Wie kann ich Sonnenenergie effizient nutzen, um Wasser zu erhitzen?

• Thermometer
• Gefäße in verschiedenen Formen und Materialien (z. B. hoch, flach, Metall, Plastik, Glas, Holz, dunkles Stück Schlauch)
• Acrylfarben o. Ä. in verschiedenen Tönen (schwarz, weiß, rot, gelb, …)
• Pinsel
• Materialien, um die Gefäße abzudecken (Deckel, Plexiglasscheiben, …)
• ein großes Gefäß mit Wasser in Zimmertemperatur
• Messbecher
• Dämm-Material (Jacke oder Pulli)

Je nach Vorgehensweise (SchülerInnenanzahl, Einzel- oder Gruppenarbeit o. ä.) musst Du die angegebenen Mengen anpassen. Da die SchülerInnen bei diesem Experiment viel probieren können, sollte eine große Anzahl an verschiedenen Gefäßen vorhanden sein.

Dieses Experiment ist ungefährlich.

Das Experiment sollte man an einem warmen, sonnigen Tag durchführen. Das Wasser, das zu den einzelnen Experimenten benötigt wird, sollte möglichst immer die gleiche Anfangstemperatur haben. Die Anfangstemperatur des Wassers sollte auch unter der Außentemperatur liegen. Achte darauf, dass bei den Materialien der Gefäße mindestens ein guter Wärmeleiter (Metall) und ein eher schlechter Wärmeleiter (Plastik, Glas, Keramik, Holz) dabei sind.

Wenn wir in der Sonne sitzen, spüren wir die Wärme der Sonnenstrahlen. Das Sonnenlicht ist Millionen von Kilometern durch den Weltraum gereist und sorgt auf der Erde für Helligkeit und Wärme. Während es im Weltraum eisig kalt ist, wärmt das Sonnenlicht die Erdoberfläche, das Wasser in den Ozeanen, die Luft, die Lebewesen und die Pflanzen. Wie ist das möglich? Wie kann Licht wärmen?

Das von der Sonne ausgehende Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen. Für das menschliche Auge sind elektromagnetische Wellen nur zwischen 380-780nm sichtbar. Die verschiedenen Wellenlängen werden in nm (1 Nanometer = 10-9 Meter) gemessen und haben verschiedene Farben. Wellen mit einer Wellenlänge von 380-430nm sind lila, Wellen mit einer Wellenlänge von 640-780nm sind rot. Dazwischen liegen Wellen in den Farben Blau, Grün, Gelb, und Orange. Auf der Erde kommt eine Mischung der Wellen mit unterschiedlichen Wellenlängen an, die zusammen weiß erscheinen. Das Spektrum der verschiedenen farbigen Lichtstrahlen wird Lichtspektrum oder Farbspektrum genannt und sieht wie ein Regenbogen aus. Unter 380nm wird elektromagnetische Strahlung als ultraviolettes Licht bezeichnet, oberhalb von 780nm als Infrarot.

Viele der sogenannten Infrarotlampen, beispielsweise bei der Kükenaufzucht, geben ein dunkles rotes Licht ab. Das rote Licht dient als optischer Reiz für die Tiere, die eigentliche Wärme, die von der Lampe ausgeht, wird aber hauptsächlich durch elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich erzeugt, die für das menschliche Auge nicht sichtbar ist. Infrarotstrahlung wird teilweise auch zur Raumheizung verwendet. Anders als bei herkömmlichen Heizkörpern, die die Umgebungsluft direkt erwärmen, wird bei Infrarotheizungen eine Fläche erwärmt, die dann Wärme an die Umgebungsluft abgibt.

Die Sonne und alle anderen Körper (auch kalte) können elektromagnetische Strahlung oder elektromagnetische Wellen aussenden. Für Menschen sichtbares Licht entsteht bei großer Hitze wie bei den Vorgängen in der Sonne. Die Oberflächentemperatur der Sonne liegt bei etwa 5.500°C. (Zum Vergleich: im Sonneninneren herrschen Temperaturen von ca. 15.000.000°C). Von der Erde aus gesehen wird die Sonnenoberfläche als fast weiß wahrgenommen, weil Lichtstrahlen in allen Farbtönen gleichzeitig leuchten. Ähnliches geschieht beim Erhitzen von Metall: erst glüht das Metall rot, dann orange, dann gelb und wird immer heller, bis oberhalb von 5.400°C die sogenannte Weißglut erreicht ist.

