1 Chemie der Raumfahrt Experimentalvortrag (AC) Christoph Roßbach.

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Chemie der Raumfahrt

Experimentalvortrag (AC)

Christoph Roßbach

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Gliederung1. Geschichte der Raumfahrt2. Die Luft zum Atmen3. Kein Leben ohne Wasser4. Die Sonnenseite der Energie5. Schulrelevanz

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Meilensteine der Raumfahrt

• 3. Oktober 1942– V4: erste Rakete dringt in den Weltraum vor

• 3. November 1957– Sputnik 2: erstes Lebewesen im All

• 12. April 1961– Wostok 1: erster Mensch im All

1. Geschichte der Raumfahrt

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• 20. Juli 1969 – Apollo 11:

erster Mensch auf dem Mond

• 12. April 1981– Space Shuttle Columbia:

erstes wiederverwendbares Raumschiff

• 20. November 1998– Sarja:

Beginn des Aufbaus der Internationalen Raumstation ISS



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Internationale Raumstation ISS– Kalter Krieg (1945 - 1990)– beteiligte Länder



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Das Lebenserhaltungssystem

ECLSS (Environmental Control and Life Support System)– Bereitstellung und Kontrolle der Kabinenatmosphäre

– Aufarbeitung der Atemluft

– Kontrolle und Regelung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit

– Feuermeldeanlage und Feuerbekämpfung

– Wasseraufarbeitung- und management

2. Die Luft zum Atmen

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2. Die Luft zum Atmen Das Lebenserhaltungssystem

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– Russian Orbital Segment

– US Orbital Segment


ECLSS

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Russian Orbital Segment (ROS)

– Hauptverantwortung für die Kabinenatmosphäre

– Tanks: Luft, N2 oder O2

– manuelle Steuerung aller Tanks

– O2 durch „Elektron“


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Versuch 1

Elektrolyse von Wasser


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• Volumenverhältnis2 H2O 2 H2(g) + O2(g)

• Eigendissoziation 4 H2O 2 H3O+

(aq) + 2 OH-(aq)

• Reaktionsgleichungen

+1 0 +1Kathode 4 H3O+

(aq) + 4 e- 2 H2(g) + 4H2O -2 0 -2

Anode 4 OH-(aq) O2(g) + 2 H2O + 4 e-

__________________________________________________________________________________ +1 -2 +1 0 0 +1 -2

Gesamt 4 H3O+(aq) + 4 OH-

(aq) 2 H2(g) + O2(g) + 2 H2O

2. Die Luft zum Atmen Versuch 1: Elektrolyse von Wasser

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• Probleme– Konzentration der Ionen

c(H3O+) = c(OH-) = 10-7 mol/L– Leitfähigkeit

– hohe Aktivierungsenergien (Überspannung)

• Lösungsansätze– Prozesstemperatur

– Wahl der Elektroden

2. Die Luft zum Atmen Versuch 1: Elektrolyse von Wasser

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US Orbital Segment (USOS)

– 4 Hochdrucktanks

– Auffüllung durch Shuttleflüge

– Austausch kompletter Tanks

– Überwachung und Regelung

– Zusätzlicher O2 durch Feststoffkartuschen


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Versuch 2

Sauerstoffdarstellung aus KClO3


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Netto - Reaktion +5 -2 -1 0

2 KClO3(s) 2 KCl(s) + 3 O2(g)

Brutto – Reaktionen +5 -1 +7

4 KClO3(s) KCl(s) + 3 KClO4(s)

+7 -2 -1 0

KClO4(s) KCl (s) + 2 O2(g)

2. Die Luft zum Atmen Versuch 2: Sauerstoffdarstellung aus KClO3

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KClO3

– nicht hygroskopisch– tetraedrisch– starkes Oxidationsmittel– Smp.: 370 °C– Disproportionierung in KClO4 und KCl ab 400 °C– über 500 °C: Zerfall in KCl + O2


