1. Verbrennungsmotoren

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https://www.pexels.com/de-de/foto/graustufenfotografie-des-automotors-190574/

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1. Verbrennungsmotoren

1.1 Das grundlegende Prinzip

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Verbrennungsmotoren funktionieren nach dem Prinzip, dass sich Gase bei ErwÀrmung ausdehnen und durch die dabei verrichtete Arbeit z. B. einen Kolben antreiben.

Wie dieses Prinzip funktioniert, findest du mithilfe der nachfolgenden Versuche und Videos heraus.

Versuch 1: VolumenÀnderung von Luft

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Selbstversuch Video-Experiment Auswertung
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© Digitale Lernwelten GmbH, erstellt mit Canva

Arrc

Versuchsmaterial:

1 leere Flasche (Zimmertemperatur), 1 Luftballon, 1 SchĂŒssel,
Wasser (kalt und warm)

VersuchsdurchfĂŒhrung:

  • Ziehe den Luftballon ĂŒber die Öffnung der Flasche.
  • FĂŒlle die SchĂŒssel mit warmem Wasser. Tauche die Flasche hinein. Notiere deine Beobachtung.
  • Lass die Luft aus dem Luftballon und stĂŒlpe ihn wieder ĂŒber die noch warme Flasche.
  • FĂŒlle die SchĂŒssel nun mit kaltem Wasser. Tauche die Flasche hinein. Notiere deine Beobachtungen.

Fertige zu deinem Experiment das unten stehende Versuchsprotokoll an!

Du hast gerade keine Möglichkeit, dieses Experiment selbst durchzufĂŒhren? Dann kannst du dir ersatzweise das Video im nĂ€chsten Tab ansehen. 

ErgĂ€nzender Versuch: StĂŒlpe den Luftballon ĂŒber die Flasche bei Zimmertemperatur und stelle die Flasche in das Gefrierfach des KĂŒhlschranks oder in den Gefrierschrank.

Du konntest den Versuch im ersten Tab nicht durchfĂŒhren? Dann sieh dir das Experiment-Video an! Fertige dazu das unten stehende Versuchsprotokoll an!

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© Leifi Physik

https://www.leifiphysik.de/waermelehre/ausdehnung-bei-erwaermung/versuche/volumenaenderung-von-luft

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Sortiere die Beobachtungen in der Übung.

Vergleiche das Ergebnis der Übung mit deinen Notizen.

Beschreibe nun den Versuch in eigenen Worten und erklÀre die Beobachtungen.

Quelle: LEIFIphysik https://www.leifiphysik.de/waermelehre/ausdehnung-bei-erwaermung/versuche/heimversuche-zur-ausdehnung-bei-erwaermung

Selbstversuch Video-Experiment Auswertung

Versuch 2: Das Explosionsrohr

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Intro Video-Experiment Auswertung

Eine grĂ¶ĂŸere und schnellere Ausdehnung des Gases wird erreicht, wenn man z. B. ein Benzin-Luft-Gemisch kontrolliert explodieren lĂ€sst. Gleich wird dir dieser Vorgang in einem Modellexperiment demonstriert werden: Benzin wird in einer Kartonröhre mit Luft gemischt und mit einem Streichholz angezĂŒndet.

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© Digitale Lernwelten GmbH auf Basis von Canva

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Bist du bereit fĂŒr den großen Knall? Los gehts!

Sieh dir das Video genau an und bearbeite im Anschluss die Aufgabe im nÀchsten Tab!

Explosion eines Benzin-Luft-Gemisches
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© Ulrich SchĂŒtz, Leiter mobiLLab

https://www.phsg.ch/de/team/prof-ulrich-schuetz

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VervollstÀndige die Beobachtungen aus dem Versuchsvideo!

Intro Video-Experiment Auswertung
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Aufgabe

Teste dein Wissen, das du gerade erworben hast! 

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Die Experimente haben dir gezeigt, was grundlegend auch in WĂ€rmekraftmaschinen geschieht. Diese schauen wir uns nun genauer an.

