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Chemie der Raumfahrt

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

jenny
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Chemie der Raumfahrt

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Presentation Transcript

  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. 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

  5. 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

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

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

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

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

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

  13. 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

  14. 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. 4 Hochdrucktanks Auffüllung durch Shuttleflüge Austausch kompletter Tanks Überwachung und Regelung Zusätzlicher O2 durch Feststoffkartuschen 2. Die Luft zum Atmen Das Lebenserhaltungssystem US Orbital Segment (USOS)

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

  17. 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)  

  18. 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 Versuch 2: Sauerstoffdarstellung aus KClO3 KClO3 • 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)

  19. 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. 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

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

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

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

  25. 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

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

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

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

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

  31. 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. 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. 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

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

  36. 4. Die Sonnenseite der Energie Bau der ISS 2001 2007

  37. 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 Bau der ISS bei Fertigstellung (Stand 2006)

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

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

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

  41. 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. 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 Energiespeicher

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

  44. 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-

  45. 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

  46. +2 0 Kathode: Fe(OH)2(s) + 2 e- Fe(s) + 2 OH-(aq) +1 0 Kathode: 2 H3O+(aq) + 2 e- H2(g)+ 2H2O +2 0 Kathode: Cd(OH)2(s) + 2 e- Cd(s) + 2 OH-(aq) 4. Die Sonnenseite der Energie Versuch 6: NiFe - Akkumulator Gasentwicklung

  47. +2 0 Kathode: Fe(OH)2(s) + 2 e- Fe(s) + 2 OH-(aq) +1 0 Kathode: 2 H3O+(aq) + 2 e- H2(g)+ 2H2O +2 0 Kathode: Cd(OH)2(s) + 2 e- Cd(s) + 2 OH-(aq) 4. Die Sonnenseite der Energie Versuch 6: NiFe - Akkumulator Gasentwicklung •  Überspannung

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

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

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

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