Chemie der Raumfahrt Experimentalvortrag (AC) Christoph Roßbach.

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1 Chemie der Raumfahrt Experimentalvortrag (AC) Christoph Roßbach

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

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

4 Meilensteine der Raumfahrt
1. Geschichte der Raumfahrt Meilensteine der Raumfahrt 3. Oktober V4: erste Rakete dringt in den Weltraum vor 3. November 1957 Sputnik 2: erstes Lebewesen im All 12. April Wostok 1: erster Mensch im All

5 20. Juli 1969 12. April 1981 20. November 1998 Apollo 11:
1. Geschichte der Raumfahrt Meilensteine der Raumfahrt 20. Juli Apollo 11: erster Mensch auf dem Mond 12. April Space Shuttle Columbia: erstes wiederverwendbares Raumschiff 20. November 1998 Sarja: Beginn des Aufbaus der Internationalen Raumstation ISS

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

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

8 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

9 2. Die Luft zum Atmen Das Lebenserhaltungssystem

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

11 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“

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

13 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 Kathode 4 H3O+(aq) + 4 e- 2 H2(g) + 4H2O Anode 4 OH-(aq) O2(g) + 2 H2O + 4 e- __________________________________________________________________________________ Gesamt 4 H3O+(aq) + 4 OH-(aq) 2 H2(g) + O2(g) + 2 H2O

14 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

15 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

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

17    Netto - Reaktion 2 KClO3(s) 2 KCl(s) + 3 O2(g)
2. Die Luft zum Atmen Versuch 2: Sauerstoffdarstellung aus KClO3 Netto - Reaktion 2 KClO3(s) 2 KCl(s) + 3 O2(g) Brutto – Reaktionen 4 KClO3(s) KCl(s) + 3 KClO4(s) KClO4(s) KCl (s) + 2 O2(g)   

18 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 2 KClO3(s) + 6 MnO2(s)  2 KCl(s) + 6 „MnO3“  2 KCl(s) + 6 MnO2(s) + 3O2(g)

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

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

21 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) Na+(aq) + CO32-(aq) + H2O  Verringerung des Gasvolumens im Kolben

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

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

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

25 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 Fe2+(aq) + H2O2(aq) Fe3+(aq) + OH•(aq) + OH-(aq) Fe3+(aq) + H2O2(aq) + H2O Fe2+(aq) + OOH•(aq) + H3O+(aq) Abwasserreinigung  Patent: FENTOX® - Prozess

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

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

28 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

29 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

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

31 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

32 4. Die Sonnenseite der Energie
Versuch 4 Brennstoffzelle

33 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

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

35 4. Die Sonnenseite der Energie
Bau der ISS 1998 2000

36 4. Die Sonnenseite der Energie
Bau der ISS

37 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 Zellen 160 Volt

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

39 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

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

41 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

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

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

44 4. Die Sonnenseite der Energie
Versuch 6: NiFe - Akkumulator Laden Anode: 2 Ni(OH)2(s) + 2 OH-(aq) 2 NiOOH(s) + 2 e- + 2 H2O (schwarz) Kathode: Fe(OH)2(s) + 2 e- Fe(s) + 2 OH-(aq) Entladen Kathode: 2 NiOOH(s) + 2 e- + 2 H2O 2 Ni(OH)2(s) + 2 OH-(aq) Anode: Fe(s) + 2 OH-(aq) Fe(OH)2(s) + 2 e-

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

46 Gasentwicklung Kathode: Fe(OH)2(s) + 2 e- Fe(s) + 2 OH-(aq)
4. Die Sonnenseite der Energie Versuch 6: NiFe - Akkumulator Gasentwicklung Kathode: Fe(OH)2(s) + 2 e- Fe(s) + 2 OH-(aq) Kathode: 2 H3O+(aq) + 2 e- H2(g) + 2 H2O Kathode: Cd(OH)2(s) + 2 e- Cd(s) + 2 OH-(aq)

47 Gasentwicklung  Überspannung
4. Die Sonnenseite der Energie Versuch 6: NiFe - Akkumulator Gasentwicklung Kathode: Fe(OH)2(s) + 2 e- Fe(s) + 2 OH-(aq) Kathode: 2 H3O+(aq) + 2 e- H2(g) + 2 H2O Kathode: Cd(OH)2(s) + 2 e- Cd(s) + 2 OH-(aq)  Überspannung

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

49 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

50 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)

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

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

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

54

55 Anhang

56 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

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

58 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

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

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

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

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

63 Demonstration 4: NiMH - Akkumulator
4. Die Sonnenseite der Energie Demonstration 4: NiMH - Akkumulator Laden Anode: Ni(OH)2(s) + OH-(aq) NiOOH(s) + e- + H2O Kathode: M(s) + H2O + e- MH(s) + OH-(aq) Entladen Kathode: NiOOH(s) + e- + H2O 2 Ni(OH)2(s) + OH-(aq) Anode: MH(s) + OH-(aq) M(s) + H2O + e-

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

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

66 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 Selbstentladung (20 °C) [% / Monat] Memory-Effekt Temperaturempfindlichkeit 50 % Leistung bei -40°C ungeeignet unter 0°C