In einer WĂ€rmekraftmaschine wird thermische Energie in mechanische Energie umgewandelt. Im Verbrennungsmotor wird dazu die chemische Energie des Treibstoffs genutzt, um VerbrennungswĂ€rme zu erzeugen, die dann ĂŒber die WĂ€rmeausdehnung des entstehenden Gases einen Kolben antreibt.

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© Digitale Lernwelten GmbH

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Merkwissen – Hefteintrag

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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

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Übernimm die folgenden Informationen in dein Heft bzw. deinen Hefter!

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© Digitale Lernwelten GmbH, erstellt mit Canva

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Die Entwicklung klassischer Verbrennungsmotoren

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1.2 Aufbau und Wirkungsweise des Viertakt-Otto-Motors

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Funktionsweise des 4-Takt-Ottomotors
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© Schwenke-Übersetzungen

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Mithilfe des Arbeitsblatts kannst du ein Modell von Kolben und Kurbelwelle basteln. So wird die Umwandlung der geradlinigen Bewegung des Kolbens in die Drehbewegung der Kurbelwelle verstÀndlicher.

Download

Das Viertakt-Prinzip im Ottomotor

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Animation eines Viertakt-Verbrennungsmotors, Ottomotor: Ansaugen - Der Kolben saugt das Benzin-Luft-Gemisch vom Vergaser in den Zylinder. Verdichten - Der Kolben presst das Gasgemisch zusammen. Arbeiten - Der Funke einer ZĂŒndkerze entzĂŒndet das Gasgemisch, es verbrennt explosionsartig. Der Kolben wird nach unten gedrĂŒckt, das Gas verrichtet am Kolben Arbeit. Ausstoßen - Der Kolben drĂŒckt die Verbrennungsgase aus dem Zylinder.
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Urheber: Zephyris (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:4StrokeEngine_Ortho_3D.gif), „4StrokeEngine Ortho 3D“, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/legalcode

https://en.wikipedia.org/wiki/File:4StrokeEngine_Ortho_3D.gif

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Die Hub- und Senkbewegungen des Kolbens werden als Takte bezeichnet. Im Viertakt-Ottomotor wiederholen sich vier Takte in einem Kreislaufprozess:

  1. Ansaugtakt
    Der Kolben bewegt sich nach unten und saugt das Benzin-Luft-Gemisch vom Vergaser durch das Einlassventil in den Zylinder. Das Auslassventil ist geschlossen.
  2. Verdichtungstakt
    Der Kolben bewegt sich nach oben und presst das Gas­gemisch zusammen. Dieses erwÀrmt sich dabei.
  3. Arbeitstakt
    Im Moment der grĂ¶ĂŸten Verdichtung entzĂŒndet der Funke einer ZĂŒndkerze das Gasgemisch. Es verbrennt explosionsartig. Der Kolben wird nach unten gedrĂŒckt, das Gas verrichtet am Kolben Arbeit.
  4. Ausstoßtakt
    Der Kolben bewegt sich nach oben. Das Auslassventil wird geöffnet. Die Verbrennungsgase werden aus dem Zylinder gedrĂŒckt.
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Aufbau eines Verbrennungsmotors Funktion der Bauteile Aufgabe
Aufbau eines Verbrennungsmotors Funktion der Bauteile Aufgabe

Merkwissen – Hefteintrag

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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

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Übernimm die folgende Zeichnung sowie die unten angefĂŒgten Informationen in dein Heft bzw. deinen Hefter! Die Überschrift ist "Der Ottomotor".

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© Digitale Lernwelten GmbH

Arrc

Die 4 Takte des Ottomotors

Wirkungsweise:

1. Takt: Ansaugtakt
Durch eine AbwĂ€rtsbewegung des Kolbens wird Luft durch das geöffnete Einlassventil angesaugt und Kraftstoff eingesprĂŒht.

2. Takt: Verdichtungstakt
Beide Ventile sind geschlossen, wĂ€hrend die Kurbelwelle den Kolben nach oben drĂŒckt. Das Benzin-Luft-Gemisch wird zusammengepresst und erwĂ€rmt sich dabei.