Absorbiertes Licht wird zu Wärme

Elektromagnetische Wellen sind eine Form von Energie. Die Wellen, die von der Sonne ausgehen, können ohne großen Energieverlust durch den Weltraum reisen, da es im Weltraum kaum Materie gibt. Im Weltraum herrscht ein Vakuum, also ein Raum ohne Materie. Das bedeutet, dass sich auch keine Gase wie Luft im Weltraum befinden, denn auch Gase bestehen aus Materie. Treffen die elektromagnetischen Wellen des Lichts auf Materie, können verschiedenen Dinge passieren: das Licht wird reflektiert, das Licht wird gebrochen, das Licht wird gestreut oder das Licht wird absorbiert. Bei der Absorption wird elektromagnetischen Energie in Wärme umgewandelt. Bei der Reflektion und der Streuung ändert das Licht seine Richtung, ohne durch die Reflektionsfläche hindurchzutreten. Bei der Brechung ändert das Licht seine Richtung, geht aber durch die Grenzschicht hindurch. Ist diese Grenzschicht ein Prisma, bzw. trifft der Lichtstrahl in einem bestimmten Winkel auf, werden die unterschiedlich farbigen Bestandteile des Lichtstrahls getrennt.

Sobald die Sonnenstrahlen in die Erdatmosphäre, also die gasförmige Hülle um die Erde, eintreten, treffen sie auf Materie. Materie können Gase wie Luft, aber auch verschiedene Festkörper wie eine Asphaltstraße oder die Haut eines Menschen sein, oder Flüssigkeiten wie Wasser. Ein Teil der elektromagnetischen Wellen wird absorbiert und erwärmt die Luft und die Festkörper und Flüssigkeiten, die sich auf der Erde und in der Erdatmosphäre befinden. Überall dort, wo Wärme entsteht, wird sie auch an die Umgebung abgegeben. Die Wärme verteilt sich von der wärmeren zu der kühleren Materie. Die Erde und die Atmosphäre würden sonst immer heißer werden. Da der Mond nicht von einer Gashülle umgeben ist, ist die Mondoberfläche auf der Tagseite (wo die Sonne auf den Mond scheint) 100°C warm und heißer. Auf der Nachtseite des Mondes ist die Oberfläche ca. -160°C kalt.

Wassererwärmung durch Licht

Treffen Lichtstrahlen auf eine Wasseroberfläche, wird ein Teil zurück in die Luft reflektiert. Ein anderer Teil bricht sich an der Grenzfläche und tritt mit etwas veränderter Richtung ins Wasser ein. Unter Wasser werden die Lichtstrahlen unter Wärmeentwicklung absorbiert: erst die langwelligen roten, dann die orangen, gelben, grünen und schließlich die kurzwelligen blauen Lichtstrahlen. Wenn ein Mensch taucht, werden die optischen Eindrücke daher stückweise immer blaustichiger. Spätestens bei 60 Metern herrscht absolute Dunkelheit. Da bei der Absorption die elektromagnetische Energie in Wärme umgewandelt wird, erwärmt sich das Wasser durch den Lichteinfall. Wasser hat bei 4°C die größte Dichte, ist also bei 4°C am schwersten. Je wärmer das Wasser, desto leichter wird es. In natürlichen Gewässern gibt es daher im Sommer eine Schichtung unterschiedlich warmen Wassers, die sich nur langsam durchmischt. Ist ein Gewässer sehr tief, hat auch im Sommer die unterste Schicht nur 4°C. Flachere Gewässer können dagegen vollständig erwärmt werden.