– mit Katalysator (MnO2): Zersetzung bereits bei 150 °C

+5 -2 +4 -2 -1 +6 -2 -1 +4 -2 0 2 KClO3(s) + 6 MnO2(s) 2 KCl(s) + 6 „MnO3“ 2 KCl(s) + 6 MnO2(s) + 3O2(g)

Versuch 2: Sauerstoffdarstellung

aus KClO3

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• Luftverschmutzung– Materialabgasungen – Lecks – auslaufende Flüssigkeiten– Körperausdünstungen


• Luftreinigung– kalte, trockene Luft– Luftfilter– LiOH - Kanister

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Demo 1

CO2 - Springbrunnen


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Reaktion mit NaOH

CO2(g) CO2(aq)

2 NaOH(aq) + CO2(aq) 2 Na+(aq) + CO3

2-(aq) + H2O

2. Die Luft zum Atmen Demo 1: CO2- Springbrunnen

Verringerung des Gasvolumens im Kolben

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Wasseraufbereitung- und management – Kondenswasser – Feststoffabfälle – Abwässer

Ziel– Recycling aller Abwässer

3. Kein Leben ohne Wasser

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Versuch 3

Reinigung von Wasser durch Licht

3. Kein Leben ohne Wasser

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Fenton – Reaktion

– entwickelt: 1890 von Henry John Horstman Fenton– organische Synthese– Reaktionsgleichungen+2 -1 +3 -1 -2Fe2+

(aq) + H2O2(aq) Fe3+(aq) + OH•

(aq) + OH-(aq)

+3 -1 -2 +2 0 -1 -2Fe3+

(aq) + H2O2(aq) + H2O Fe2+(aq) + OOH•

(aq) + H3O+(aq)

3. Kein Leben ohne Wasser Versuch 3: Reinigung von Wasser durch Licht

– Abwasserreinigung

Patent: FENTOX® - Prozess

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Photo - Fenton - Reaktion


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Zersetzung der Ameisensäure


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Nachweis von CO2


Ba(OH)2(aq) + CO2(aq) BaCO3(s) + H2O

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Bezug zur Raumfahrt

– keine Zufuhr von elektrischer Energie– Licht– Katalysator

– H2O2


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Bau der ISS

• mehr als 40 Raumflüge in 5 Jahren (1998)• Sojus- und Proton - Rakete (RUS) (unbemannter

Aufbau)– 1. ISS Modul: 20 November 1998 – 26 Raumflüge durchgeführt, 2 weitere geplant– 21. Juli 2007

• Space-Shuttle (USA) (bemannter Aufbau)– 1. Bemannte ISS-Mission: 4. Dezember 1998– 18 Raumflüge durchgeführt, 15 weitere geplant– Ausmusterung 2010

• heutiger Stand• Energieversorgung: Brennstoffzelle

4. Die Sonnenseite der Energie

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Versuch 4

Brennstoffzelle


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• umgekehrtes Prinzip der Elektrolyse• chemische Energie elektrische Energie• hoher Wirkungsgrad• geringe lokale Emission• keine bewegten Teile• geringe Lärmemission

• Brennstoffzufuhr• Kosten

• Aufbau

Versuch 4: Brennstoffzelle


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Methanol - Wasserstoffperoxid – Brennstoffzelle -2 +4

Anode: CH3OH(aq) + 8 OH-(aq) CO3

2-(aq) + 6H2O + 6 e-

-1 -1Kathodenraum: H2O2(aq) + OH-

(aq) HO2- (aq) + H2O

-1 -2 0

2 HO2-(aq) 2 OH-

(aq) + O2(g)

0 -2Kathode: O2(g) + H2O + 4 e- 4 OH-

(aq)___________________________________________________________________________________________

