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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

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Presentation Transcript
slide1

Chemie der

  • Raumfahrt

Experimentalvortrag (AC)

Christoph Roßbach

gliederung
Gliederung
  • Geschichte der Raumfahrt
  • Die Luft zum Atmen
  • Kein Leben ohne Wasser
  • Die Sonnenseite der Energie
  • Schulrelevanz
gliederung1
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
slide5

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

slide6

1. Geschichte der Raumfahrt

Meilensteine der Raumfahrt

Internationale Raumstation ISS

  • Kalter Krieg (1945 - 1990)
  • beteiligte Länder
gliederung2
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
slide9

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 ros
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)
versuch 1

2. Die Luft zum Atmen

Versuch 1

Elektrolyse von Wasser

slide13

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

slide14

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
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)
versuch 2

2. Die Luft zum Atmen

Versuch 2

Sauerstoffdarstellung aus KClO3

slide17

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)

kclo 3
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)
slide19

2. Die Luft zum Atmen

Das Lebenserhaltungssystem

  • Luftverschmutzung
    • Materialabgasungen
    • Lecks
    • auslaufende Flüssigkeiten
    • Körperausdünstungen
  • Luftreinigung
    • kalte, trockene Luft
    • Luftfilter
    • LiOH - Kanister
demo 1

2. Die Luft zum Atmen

Demo 1

CO2 - Springbrunnen

slide21

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

gliederung3
Gliederung
  • Geschichte der Raumfahrt
  • Die Luft zum Atmen
  • Kein Leben ohne Wasser
  • Die Sonnenseite der Energie
  • Schulrelevanz
wasseraufbereitung und management
Kondenswasser

Feststoffabfälle

Abwässer

Ziel

Recycling aller Abwässer

3. Kein Leben ohne Wasser

Wasseraufbereitung- und management
versuch 3

3. Kein Leben ohne Wasser

Versuch 3

Reinigung von Wasser durch Licht

slide25

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
slide26

3. Kein Leben ohne Wasser

Versuch 3: Reinigung von Wasser durch Licht

Photo - Fenton - Reaktion

slide27

3. Kein Leben ohne Wasser

Versuch 3: Reinigung von Wasser durch Licht

Zersetzung der Ameisensäure

slide28

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

Katalysator

H2O2

3. Kein Leben ohne Wasser

Versuch 3: Reinigung von Wasser durch Licht

Bezug zur Raumfahrt
gliederung4
Gliederung
  • Geschichte der Raumfahrt
  • Die Luft zum Atmen
  • Kein Leben ohne Wasser
  • Die Sonnenseite der Energie
  • Schulrelevanz
bau der iss

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
slide33

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
slide34

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

slide36

4. Die Sonnenseite der Energie

Bau der ISS

2001 2007

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

Bau der ISS

bei Fertigstellung (Stand 2006)
gr tzel solarzelle
Michael Grätzel

1990er (Schweiz)

Patent: 1992

Aufbau

4. Die Sonnenseite der Energie

Versuch 5: Grätzel - Solarzelle

Grätzel – Solarzelle
slide40

4. Die Sonnenseite der Energie

Versuch 5: Grätzel - Solarzelle

slide41

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

orbitale Dunkelheit: Ø 45 min

 NiCd - Akkumulatoren (RUS)

 NiMH - Akkumulatoren (USA)

4. Die Sonnenseite der Energie

Bau der ISS

Energiespeicher
slide44

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-
slide45

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
+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
gasentwicklung1
+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
gliederung5
Gliederung
  • Geschichte der Raumfahrt
  • Die Luft zum Atmen
  • Kein Leben ohne Wasser
  • Die Sonnenseite der Energie
  • Schulrelevanz
schulrelevanz

5. Schulrelevanz

Schulrelevanz
  • 7G 2.1 Luft
    • Quantitative Zusammensetzung
  • 7G 2.2 Wasser und Wasserstoff
    • Wasserstoff als Energieträger
  • 8G 3.3 Elektrolyse
schulrelevanz1

5. Schulrelevanz

Schulrelevanz
  • 10G 1.2 Ausgewählte Redoxreaktionen
    • Elektrochemische Spannungsquellen
    • Elektrolyse (Redoxvorgänge)
  • 10G 2.4 Methanol
    • als Treibstoffzusatz
  • 11G fakultativ
    • Farbstoffe (Struktur und Lichtabsorption)
schulrelevanz2

5. Schulrelevanz

Schulrelevanz
  • 12G Wahlthema Angewandte Chemie
    • natürliche Farbstoffe und Pigmente
    • Abwasseranalytik und –aufbereitung
  • 12G Wahlthema Elektrochemie
    • elektrochemische Spannungsreihe
    • Galvanische Elemente, elektrische Stromerzeugung
    • Elektrolyse
schulrelevanz3

5. Schulrelevanz

Schulrelevanz
  • Projektarbeit im FÜU („Die ISS“)
    • Politik
      • Internationales Gesetz
      • Internationale Zusammenarbeit
    • Geschichte
      • Kalter Krieg
schulrelevanz4

5. Schulrelevanz

Schulrelevanz
  • Projektarbeit im FÜU („Die ISS“)
    • Biologie
      • Muskeln
      • Pflanzenwachstum, -physiologie
    • Physik
      • Gravitation
      • Vakuum
versuch 2 co 2 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

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
slide61

4. Die Sonnenseite der Energie

NiMH – Akku (Micro)

NiCd – Akku

(Mignon)

demo 2

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-
slide64

4. Die Sonnenseite der Energie

Demo 2: NiMH - Akkumulator

Laden

Gesamtreaktion

+2 +1 0 +1 -1 +3

Ni(OH)2(s) + M(s)MH(s)+ NiOOH(s)

Entladen

  • Theoretische Spannung: 1,35 Volt
  • Speicherlegierungen
    • AB2 AB3 AB5
    • LaMg2Ni LaMg2NiH7