Volumen

Vielleicht machen die SchülerInnen den Vorschlag, dass sich eine kleinere Menge Wasser schneller erwärmt als eine größere. Bei größeren Wassertiefen in natürlicher Umgebung kann das argumentiert werden (s.o.), aber es ist schwierig, diese Bedingung (Volumen) im Versuch isoliert nachzustellen. Wird beispielsweise die Erwärmung von 100ml, 200ml und 300ml in identischen Behältern verglichen, spielen außer der direkten Erwärmung des Wassers durch den Lichteinfall an der Oberfläche noch andere Faktoren eine Rolle. Stehen die Behälter auf einem warmen Untergrund wie einer Asphaltstraße, kann es gut sein, dass sich die Wärme vom Untergrund aus überträgt. Dann haben kleinere Volumen wegen der Weitergabe der Wärme einen Vorteil und erwärmen sich schneller. Handelt es sich um Glasgefäße, kann das Sonnenlicht auch durch die Glaswand scheinen. Ein kleines Volumen hat dann verglichen mit einem größeren Volumen eine größere Fläche zur Verfügung, an der Sonnenlicht in das Wasser scheint und kann sich schneller erwärmen. Ähnlich ist es bei dem Erwärmen von Wasser in einem Schlauch – verhältnismäßig wenig Wasser kommt mit der verhältnismäßig großen erwärmten Schlauchoberfläche in Berührung. Das Wasser erwärmt sich daher in einem dünnen Schlauch schneller, als wenn ein dicker Schlauch verwendet wird. Der Grund dafür ist aber nicht das Volumen des Wassers, sondern die relative Größe der Schlauchoberfläche. Um den Faktor Volumen von anderen Einflüssen getrennt zu untersuchen, können identische, nicht-transparente, gedämmte Plastikgefäße verwendet werden, die auf einem Isolator-Material stehen.

Form

Die SchülerInnen haben festgestellt, dass sich dasselbe Volumen an Wasser in einem flachen Gefäß besser erwärmt. Durch die größere Oberfläche kann mehr Licht in das Wasser fallen und hier absorbiert (in Wärme umgewandelt) werden.

Farbige Oberflächen

Nicht nur die Form des Gefäßes, sondern auch seine Beschaffenheit spielt bei der Erwärmung des Wassers eine Rolle. Unterschiedliche Farbqualitäten absorbieren Licht sehr unterschiedlich und erwärmen sich dementsprechend besser oder schlechter. Wenn die SchülerInnen im Sommer barfuß laufen, haben sie bestimmt schon mal bemerkt, dass eine dunkle Asphaltstraße sehr heiß werden kann, ein heller Betonweg aber nicht. Materialien oder Gefäße, die sich selbst gut erwärmen, können auch Wärme an die Umgebung abgeben. Weiße oder helle Oberflächen reflektieren einen Großteil des einfallenden Lichtes, sie können sich daher nicht so stark erwärmen. Gleichzeitig erscheinen sie dem menschlichen Auge als weiß bzw. hell, weil alle verschieden farbigen Lichtstrahlen der Sonne reflektiert werden und zusammen wieder einen hellen Farbton ergeben. Schwarze Oberflächen absorbieren einen Großteil des einfallenden Lichtes. Sie können sich so gut erwärmen und erscheinen dem menschlichen Auge als schwarz. Rote Oberflächen reflektieren nur das rote Licht und absorbieren den Rest, blaue Oberflächen reflektieren das blaue Licht, usw...

Ein schwarzer oder dunkler Wasserbehälter erwärmt sich schneller als ein heller, da das schwarze Material das Licht absorbiert, in Wärme umwandelt und an das Wasser abgibt. Gute Wärmeleiter wie Metalle sind besser dafür geeignet, Wärme abzugeben, als schlechte Wärmeleiter wie Holz oder Plastik. Schlechte Wärmeleiter können die Wärme nicht gut abgeben und wirken daher eher wie Isolatoren. Wasser in einer Metallschüssel erwärmt sich daher schneller, als in einer Plastikschüssel. Der Effekt gilt allerdings auch für das Abkühlen: schüttet man heißes Wasser in eine Metallschüssel und eine Plastikschüssel, kühlt sich das Wasser in der Metallschüssel schneller ab. Wenn die SchülerInnen den Behälter mit Wasser isoliert haben, wird die Wärme nicht so schnell an die Umgebung abgegeben. Auch die Beschaffenheit des Untergrunds, auf dem der Wasserbehälter steht, ist wichtig: wird das Experiment auf einer warmen Asphaltfläche durchgeführt, kann das Wasser auch durch die Wärmeabstrahlung des Untergrunds mit erwärmt werden.