-2 -2 -1 -2 +4 -2 -2

Gesamt: CH3OH(aq) + 3 H2O2(aq) + 2 OH-(aq) CO3

2-(aq) + 6 H2O



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1998 2000


Bau der ISS

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2001 2007


Bau der ISS

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bei Fertigstellung (Stand 2006)

• Volumen: Jumbo 747• Bauteile: > 100• Spannweite: 88,5 m• Länge: 108,5 m• Masse: > 400 t• Kosten: 100 Mrd. €• Photovoltaik

– 64 000 Zellen– 160 Volt

Bau der ISS4. Die Sonnenseite der Energie

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Versuch 5

Grätzel - Solarzelle


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Grätzel – Solarzelle

• Michael Grätzel• 1990er (Schweiz)• Patent: 1992

• Aufbau


Versuch 5: Grätzel - Solarzelle

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• Vorteile– kein kostenintensives Halbleitermaterial– bessere Nutzung des Lichtspektrums (12 %)– TiO2

• Nachteile– Stabilität– Elektrolyt zerstört Isolierung



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Energiespeicher

• Geschwindigkeit: 28 000 km/h

• Umlaufzeit: 90 min– orbitale Dunkelheit: Ø 45 min

NiCd - Akkumulatoren (RUS)

NiMH - Akkumulatoren (USA)


Bau der ISS

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Versuch 6

NiFe - Akkumulator


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Laden +2 +3• Anode:2 Ni(OH)2(s) + 2 OH-

(aq)2 NiOOH(s) + 2 e- + 2 H2O (schwarz)

+2 0• Kathode: Fe(OH)2(s) + 2 e- Fe(s) + 2 OH-

(aq)

Entladen +3 +2 • Kathode: 2 NiOOH(s) + 2 e- + 2 H2O 2 Ni(OH)2(s) + 2 OH-

(aq)

0 +2• Anode:Fe(s) + 2 OH-(aq) Fe(OH)2(s) + 2 e-

Versuch 6: NiFe - Akkumulator


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Gesamtreaktion

+2 +2 0 +32 Ni(OH)2(s) + Fe(OH)2(s) Fe(s) + 2 NiOOH(s) + 2 H2O Entladen

Laden



• Theoretische Spannung: 1,3 Volt

• Gasentwicklung

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Gasentwicklung

+2 0• Kathode: Fe(OH)2(s) + 2 e- Fe(s) + 2 OH-(aq)

+1 0• Kathode: 2 H3O+

(aq) + 2 e- H2(g) + 2 H2O+2 0

• Kathode: Cd(OH)2(s) + 2 e- Cd(s) + 2 OH-(aq)



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Gasentwicklung

+2 0• Kathode: Fe(OH)2(s) + 2 e- Fe(s) + 2 OH-(aq)

+1 0• Kathode: 2 H3O+

(aq) + 2 e- H2(g) + 2 H2O+2 0

• Kathode: Cd(OH)2(s) + 2 e- Cd(s) + 2 OH-(aq)



Überspannung

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Schulrelevanz

• 7G 2.1 Luft– Quantitative Zusammensetzung

• 7G 2.2 Wasser und Wasserstoff– Wasserstoff als Energieträger

• 8G 3.3 Elektrolyse

5. Schulrelevanz

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Schulrelevanz

• 10G 1.2 Ausgewählte Redoxreaktionen– Elektrochemische Spannungsquellen– Elektrolyse (Redoxvorgänge)

• 10G 2.4 Methanol– als Treibstoffzusatz

• 11G fakultativ – Farbstoffe (Struktur und Lichtabsorption)

5. Schulrelevanz

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Schulrelevanz

• 12G Wahlthema Angewandte Chemie– natürliche Farbstoffe und Pigmente– Abwasseranalytik und –aufbereitung

• 12G Wahlthema Elektrochemie– elektrochemische Spannungsreihe– Galvanische Elemente, elektrische

