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1 Chemie der Raumfahrt Experimentalvortrag (AC) Christoph Roßbach.

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1 1 Chemie der Raumfahrt Experimentalvortrag (AC) Christoph Roßbach

2 2 Gliederung 1.Geschichte der Raumfahrt 2.Die Luft zum Atmen 3.Kein Leben ohne Wasser 4.Die Sonnenseite der Energie 5.Schulrelevanz

3 3 Gliederung 1.Geschichte der Raumfahrt 2.Die Luft zum Atmen 3.Kein Leben ohne Wasser 4.Die Sonnenseite der Energie 5.Schulrelevanz

4 4 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

5 5 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 Meilensteine der Raumfahrt1. Geschichte der Raumfahrt

6 6 Internationale Raumstation ISS –Kalter Krieg ( ) –beteiligte Länder 1. Geschichte der RaumfahrtMeilensteine der Raumfahrt

7 7 Gliederung 1.Geschichte der Raumfahrt 2.Die Luft zum Atmen 3.Kein Leben ohne Wasser 4.Die Sonnenseite der Energie 5.Schulrelevanz

8 8 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

9 9 Das Lebenserhaltungssystem

10 10 – Russian Orbital Segment – US Orbital Segment 2. Die Luft zum AtmenDas Lebenserhaltungssystem ECLSS

11 11 Russian Orbital Segment (ROS) – Hauptverantwortung für die Kabinenatmosphäre – Tanks: Luft, N 2 oder O 2 – manuelle Steuerung aller Tanks – O 2 durch „Elektron“ 2. Die Luft zum AtmenDas Lebenserhaltungssystem

12 12 Versuch 1 Elektrolyse von Wasser 2. Die Luft zum Atmen

13 13 Volumenverhältnis 2 H 2 O 2 H 2(g) + O 2(g) Eigendissoziation 4 H 2 O2 H 3 O + (aq) + 2 OH - (aq) Reaktionsgleichungen Kathode4 H 3 O + (aq) + 4 e - 2 H 2(g) + 4H 2 O Anode4 OH - (aq) O 2(g) + 2 H 2 O + 4 e - __________________________________________________________________________________ Gesamt4 H 3 O + (aq) + 4 OH - (aq) 2 H 2(g) + O 2(g) + 2 H 2 O 2. Die Luft zum AtmenVersuch 1: Elektrolyse von Wasser

14 14 Probleme –Konzentration der Ionen c(H 3 O + ) = c(OH - ) = mol/L –Leitfähigkeit –hohe Aktivierungsenergien (Überspannung) Lösungsansätze –Prozesstemperatur –Wahl der Elektroden 2. Die Luft zum AtmenVersuch 1: Elektrolyse von Wasser

15 15 US Orbital Segment (USOS) – 4 Hochdrucktanks – Auffüllung durch Shuttleflüge – Austausch kompletter Tanks – Überwachung und Regelung – Zusätzlicher O 2 durch Feststoffkartuschen 2. Die Luft zum AtmenDas Lebenserhaltungssystem

16 16 Versuch 2 Sauerstoffdarstellung aus KClO 3 2. Die Luft zum Atmen

17 17 Netto - Reaktion KClO 3(s) 2 KCl (s) + 3 O 2(g) Brutto – Reaktionen KClO 3(s) KCl (s) + 3 KClO 4(s) KClO 4(s) KCl (s) + 2 O 2(g)    2. Die Luft zum AtmenVersuch 2: Sauerstoffdarstellung aus KClO 3

18 18 KClO 3 –nicht hygroskopisch –tetraedrisch –starkes Oxidationsmittel –Smp.: 370 °C –Disproportionierung in KClO 4 und KCl ab 400 °C –über 500 °C: Zerfall in KCl + O 2 2. Die Luft zum Atmen – mit Katalysator (MnO 2 ): Zersetzung bereits bei 150 °C KClO 3(s) + 6 MnO 2(s)  2 KCl (s) + 6 „MnO 3 “  2 KCl (s) + 6 MnO 2(s) + 3O 2(g) Versuch 2: Sauerstoffdarstellung aus KClO 3