3. Takt: Arbeitstakt
Die ZĂŒndkerze erzeugt einen Funken. Es kommt zur EntzĂŒndung und Explosion des Gemisches und der Kolben wird nach unten geschoben. Es wird mechanische Arbeit verrichtet.

4. Takt: Ausstoßtakt
WÀhrend der Kolben sich aufwÀrts bewegt, werden die verbrannten Abgase durch das geöffnete Auslassventil aus dem Zylinder geschoben.

Der Wirkungsgrad des Ottomotors

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In einem Ottomotor wird die chemische Energie des Benzins zunĂ€chst in Bewegungsenergie des Kolbens und dann in die Bewegungsenergie der RĂ€der umgewandelt. Der Ottomotor ist somit ein Energiewandler, der die zugefĂŒhrte Energie in eine andere, gewĂŒnschte Form umwandelt.

Solch ein Energiewandler soll natĂŒrlich effizient sein. Möglichst viel der zugefĂŒhrten Energie Ezu soll in die gewĂŒnschte Energieform Enutz umgewandelt werden. Die Effizienz wird mit dem Wirkungsgrad η (griech.: eta) beschrieben:

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Urheber: Lars Reitze

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Der maximale Wirkungsgrad eines Ottomotors liegt bei etwas unter 40 %. D. h., 60 % der Energie im Benzin wird ĂŒber die Reibung im Motor und der RĂ€der sowie die WĂ€rme des Motors und der Abgase entwertet und steht nicht fĂŒr die Fortbewegung zur VerfĂŒgung. Im Stadtverkehr kann der Wirkungsgrad sogar unter 10 % sinken.

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Aufgabe

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Was ist der Unterschied zwischen Diesel und Benzin?

Höre dir dazu den Beitrag von GĂĄbor PaĂĄl an, der im SĂŒdwestrundfunk gesendet worden ist.

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© SĂŒdwestrundfunk, freier Zugang ĂŒber Mundo

https://mundo.schule/details/SODIX-0001011877

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Text der Audiodatei: Was ist der Unterschied zwischen Diesel und Benzin?

Download

1.3 Aufbau und Wirkungsweise des Dieselmotors

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Wie du gerade gehört hast, hat Diesel-Kraftstoff eine höhere Dichte als Benzin. Bei seiner Verbrennung wird im Vergleich mehr Energie frei, die fĂŒr den Betrieb des Motors genutzt werden kann.

Ein wesentlicher Unterschied zum Ottomotor ist, dass der Dieselmotor ein sogenannter Selbstzünder ist. Es wird keine ZĂŒndkerze benötigt, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Kolben zu zĂŒnden.

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Aufgabe

Vier Takte beim Dieselmotor

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Vertiefung fĂŒr RealschĂŒlerinnen und RealschĂŒler

Aufgabe

Der Kreisprozess

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Merkwissen – Hefteintrag

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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

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Übernimm die folgenden Informationen in dein Heft bzw. deinen Hefter!

Der Dieselmotor

Der Ottomotor und der Dieselmotor funktionieren sehr Ă€hnlich. Der grĂ¶ĂŸte Unterschied besteht darin, dass der Dieselmotor keine ZĂŒndkerze besitzt. Er saugt lediglich Luft im 1. Takt an und bekommt erst im 3. Takt den Kraftstoff in die stark erwĂ€rmte Luft eingespritzt. Dabei entzĂŒndet sich der Diesel von selbst.

Der Wirkungsgrad des Dieselmotors

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Rudolf Diesel gibt in seinem 1893 erschienenen Werk „Theorie und Konstruktion eines rationellen WĂ€rmemotors zum Ersatz der Dampfmaschine und der heute bekannten Verbrennungsmotoren“ an, dass der thermische Wirkungsgrad eines idealen Dieselmotors 73 % betrage, in Wirklichkeit aber dieser Wert nicht erreicht werde.

