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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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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
Meilensteine der Raumfahrt
1. Geschichte der Raumfahrt
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Internationale Raumstation ISS– Kalter Krieg (1945 - 1990)– beteiligte Länder
1. Geschichte der Raumfahrt
Meilensteine der Raumfahrt
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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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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
2. Die Luft zum Atmen Das Lebenserhaltungssystem
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“
2. Die Luft zum Atmen Das Lebenserhaltungssystem
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Versuch 1
Elektrolyse von Wasser
2. Die Luft zum Atmen
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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
2. Die Luft zum Atmen Das Lebenserhaltungssystem
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Versuch 2
Sauerstoffdarstellung aus KClO3
2. Die Luft zum Atmen
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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
2. Die Luft zum Atmen
– 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
2. Die Luft zum Atmen Das Lebenserhaltungssystem
• Luftreinigung– kalte, trockene Luft– Luftfilter– LiOH - Kanister
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Demo 1
CO2 - Springbrunnen
2. Die Luft zum Atmen
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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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Gliederung1. Geschichte der Raumfahrt2. Die Luft zum Atmen3. Kein Leben ohne Wasser4. Die Sonnenseite der Energie5. Schulrelevanz
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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
3. Kein Leben ohne Wasser Versuch 3: Reinigung von Wasser durch Licht
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Zersetzung der Ameisensäure
3. Kein Leben ohne Wasser Versuch 3: Reinigung von Wasser durch Licht
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Nachweis von CO2
3. Kein Leben ohne Wasser Versuch 3: Reinigung von Wasser durch Licht
Ba(OH)2(aq) + CO2(aq) BaCO3(s) + H2O
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Bezug zur Raumfahrt
– keine Zufuhr von elektrischer Energie– Licht– Katalysator
– H2O2
3. Kein Leben ohne Wasser Versuch 3: Reinigung von Wasser durch Licht
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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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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
4. Die Sonnenseite der Energie
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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
4. Die Sonnenseite der Energie
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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
4. Die Sonnenseite der Energie
Versuch 4: Brennstoffzelle
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1998 2000
4. Die Sonnenseite der Energie
Bau der ISS
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2001 2007
4. Die Sonnenseite der Energie
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
4. Die Sonnenseite der Energie
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Grätzel – Solarzelle
• Michael Grätzel• 1990er (Schweiz)• Patent: 1992
• Aufbau
4. Die Sonnenseite der Energie
Versuch 5: Grätzel - Solarzelle
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4. Die Sonnenseite der Energie
Versuch 5: Grätzel - Solarzelle
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• Vorteile– kein kostenintensives Halbleitermaterial– bessere Nutzung des Lichtspektrums (12 %)– TiO2
• Nachteile– Stabilität– Elektrolyt zerstört Isolierung
4. Die Sonnenseite der Energie
Versuch 5: Grätzel - Solarzelle
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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
Bau der ISS
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Versuch 6
NiFe - Akkumulator
4. Die Sonnenseite der Energie
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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
4. Die Sonnenseite der Energie
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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
4. Die Sonnenseite der Energie
Versuch 6: NiFe - Akkumulator
• 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)
4. Die Sonnenseite der Energie
Versuch 6: NiFe - Akkumulator
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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)
4. Die Sonnenseite der Energie
Versuch 6: NiFe - Akkumulator
Überspannung
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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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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
2. Die Luft zum Atmen
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Versuch 4: Brennstoffzelle
Prozess
4. Die Sonnenseite der Energie
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Versuch 4: Brennstoffzelle
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
4. Die Sonnenseite der Energie
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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
4. Die Sonnenseite der Energie
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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
4. Die Sonnenseite der Energie
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NiMH – Akku (Micro)
NiCd – Akku(Mignon)
4. Die Sonnenseite der Energie
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Demo 2
Präparierter NiMH - Akkumulator
4. Die Sonnenseite der Energie
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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-
4. Die Sonnenseite der Energie
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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
4. Die Sonnenseite der Energie
• Theoretische Spannung: 1,35 Volt
• Speicherlegierungen– AB2 AB3 AB5
– LaMg2Ni LaMg2NiH7
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Demonstration 4: NiMH - Akkumulator
4. Die Sonnenseite der Energie
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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
4. Die Sonnenseite der Energie