Chemie der Raumfahrt Experimentalvortrag (AC) Christoph Roßbach

Gliederung Geschichte der Raumfahrt Die Luft zum Atmen Kein Leben ohne Wasser Die Sonnenseite der Energie Schulrelevanz

Gliederung Geschichte der Raumfahrt Die Luft zum Atmen Kein Leben ohne Wasser Die Sonnenseite der Energie Schulrelevanz

Meilensteine der Raumfahrt 1. Geschichte der Raumfahrt 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

20. Juli 1969 12. April 1981 20. November 1998 Apollo 11: 1. Geschichte der Raumfahrt Meilensteine der Raumfahrt 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

Internationale Raumstation ISS 1. Geschichte der Raumfahrt Meilensteine der Raumfahrt Internationale Raumstation ISS Kalter Krieg (1945 - 1990) beteiligte Länder

Gliederung Geschichte der Raumfahrt Die Luft zum Atmen Kein Leben ohne Wasser Die Sonnenseite der Energie Schulrelevanz

Das Lebenserhaltungssystem 2. Die Luft zum Atmen 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 Das Lebenserhaltungssystem

ECLSS Russian Orbital Segment US Orbital Segment 2. Die Luft zum Atmen Das Lebenserhaltungssystem ECLSS Russian Orbital Segment US Orbital Segment

Russian Orbital Segment (ROS) 2. Die Luft zum Atmen Das Lebenserhaltungssystem Russian Orbital Segment (ROS) Hauptverantwortung für die Kabinenatmosphäre Tanks: Luft, N2 oder O2 manuelle Steuerung aller Tanks O2 durch „Elektron“

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

Reaktionsgleichungen 2. Die Luft zum Atmen Versuch 1: Elektrolyse von Wasser Volumenverhältnis 2 H2O 2 H2(g) + O2(g) Eigendissoziation 4 H2O 2 H3O+(aq) + 2 OH-(aq) Reaktionsgleichungen +1 0 +1 Kathode 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

Probleme Lösungsansätze Konzentration der Ionen 2. Die Luft zum Atmen Versuch 1: Elektrolyse von Wasser Probleme Konzentration der Ionen c(H3O+) = c(OH-) = 10-7 mol/L Leitfähigkeit hohe Aktivierungsenergien (Überspannung) Lösungsansätze Prozesstemperatur Wahl der Elektroden

US Orbital Segment (USOS) 2. Die Luft zum Atmen Das Lebenserhaltungssystem US Orbital Segment (USOS) 4 Hochdrucktanks Auffüllung durch Shuttleflüge Austausch kompletter Tanks Überwachung und Regelung Zusätzlicher O2 durch Feststoffkartuschen

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

   Netto - Reaktion 2 KClO3(s) 2 KCl(s) + 3 O2(g) 2. Die Luft zum Atmen Versuch 2: Sauerstoffdarstellung aus KClO3 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)   

KClO3 nicht hygroskopisch tetraedrisch starkes Oxidationsmittel 2. Die Luft zum Atmen Versuch 2: Sauerstoffdarstellung aus KClO3 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)

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

2. Die Luft zum Atmen Demo 1 CO2 - Springbrunnen

Reaktion mit NaOH CO2(g) CO2(aq) 2. Die Luft zum Atmen Demo 1: CO2- Springbrunnen Reaktion mit NaOH CO2(g) CO2(aq) 2 NaOH(aq) + CO2(aq) 2 Na+(aq) + CO32-(aq) + H2O  Verringerung des Gasvolumens im Kolben

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

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

Fenton – Reaktion entwickelt: 1890 von Henry John Horstman Fenton 3. Kein Leben ohne Wasser Versuch 3: Reinigung von Wasser durch Licht Fenton – Reaktion entwickelt: 1890 von Henry John Horstman Fenton organische Synthese Reaktionsgleichungen +2 -1 +3 -1 -2 Fe2+(aq) + H2O2(aq) Fe3+(aq) + OH•(aq) + OH-(aq) +3 -1 -2 +2 0 -1 -2 Fe3+(aq) + H2O2(aq) + H2O Fe2+(aq) + OOH•(aq) + H3O+(aq) Abwasserreinigung  Patent: FENTOX® - Prozess

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

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

Nachweis von CO2 Ba(OH)2(aq) + CO2(aq) BaCO3(s) + H2O 3. Kein Leben ohne Wasser Versuch 3: Reinigung von Wasser durch Licht Nachweis von CO2 Ba(OH)2(aq) + CO2(aq) BaCO3(s) + H2O

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

Gliederung Geschichte der Raumfahrt Die Luft zum Atmen Kein Leben ohne Wasser Die Sonnenseite der Energie Schulrelevanz

Bau der ISS mehr als 40 Raumflüge in 5 Jahren (1998) 4. Die Sonnenseite der Energie 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 Versuch 4 Brennstoffzelle

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

Methanol - Wasserstoffperoxid – Brennstoffzelle 4. Die Sonnenseite der Energie Versuch 4: Brennstoffzelle Methanol - Wasserstoffperoxid – Brennstoffzelle -2 +4 Anode: CH3OH(aq) + 8 OH-(aq) CO32-(aq) + 6H2O + 6 e- -1 -1 Kathodenraum: H2O2(aq) + OH-(aq) HO2- (aq) + H2O -1 -2 0 2 HO2-(aq) 2 OH-(aq) + O2(g) 0 -2 Kathode: O2(g) + H2O + 4 e- 4 OH-(aq) ___________________________________________________________________________________________ -2 -2 -1 -2 +4 -2 -2 Gesamt: CH3OH(aq) + 3 H2O2(aq) + 2 OH-(aq) CO32-(aq) + 6 H2O