Verdunstung

Schließlich ist zu beachten, dass das Wasser an der Oberfläche mit Luft in Berührung kommt. Durch das Verdampfen von Wassermolekülen, also den Übergang von dem flüssigen in den gasförmigen Zustand, entsteht die sogenannte Verdunstungskälte, die das Wasser abkühlt. Der Vorgang ähnelt dem beim Schwitzen: da gasförmige Teilchen energiereicher sind als flüssige, kühlt das Wasser an der Oberfläche ab. In einem geschlossenen Gefäß entsteht ein Gleichgewicht zwischen dem flüssigen und dem gasförmigen Zustand - das Wasser verdunstet nur so viel, bis dieser Zustand erreicht ist.  Liegt also ein transparenter Deckel auf dem Wassergefäß, durch den das Licht gut durchscheinen kann, kann die Wassertemperatur besser steigen, da das Wasser durch die Verdunstung nicht wieder abgekühlt wird.

Sonnendusche bauen

Legt einen langen, dünnen möglichst dunklen Schlauch in einen schwarzen, offenen Kasten, der auf den Innenseiten mit Alufolie ausgekleidet ist. Sorgt dafür, dass die Sonne gut in den Kasten scheinen kann. Schließt den Schlauch an einen mit Wasser gefüllten Behälter mit Wasserhahn an und dreht den Hahn auf. Das Wasser darf nicht zu schnell durch den Schlauch laufen, ansonsten hat es nicht genügend Zeit zu erhitzen. Der Schlauch sollte viele Windungen enthalten, und es sollte kein zu starkes Gefälle geben. Jetzt noch einen Gießaufsatz ans andere Schlauchende befestigen und schon kann man duschen.

Welche Farbe hält das Wasser am kühlsten?

Streicht Gefäße aus gleichem Material und gleicher Form in verschiedenen Farben an. Schüttet in jedes Gefäß die gleiche Menge an Wasser und stellt sie in die Sonne. Messt in regelmäßigen Abständen um wie viel Grad Celsius sich die Temperatur in den verschiedenen Gefäßen geändert hat. Vergleicht die Ergebnisse. Welche Farbe hält das Wasser am kühlsten?

Die Rubrik „Ideen für naturwissenschaftlichen Unterricht in der Grundschule“ wurde in Kooperation mit dem Script (Service de Coordination de la Recherche et de l’innovation pédagogiques et technologiques) ausgearbeitet und wendet sich hauptsächlich an LehrerInnen der Grundschule. Das Ziel der Rubrik ist es, Dich als LehrerIn mit kurzen Beiträgen dabei zu unterstützen, die naturwissenschaftliche Methode zu vermitteln. Hierzu ist es nicht nötig, dass Du bereits alles über das jeweilige Naturwissenschafts-Thema weißt. Sondern vielmehr, dass Du ein Umfeld schaffst, in dem die SchülerInnen experimentieren und beobachten können. Ein Umfeld, in dem die SchülerInnen lernen Fragen und Hypothesen zu formulieren, Ideen zu entwickeln und durch Beobachtung Antworten zu finden.

Wir strukturieren unsere Beiträge daher auch immer nach demselben Schema (Frage, Hypothese, Experiment, Beobachtung/Fazit),* wobei das Experiment entweder selbständig in der Klasse durchgeführt wird oder durch Abspielen eines Videos vorgezeigt wird. Dieses Schema kann eigentlich für alle wissenschaftlichen Themen angewendet werden. 

Mit dem Hintergrundwissen liefern wir weiterführende Erklärungen, damit sich interessierte LehrerInnen informieren können und aufkommende Fragen beantworten können. Außerdem besteht so die Möglichkeit, dass die SchülerInnen selbständig auf science.lu die Erklärung recherchieren.

Wir hoffen, dass unsere Beiträge behilflich sind und von Dir in der Schule genutzt werden können. Wir freuen uns über Feedback und Anregungen und sind gerne bereit, unsere Beiträge stetig zu optimieren. Hier kannst Du uns kontaktieren.

*In der Praxis läuft der wissenschaftliche Prozess nicht immer so linear ab. Der Einfachheit halber gehen wir in dieser Rubrik jedoch immer linear vor.

Bietet Deine Institution pädagogische Aktivitäten in diesem Bereich an und möchtest Du auf science.lu verlinkt werden? Dann nimm bitte hier Kontakt mit uns auf.

• Warum schwitzen wir?
• SchülerInnen-Versuch Sonnenenergie:Unterrichtsstunde 3.5: Wie kann man mit Sonnenenergie Wasser erwärmen? (sonnentaler.net)