19 19 Luftverschmutzung – Materialabgasungen – Lecks – auslaufende Flüssigkeiten – Körperausdünstungen 2. Die Luft zum AtmenDas Lebenserhaltungssystem Luftreinigung – kalte, trockene Luft – Luftfilter – LiOH - Kanister

20 20 Demo 1 CO 2 - Springbrunnen 2. Die Luft zum Atmen

21 21 Reaktion mit NaOH CO 2(g) CO 2(aq) 2 NaOH (aq) + CO 2(aq) 2 Na + (aq) + CO 3 2- (aq) + H 2 O 2. Die Luft zum AtmenDemo 1: CO 2 - Springbrunnen  Verringerung des Gasvolumens im Kolben

22 22 Gliederung 1.Geschichte der Raumfahrt 2.Die Luft zum Atmen 3.Kein Leben ohne Wasser 4.Die Sonnenseite der Energie 5.Schulrelevanz

23 23 Wasseraufbereitung- und management – Kondenswasser – Feststoffabfälle – Abwässer Ziel – Recycling aller Abwässer 3. Kein Leben ohne Wasser

24 24 Versuch 3 Reinigung von Wasser durch Licht 3. Kein Leben ohne Wasser

25 25 Fenton – Reaktion –entwickelt: 1890 von Henry John Horstman Fenton –organische Synthese –Reaktionsgleichungen Fe 2+ (aq) + H 2 O 2(aq) Fe 3+ (aq) + OH (aq) + OH - (aq) Fe 3+ (aq) + H 2 O 2(aq) + H 2 OFe 2+ (aq) + OOH (aq) + H 3 O + (aq) 3. Kein Leben ohne WasserVersuch 3: Reinigung von Wasser durch Licht –Abwasserreinigung  Patent: FENTOX ® - Prozess

26 26 Photo - Fenton - Reaktion 3. Kein Leben ohne WasserVersuch 3: Reinigung von Wasser durch Licht

27 27 Zersetzung der Ameisensäure 3. Kein Leben ohne WasserVersuch 3: Reinigung von Wasser durch Licht

28 28 Nachweis von CO 2 3. Kein Leben ohne WasserVersuch 3: Reinigung von Wasser durch Licht Ba(OH) 2(aq) + CO 2(aq) BaCO 3(s) + H 2 O

29 29 Bezug zur Raumfahrt –keine Zufuhr von elektrischer Energie –Licht –Katalysator –H2O2–H2O2 3. Kein Leben ohne WasserVersuch 3: Reinigung von Wasser durch Licht

30 30 Gliederung 1.Geschichte der Raumfahrt 2.Die Luft zum Atmen 3.Kein Leben ohne Wasser 4.Die Sonnenseite der Energie 5.Schulrelevanz

31 31 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

32 32 Versuch 4 Brennstoffzelle 4. Die Sonnenseite der Energie

33 33 umgekehrtes Prinzip der Elektrolyse chemische Energie  elektrische Energie hoher Wirkungsgrad geringe lokale Emission keine bewegten Teile geringe Lärmemission Brennstoffzufuhr Kosten Aufbau Versuch 4: Brennstoffzelle4. Die Sonnenseite der Energie

34 34 Methanol - Wasserstoffperoxid – Brennstoffzelle Anode:CH 3 OH (aq) + 8 OH - (aq) CO 3 2- (aq) + 6H 2 O + 6 e Kathodenraum:H 2 O 2(aq) + OH - (aq) HO 2 - (aq) + H 2 O HO 2 - (aq) 2 OH - (aq) + O 2(g) 0 -2 Kathode: O 2(g) + H 2 O + 4 e - 4 OH - (aq) __________________________________________________________________________________________ _ Gesamt: CH 3 OH (aq) + 3 H 2 O 2(aq) + 2 OH - (aq) CO 3 2- (aq) + 6 H 2 O 4. Die Sonnenseite der EnergieVersuch 4: Brennstoffzelle

35 Die Sonnenseite der EnergieBau der ISS

36 Die Sonnenseite der EnergieBau der ISS

37 37 bei Fertigstellung (Stand 2006) Volumen: Jumbo 747 Bauteile: > 100 Spannweite: 88,5 m Länge: 108,5 m Masse: > 400 t Kosten: 100 Mrd. € Photovoltaik – Zellen –160 Volt Bau der ISS4. Die Sonnenseite der Energie

