im All, die Energie mit Mikrowellen zur Erde schicken, könnten in der Tat eine Lösung für dieses Problem sein. Aber entsprechende Raumfahrtkapazitäten stehen noch nicht zur Verfügung. Selbst die Saturn V vermochte nur 120 Tonnen in LEO zu starten, Solarstationen hätten um Größenordnungen mehr Masse und müssten in geostationäre Umlaufbahnen gebracht werden. Längerfristig vermute ich aber auch, dass solche Satelliten zu einer wichtige Energiequelle werden könnten.

  6. Was ist jetzt genau das Argument? Dass wir nicht genügend Fläche haben, um die Energie zu erzeugen? Im sonnenarmen Deutschland würden alle Dachflächen ausreichen, um etwa ein Drittel der Stromerzeugung abzudecken (Ich weiss, das ist nicht die Energieerzeugung). Deutschland ist sonnenarm. In Spanien sieht das schon viel besser aus. Dann nimm ein paar Tausend Quadratkilometer in der Sahara dazu und du bist fertig.

    Über die 70% Fläche dieses Planeten, der mit Wasser bedeckt ist, haben wir da noch gar nicht angefangen, nachzudenken … Weder durch Wind, noch durch Wasserströmung oder über die Energie, die in den Wellen steckt.

    Die Frage ist komplett daneben. Energie ist mehr als ausreichend vorhanden. Man muss sie “nur” zu vertretbaren Kosten ernten können. Aber *danach* war nicht gefragt.

    • “Energie ist mehr als ausreichend vorhanden. Man muss sie “nur” zu vertretbaren Kosten ernten können.”

      => Genau. Du hast beinahe schon verstanden, worauf ich hinausmöchte: Man muss die Energie zu vertretbaren Kosten ernten können. Und das ist leider bei weitem kein “nur” ;)

      Erneuerbare stehen insgesamt in ungeheurer Menge zu Verfügung: Insgesamt fallen rund 16 Mio. GW Sonneneinstrahlung auf die Kontinentalfläche. Aber sie kommt leider sehr diffus am Boden an – und unregelmäßig. Da liegt das Problem.

      Alle Dachflächen Deutschlands? Das sind 13 Quadratmeter pro Person (da hat man mittels Satellitenbild berechnet). Bei einer Durchschnittseinstrahlung von 120 W/m^2 und einer Solarzelleneffizienz von 15% ergibt das ~234 W pro Person. Nicht schlecht! Aber der gesamte Stromverbrauch (einhschl. Industrie, Eisenbahn, etc.) liegt schon bei 800 W pro Mensch, der gesamte Energieverbrauch bei mehreren kW.

      Kein Problem, sagst du. Let’s go DESERTEC. Packen wir Spiegelrinnen in die Sahara.
      Aber auch, bzw. gerade in diesem Fall, investieren wir immense Mengen an Landfläche (okay dies ist in der Wüste unproblematisch), Material, und, am wichtigsten: menschliche Arbeitsstunden – um vergleichsweise kleine Energiemengen zu zapfen. Um durch DESERTEC ein Großteil des Energieverbrauchs Europas und Afrikas abzudecken wären Divisionen von Arbeitern nötig, die jahrelang in der Wüste schuften – ganz zu schweigen vom Transportaufwand plus den benötigten Hochspannungstrassen über Tausende von Kilometern.

      Auf einem Photon von der Sonne sitzen wenigen Elektronenvolt, auf einem Kernteilchen mehrere Megaelektronvolt. Das ist des Pudels Kern (im wahrsten Sinne des Wortes XD). In der Praxis bedeutet das: Je stärker Energie gebündelt ist, desto wirtschaftlicher kann ich sie nutzbar machen, d.h. desto weniger Material, Landfläche und Arbeitsstunden benötige ich, um eine bestimmte Energiemenge zur Verfügung zu stellen.

      Die Frage, wie wir das Problem der Armut, der Ressourcenkonflikte und des langfristigen Überlebens der Menschheit lösen ist keinesfalls “daneben” sondern sehr essentiell für unsere Zukunft. Zu Lösung dieser Probleme – Armut, Knappheit, Überleben (um es etwas weniger theoretisch als via “Entropieproblem” zu formulieren) – benötigt die Menschheit sehr viel saubere Energie, viel mehr als heutzutage weltweit genutzt wird. Und diese Energie muss nutzbar gemacht werden können, ohne dass der Aufwand an Fläche, Material und menschlichen Arbeitsstunden ins Impraktikable steigt. Das bedeutet, dass wir die Energiedichte der Kerne anzapfen müssen. Wenn du Spaltung von Schwermetallkernen partout nicht magst, investiere viel in Fusionsforschung: ITER, Wendelstein 7X, National Ignition Facility, etc.

      Es gibt allerdings einen Clou in Sachen Solarenergie: Was, wenn ich durch Robotik und Automatisierung die Wertschöpfungskraft so stark erhöhen kann, dass keine endlosen Armeen von Arbeitern jahrelang beschäftigt werden müssen um riesige Sammelanlagen in der Wüste zu bauen, da dies vollautomatische Maschinen übernehmen? Was, wenn ich Orbitalkraftwerke im All baue, so dass der Landflächenverbrauch wegfällt und weder Wüstenschildkröten von Planierraupen überfahren noch Wale taub werden? Das ist in der Tat eine spannende Frage, der ich, glaube ich, meinen nächsten Artikel hier widmen werde.

      PS.
      Was in diesem Zusammenhang interessant zu lesen sein könnte: 81,000 Truckers for Solar – Geoff Russell ermittelt den Logistikaufwand von Wüstensolarkraftwerken.

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