Heutige Pkw-Dieselmotoren mit Direkteinspritzung und Abgasturboaufladung erreichen einen idealen Wirkungsgrad η von etwa 43 %. Er liegt damit leicht ĂŒber dem Wirkungsgrad eines Ottomotors. Bei beiden Modellen sinkt allerdings der effektive Wirkungsgrad z. B. im Stadtverkehr auf unter 10 %. Über 90 % der eingesetzten Energie werden also nicht fĂŒr die Fortbewegung genutzt. Bei ĂŒblicher Fahrweise kann man von einem Wirkungsgrad von etwa 20 % ausgehen.

1.4 Zusammenfassung

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Aufgabe

Zeige, was du gelernt hast. Kontrolliere dabei deine Aufzeichnungen im Hefter!

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Noch mehr WĂ€rmekraftmaschinen

Vertiefung

Wenn du tiefer in das Thema „WĂ€rmekraftmaschinen“ einsteigen willst, bearbeite die nachfolgende Aufgabe:

Teilbereich der sich im Werdauer Heimatmuseum befindlichen Dampfmaschine.
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Urheber: Vwpolonia75 (Jens K. MĂŒller, Hamburg)

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dampfmaschine_Werdau.JPG

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Bereits vor dem Otto- und dem Dieselmotor gab es erste WĂ€rmekraftmaschinen. Die bekannteste ist sicherlich die Dampfmaschine. Und auch weitere Motortypen wurden und werden teilweise heute noch zum Antrieb von Fahrzeugen verwendet. Beispiele sind der Stirlingmotor, der Wankelmotor oder auch der Zweitakt-Motor.

Aufgabe:

  • Starte eine eigene Recherche zu einer weiteren WĂ€rmekraftmaschine deiner Wahl.
  • Sammle zu dieser WĂ€rmekraftmaschine verschiedene Quellen (BĂŒcher, Videos, Webseiten, Interviews mit Fachleuten ...)
  • Erstelle mithilfe dieser Quellen ein "Produkt", in dem die WĂ€rmekraftmaschine vorgestellt wird. Dabei kann es sich um eine PrĂ€sentation, ein Plakat, einen Aufsatz oder etwas völlig anderes (ErklĂ€rvideo, Hörspiel etc.) handeln.
  • Sprich mit deiner Lehrkraft ab, in welcher Form du dein Ergebnis vorstellen willst: Hochladen von Fotos, Dateien oder Texten in der Schulplattform, Vortrag in der Schule ...

Wie man erfolgreich recherchiert und die gefundenen Quellen anschließend bewertet, ist ziemlich kompliziert. Aber lass dich davon nicht abschrecken, denn je öfter man so etwas macht, umso leichter fĂ€llt es dir schließlich.

  • Überlege dir als Erstes, wonach du suchst.
  • Beginne dann mit deinem Schulbuch, einem Lexikonartikel oder einem Übersichtsbuch. So erweiterst du dein Wissen und kannst tiefer in die Materie eintauchen.
  • Mit etwas Überblick kannst du die Ideen und Begriffe ordnen, eine Auswahl treffen und deine weitere Suche strukturieren.
  • Wenn du im Internet suchst, gilt der Leitsatz: Die Ergebnisse sind nur so gut wie die Begriffe, nach denen du suchst.
  • WĂ€hrend der Recherche ist es wichtig, die Fundstellen zu sichern: Kopiere die Adressen der Internetseiten in ein Textdokument, notiere dir Stichpunkte dazu. Mache bei BĂŒchern oder Zeitschriften ebenfalls Notizen oder Fotos.
  • Lese deine Quellen immer sehr sorgfĂ€ltig und hinterfrage die Aussagen. PrĂŒfe die VertrauenswĂŒrdigkeit.

Sehr viel umfangreicher als in diesen kurzen Stichpunkten findest du Tipps zum erfolgreichen Recherchieren auf diesen Internetseiten:

Quelle: Andreas Kalt, https://herr-kalt.de, CC BY-SA 4.0

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Du hast zu den Verbrennungsmotoren viel Neues gelernt. PrĂŒfe nun dein Wissen und schĂ€tze deine Leistung selbst ein!