38 38 Versuch 5 Grätzel - Solarzelle 4. Die Sonnenseite der Energie

39 39 Grätzel – Solarzelle Michael Grätzel 1990er (Schweiz) Patent: 1992 Aufbau 4. Die Sonnenseite der EnergieVersuch 5: Grätzel - Solarzelle

40 40 4. Die Sonnenseite der EnergieVersuch 5: Grätzel - Solarzelle

41 41 Vorteile –kein kostenintensives Halbleitermaterial –bessere Nutzung des Lichtspektrums (12 %) –TiO 2 Nachteile –Stabilität –Elektrolyt zerstört Isolierung 4. Die Sonnenseite der EnergieVersuch 5: Grätzel - Solarzelle

42 42 Energiespeicher Geschwindigkeit: km/h Umlaufzeit: 90 min –orbitale Dunkelheit: Ø 45 min  NiCd - Akkumulatoren (RUS)  NiMH - Akkumulatoren (USA) 4. Die Sonnenseite der EnergieBau der ISS

43 43 Versuch 6 NiFe - Akkumulator 4. Die Sonnenseite der Energie

44 44 Laden Anode:2 Ni(OH) 2(s) + 2 OH - (aq) 2 NiOOH (s) + 2 e H 2 O (schwarz) +2 0 Kathode:Fe(OH) 2(s) + 2 e - Fe (s) + 2 OH - (aq) Entladen Kathode: 2 NiOOH (s) + 2 e H 2 O 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 - Akkumulator4. Die Sonnenseite der Energie

45 45 Gesamtreaktion Ni(OH) 2(s) + Fe(OH) 2(s) Fe (s) + 2 NiOOH (s) + 2 H 2 O Entladen Laden 4. Die Sonnenseite der EnergieVersuch 6: NiFe - Akkumulator Theoretische Spannung: 1,3 Volt Gasentwicklung

46 46 Gasentwicklung +2 0 Kathode:Fe(OH) 2(s) + 2 e - Fe (s) + 2 OH - (aq) +1 0 Kathode:2 H 3 O + (aq) + 2 e - H 2(g) + 2 H 2 O +2 0 Kathode:Cd(OH) 2(s) + 2 e - Cd (s) + 2 OH - (aq) 4. Die Sonnenseite der EnergieVersuch 6: NiFe - Akkumulator

47 47 Gasentwicklung +2 0 Kathode:Fe(OH) 2(s) + 2 e - Fe (s) + 2 OH - (aq) +1 0 Kathode:2 H 3 O + (aq) + 2 e - H 2(g) + 2 H 2 O +2 0 Kathode:Cd(OH) 2(s) + 2 e - Cd (s) + 2 OH - (aq) 4. Die Sonnenseite der EnergieVersuch 6: NiFe - Akkumulator  Überspannung

48 48 Gliederung 1.Geschichte der Raumfahrt 2.Die Luft zum Atmen 3.Kein Leben ohne Wasser 4.Die Sonnenseite der Energie 5.Schulrelevanz

49 49 Schulrelevanz 7G 2.1 Luft –Quantitative Zusammensetzung 7G 2.2 Wasser und Wasserstoff –Wasserstoff als Energieträger 8G 3.3 Elektrolyse 5. Schulrelevanz

50 50 Schulrelevanz 10G 1.2 Ausgewählte Redoxreaktionen –Elektrochemische Spannungsquellen –Elektrolyse (Redoxvorgänge) 10G2.4 Methanol –als Treibstoffzusatz 11G fakultativ –Farbstoffe (Struktur und Lichtabsorption) 5. Schulrelevanz

51 51 Schulrelevanz 12G Wahlthema Angewandte Chemie –natürliche Farbstoffe und Pigmente –Abwasseranalytik und –aufbereitung 12GWahlthema Elektrochemie –elektrochemische Spannungsreihe –Galvanische Elemente, elektrische Stromerzeugung –Elektrolyse 5. Schulrelevanz

52 52 Schulrelevanz Projektarbeit im FÜU („Die ISS“) –Politik Internationales Gesetz Internationale Zusammenarbeit –Geschichte Kalter Krieg 5. Schulrelevanz