4. Die Sonnenseite der Energie Bau der ISS 1998 2000

4. Die Sonnenseite der Energie Bau der ISS 2001 2007

bei Fertigstellung (Stand 2006) 4. Die Sonnenseite der Energie Bau der ISS 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

4. Die Sonnenseite der Energie Versuch 5 Grätzel - Solarzelle

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

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

Vorteile Nachteile kein kostenintensives Halbleitermaterial 4. Die Sonnenseite der Energie Versuch 5: Grätzel - Solarzelle Vorteile kein kostenintensives Halbleitermaterial bessere Nutzung des Lichtspektrums (12 %) TiO2 Nachteile Stabilität Elektrolyt zerstört Isolierung

Energiespeicher Geschwindigkeit: 28 000 km/h Umlaufzeit: 90 min 4. Die Sonnenseite der Energie Bau der ISS Energiespeicher Geschwindigkeit: 28 000 km/h Umlaufzeit: 90 min orbitale Dunkelheit: Ø 45 min  NiCd - Akkumulatoren (RUS)  NiMH - Akkumulatoren (USA)

4. Die Sonnenseite der Energie Versuch 6 NiFe - Akkumulator

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

Gesamtreaktion Theoretische Spannung: 1,3 Volt Gasentwicklung 4. Die Sonnenseite der Energie Versuch 6: NiFe - Akkumulator Gesamtreaktion +2 +2 0 +3 2 Ni(OH)2(s) + Fe(OH)2(s) Fe(s) + 2 NiOOH(s) + 2 H2O Laden Entladen Theoretische Spannung: 1,3 Volt Gasentwicklung

Gasentwicklung Kathode: Fe(OH)2(s) + 2 e- Fe(s) + 2 OH-(aq) 4. Die Sonnenseite der Energie Versuch 6: NiFe - Akkumulator 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 Kathode: Cd(OH)2(s) + 2 e- Cd(s) + 2 OH-(aq)

Gasentwicklung  Überspannung 4. Die Sonnenseite der Energie Versuch 6: NiFe - Akkumulator 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 Kathode: Cd(OH)2(s) + 2 e- Cd(s) + 2 OH-(aq)  Überspannung

Gliederung Geschichte der Raumfahrt Die Luft zum Atmen Kein Leben ohne Wasser Die Sonnenseite der Energie Schulrelevanz

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

Schulrelevanz 10G 1.2 Ausgewählte Redoxreaktionen 10G 2.4 Methanol Elektrochemische Spannungsquellen Elektrolyse (Redoxvorgänge) 10G 2.4 Methanol als Treibstoffzusatz 11G fakultativ Farbstoffe (Struktur und Lichtabsorption)

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

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

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

Anhang

Versuch 2: CO2 - Springbrunnen 2. Die Luft zum Atmen Versuch 2: CO2 - Springbrunnen Darstellung von CO2 2 H3O+(aq) + SO42-(aq) + CaCO3(s) CO2(g) + CaSO4(s) + 3H2O 2 H3O+(aq) + CO32-(aq) HCO3-(aq) + H2O 2 H3O+(aq) + HCO3-(aq) CO2(g) + 2 H2O

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

Versuch 4: Brennstoffzelle 4. Die Sonnenseite der Energie Versuch 4: Brennstoffzelle Typen von Brennstoffzellen AFC PEMFC MCFC Bezeichnung Alkaline Fuel Cell Proton Exchange Membrane Fuel Cell Molten Carbonate Fuel Cell Mobiles Ion OH- H+ CO32- Anode (Brennstoff) H2 H2, CH4 Kathode O2 Luftsauerstoff Leistung 10 – 100 kW 0,1 – 500 kW 100 kW Betriebstemperatur < 80 °C 60 – 80 °C 650 °C Merkmale reiner O2 Membranbefeuchtung aggressive Schmelze

Demonstration 2: Farbstoffsolarzelle 4. Die Sonnenseite der Energie Demonstration 2: Farbstoffsolarzelle 2 Fa 2 Fa* 2 Fa* + 2 TiO2 2 Faox + 2 TiO2- 2 TiO2- TiO2 + 2 e- 3 I2 + 2 e- 2 I3- 2 Faox + 2 I3- 2 Fa + 3 I2 h

Versuch 5: NiCd - Akkumulator 4. Die Sonnenseite der Energie Versuch 5: NiCd - Akkumulator Spannungsreihe Sekundärelement Standardpotentiale (E° in V) Fe Fe2+ + 2 e- E° = - 0,41 Cd Cd2+ + 2 e- E° = - 0,40 Cd(s) + 2 OH-(aq) Cd(OH)2(s) + 2 e- E° = - 0,81 H2 + 2 H2O 2 H3O+ + 2 e- E° = 0 Ni(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

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

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

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

Gesamtreaktion Theoretische Spannung: 1,35 Volt Speicherlegierungen 4. Die Sonnenseite der Energie Demo 2: NiMH - Akkumulator Gesamtreaktion +2 +1 0 +1 -1 +3 Ni(OH)2(s) + M(s) MH(s) + NiOOH(s) Laden Entladen Theoretische Spannung: 1,35 Volt Speicherlegierungen AB2 AB3 AB5 LaMg2Ni  LaMg2NiH7

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

Ein Vergleich NiCd NiMH Akkumulatorentyp Relative Giftigkeit hoch 4. Die Sonnenseite der Energie Ein Vergleich Akkumulatorentyp NiCd NiMH Relative Giftigkeit hoch mittel Relative Kosten gering Relativer Innenwiderstand Energiedichte [Wh / kg] 40 – 60 75 - 80 Selbstentladung (20 °C) [% / Monat] 15 - 20 20 - 30 Memory-Effekt Temperaturempfindlichkeit 50 % Leistung bei -40°C ungeeignet unter 0°C