Aufgabe

1.5 Problematik der Verbrennungsmotoren

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1.6 Alternativen zum Verbrennungsmotor

Funktionsprinzip des Elektromotors

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Elektromotor des Eco Carrier ES von Ecocraft, ein deutsches Elektroauto mit einer LadekapazitĂ€t von zwei Europaletten auf der Pritsche. Die Aufnahme entstand am Rande des Mannheimer Maimarkt 2010. Mit dem Ecocraft konnte ich eine Probefahrt machen. Nach einer Fahrt mit einen City EL die zweite Probefahrt mit einem E-Auto im öffentlichen Straßenverkehr.
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Urheber: Claus ableiter

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Elektromotor_des_Eco_Carrier_von_EcoCraft.JPG

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Elektromotoren wandeln elektrische Energie in mechanische Energie um. Es gibt viele verschiedene Arten und Bauformen. Allerdings basieren Elektromotoren grundlegend alle auf einem Àhnlichen Prinzip.

Versuch 3: Ein schöner Elektromotor

Mit der nachfolgenden Anleitung kannst du einen einfachen Elektromotor selber bauen:

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Versuch 3 Video 3 Auswertung 3

Versuchsmaterial:

1 Batterie (z. B. Typ AA), 1 oder mehrere Neodym-Magnete, ca. 15 cm Kupferdraht (alternativ kannst du auch eine Schraube verwenden), Schere

VersuchsdurchfĂŒhrung:

  • Befestige den/die Magneten an einem Pol der Batterie.
  • Stelle die Batterie mit den Magneten nach unten auf den Tisch.
  • Schneide etwa 15 cm des Kupferdrahtes ab und mache ihn gerade.
  • Wickle nun den Draht um die Batterie und die Magneten. Es entsteht eine Drahtspirale.
  • Mache in das obere Ende einen kleinen Haken, sodass der Draht auf dem Pol aufliegen kann.
  • Passe die Drahtspirale so an, dass sie gleichzeitig den oberen Pol und die Magnete berĂŒhrt.

Nun sollte sich die Spirale um die Batterie drehen.

Sieh dir nun an, wie ein Elektromotor gebaut wird!

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© LEIFIphysik

LEIFIphysik https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/kraft-auf-stromleiter-e-motor/versuche/eigenbau-von-elektromotoren → Modell 2 Ein schöner Elektromotor

Arrc

Beantworte nun die folgenden Fragen zum Bau eines Elektromotors!

Quelle: LEIFIphysik, https://www.leifiphysik.de/elektrizitaetslehre/kraft-auf-stromleiter-e-motor/versuche/eigenbau-von-elektromotoren → Modell 2 Ein schöner Elektromotor

Versuch 3 Video 3 Auswertung 3

Der Wirkungsgrad von Elektromotoren

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Der Wirkungsgrad eines Otto- oder Dieselmotors liegt bei ĂŒblicher Fahrweise bei etwa 20 Prozent. BerĂŒcksichtigt man auch die Schritte vom Bohrloch bis zum Fahrzeugtank, so werden rund vier FĂŒnftel der im Kraftstoff enthaltenen Energie nicht fĂŒr das Fahren verwendet.

Anders beim Elektromotor: Er setzt rund 80 Prozent der zugefĂŒhrten Energie in Bewegung um. Wenn man die Energieentwertung einbezieht, die bei der Produktion des elektrischen Stroms und dem Laden der Batterie anfĂ€llt, erhĂ€lt man einen Wirkungsgrad von 64 Prozent. Das Elektroauto ist damit etwa dreimal so effizient wie ein Fahrzeug mit einem konventionellen Verbrennungsmotor.

Derzeit nur wenig verbreitet sind Brennstoffzellenantriebe. Hier wandelt eine Brennstoffzelle (grĂŒnen) Wasserstoff und Sauerstoff aus der Luft im Fahrzeug in elektrischen Strom um und treibt damit Elektromotoren an. Diese erzielen nur einen Wirkungsgrad von etwa 27 Prozent, wenn man die heute noch relativ aufwendige Herstellung und den Transport des Wasserstoffs einbezieht. Sie sind vor allem eine Alternative fĂŒr Lastkraftwagen oder Flugzeuge, bei denen Batterien zu groß und schwer wĂ€ren.

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© Digitale Lernwelten GmbH

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