53 53 Schulrelevanz Projektarbeit im FÜU („Die ISS“) –Biologie Muskeln Pflanzenwachstum, -physiologie –Physik Gravitation Vakuum 5. Schulrelevanz

54 54

55 55 Anhang

56 56 Versuch 2: CO 2 - Springbrunnen Darstellung von CO 2 2 H 3 O + (aq) + SO 4 2- (aq) + CaCO 3(s) CO 2(g) + CaSO 4(s) + 3H 2 O 2 H 3 O + (aq) + CO 3 2- (aq) HCO 3 - (aq) + H 2 O 2 H 3 O + (aq) + HCO 3 - (aq) CO 2(g) + 2 H 2 O 2. Die Luft zum Atmen

57 57 Versuch 4: Brennstoffzelle Prozess 4. Die Sonnenseite der Energie

58 58 Versuch 4: Brennstoffzelle Typen von Brennstoffzellen AFCPEMFCMCFC BezeichnungAlkaline Fuel CellProton Exchange Membrane Fuel Cell Molten Carbonate Fuel Cell Mobiles IonOH - H+H+ CO 3 2- Anode (Brennstoff) H2H2 H2H2 H 2, CH 4 KathodeO2O2 Luftsauerstoff Leistung10 – 100 kW0,1 – 500 kW100 kW Betriebstemperat ur < 80 °C60 – 80 °C650 °C Merkmalereiner O 2 Membranbefeuchtun g aggressive Schmelze 4. Die Sonnenseite der Energie

59 59 Demonstration 2: Farbstoffsolarzelle 2 Fa 2 Fa* 2 Fa* + 2 TiO 2 2 Fa ox + 2 TiO TiO 2 - TiO e - 3 I e - 2 I Fa ox + 2 I Fa + 3 I 2 h 4. Die Sonnenseite der Energie

60 60 Versuch 5: NiCd - Akkumulator Spannungsreihe Sekundärelement Standardpotentiale (E° in V) FeFe e - E° = - 0,41 CdCd e - E° = - 0,40 Cd (s) + 2 OH - (aq) Cd(OH) 2(s) + 2 e - E° = - 0,81 H H 2 O2 H 3 O e - E° = 0 Ni(OH) 2 + OH - NiOOH + H 2 O+ e - E° = + 0,49 EMK (NiCd-Akku) = E Ni – E Cd = E° Ni – E° Cd = 0,49 - (- 0,81) = 1,3 V 4. Die Sonnenseite der Energie

61 61 NiMH – Akku (Micro) NiCd – Akku (Mignon) 4. Die Sonnenseite der Energie

62 62 Demo 2 Präparierter NiMH - Akkumulator 4. Die Sonnenseite der Energie

63 63 Demonstration 4: NiMH - Akkumulator Laden +2+3 Anode:Ni(OH) 2(s) + OH - (aq) NiOOH (s) + e - + H 2 O +1 0 Kathode:M (s) + H 2 O + e - MH (s) + OH - (aq) Entladen Kathode: NiOOH (s) + e - + H 2 O 2 Ni(OH) 2(s) + OH - (aq) 0 +1 Anode:MH (s) + OH - (aq) M (s) + H 2 O + e - 4. Die Sonnenseite der Energie

64 64 Gesamtreaktion Ni(OH) 2(s) + M (s) MH (s) + NiOOH (s) Laden Entladen Demo 2: NiMH - Akkumulator4. Die Sonnenseite der Energie Theoretische Spannung: 1,35 Volt Speicherlegierungen – AB 2 AB 3 AB 5 – LaMg 2 Ni  LaMg 2 NiH 7

65 65 Demonstration 4: NiMH - Akkumulator 4. Die Sonnenseite der Energie

66 66 Ein Vergleich Akkumulatorentyp NiCdNiMH Relative Giftigkeithochmittel Relative Kostengeringmittel Relativer Innenwiderstandgeringmittel Energiedichte [Wh / kg]40 – Selbstentladung (20 °C) [% / Monat] Memory-Effektmittelgering Temperaturempfindlichkeit50 % Leistung bei -40°C ungeeignet unter 0°C 4. Die Sonnenseite der Energie


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