Stromerzeugung– Elektrolyse

5. Schulrelevanz

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Schulrelevanz

• Projektarbeit im FÜU („Die ISS“)– Politik

• Internationales Gesetz• Internationale Zusammenarbeit

– Geschichte• Kalter Krieg

5. Schulrelevanz

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Schulrelevanz

• Projektarbeit im FÜU („Die ISS“)– Biologie

• Muskeln• Pflanzenwachstum, -physiologie

– Physik• Gravitation• Vakuum

5. Schulrelevanz

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Anhang

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Versuch 2: CO2 - Springbrunnen

Darstellung von CO2

2 H3O+(aq) + SO4

2-(aq) + CaCO3(s) CO2(g) + CaSO4(s) + 3H2O

2 H3O+(aq) + CO3

2-(aq) HCO3

-(aq) + H2O

2 H3O+(aq) + HCO3

-(aq) CO2(g) + 2 H2O


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Prozess


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Typen von Brennstoffzellen AFC PEMFC MCFC

Bezeichnung Alkaline Fuel Cell

Proton Exchange Membrane Fuel

Cell

Molten Carbonate Fuel

CellMobiles Ion OH- H+ CO3

2-

Anode (Brennstoff)

H2 H2 H2, CH4

Kathode O2 Luftsauerstoff LuftsauerstoffLeistung 10 – 100 kW 0,1 – 500 kW 100 kWBetriebstemperatur

< 80 °C 60 – 80 °C 650 °C

Merkmale reiner O2 Membranbefeuchtung

aggressive Schmelze


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Demonstration 2: Farbstoffsolarzelle

2 Fa 2 Fa*

2 Fa* + 2 TiO22 Faox + 2 TiO2-

2 TiO2- TiO2 + 2 e-

3 I2 + 2 e- 2 I3-

2 Faox + 2 I3- 2 Fa + 3 I2

h


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Versuch 5: NiCd - Akkumulator

Spannungsreihe

• Sekundärelement• Standardpotentiale (E° in V)

Fe Fe2+ + 2 e- E° = - 0,41Cd Cd2+ + 2 e- E° = - 0,40Cd(s) + 2 OH-

(aq) Cd(OH)2(s) + 2 e- E° = - 0,81H2 + 2 H2O 2 H3O+ + 2 e- E° = 0Ni(OH)2 + OH- NiOOH + H2O + e- E° = + 0,49

• EMK(NiCd-Akku) = ENi – ECd = E°Ni – E°Cd = 0,49 - (- 0,81) = 1,3 V


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NiMH – Akku (Micro)

NiCd – Akku(Mignon)


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Demo 2

Präparierter NiMH - Akkumulator


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Demonstration 4: NiMH - Akkumulator

Laden +2 +3• Anode:Ni(OH)2(s) + OH-

(aq) NiOOH(s) + e- + H2O +1 0• Kathode: M(s) + H2O + e-

MH(s) + OH-(aq)

Entladen +3 +2 • Kathode: NiOOH(s) + e- + H2O 2 Ni(OH)2(s) + OH-

(aq)

0 +1• Anode:MH(s) + OH-(aq) M(s) + H2O + e-


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Gesamtreaktion +2 +1 0 +1 -1 +3

Ni(OH)2(s) + M(s) MH(s) + NiOOH(s)

Laden

Entladen

Demo 2: NiMH - Akkumulator


• Theoretische Spannung: 1,35 Volt

• Speicherlegierungen– AB2 AB3 AB5

– LaMg2Ni LaMg2NiH7

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Demonstration 4: NiMH - Akkumulator


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Ein VergleichAkkumulatorentyp NiCd NiMHRelative Giftigkeit hoch mittelRelative Kosten gering mittelRelativer Innenwiderstand

gering mittel

Energiedichte [Wh / kg] 40 – 60 75 - 80Selbstentladung (20 °C)[% / Monat]

15 - 20 20 - 30

Memory-Effekt mittel geringTemperaturempfindlichkeit

50 % Leistung bei -40°C

ungeeignet unter 0°C


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