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Web Log Teil 171: 16.6.2010-20.6.2010

Mittwoch den 16.6.2010: Vorsicht: Spielverderber

Nun ist WM und die Politik berät über Sparmaßnahmen. Irgendwie kommt mir das bekannt vor. Erinnern wir uns: Die WM vor vier Jahren. Alle haben wir uns gefreut und gefeiert und als sie vorbei war - war die Mehrwertsteuer um 3 % höher. Nun fallen wieder Beratungen über Einschnitte in die WM Zeit. Ein Schelm wer arges dabei denkt.... Hier mal die intern diskutierten Sparvorschläge:

Die Politik will uns wohl jeden Spaß an Erfolgen außerhalb der Politik nehmen. Sie beschließt unangenehme Dinge immer dann, wenn man sich über andere Dinge freut. Lena holt den ESC nach Hause und Köhler tritt am nächsten Tag zurück, sodass sich die Medien nur noch mit diesem Thema anstatt dem viel erfreulicherem beschäftigen. (Hast Du echt toll gemacht Hotte: Du wirst in die Geschichte eingehen nicht nur als Bundespräsident der kaum öffentlich wahrnehmbar war, sondern auch noch den Leuten mit seinem Abgang das Leben vermiest hat). Ich nehme an wenn die WM gut verläuft und alle sich freuen, kann es auch meiner Meinung nach gut sein, dass sie am 30.6 nicht Wulff sondern Helmut Kohl zum BP wählen... Es merkt ja keiner wenn alle WM gucken ...

Zuletzt noch zur WM: Ich mache mir da Sorgen. Ich kann mich nicht erinnern, dass wir jemals so gut ins Turnier gestartet sind. Im Allgemeinen steigern sich ja deutsche Mannschaften im Turnier (oder eben nicht), aber sie beginnen nicht stark - ein böses Omen? Wer erinnert sich noch an Spanien? Das Spiel gegen Österreich? Wo wir uns 60 Minuten lang den Ball nur zugeschoben haben. Da sage doch mal einer wir mögen die Össis nicht.... Trotzdem wurden wir trotz des schlechten Anfangs Vizeweltmweister. Oder die WM 2002 - immer gerade mit 1:0 gewonnen bis man sich über leichte Gegner ins Finale gemogelt hatte. Nun sind wir stark, andere favorisierte Mannschaften wie England oder Italien fangen schwach an. Ich hoffe nur sie lassen nicht nach.

Auch bin ich mir sicher, dass wenn die WM noch so weiter geht, es die letzte WM auf afrikanischen Boden sein wird. Ja ich rede von den Vuvuzelas (warum klingen die eigentlich wie "Uwe Seelers"?). Ich kann die Argumentation, dass diese dort zum Fußball gehören nicht nachvollziehen. Sicher ist es ein Vorteil für die südafrikanische Mannschaft - zumindest bis sie einer echten Weltklasseelf gegenüberstehen. Die lassen sich durch solche Tricks dann sicher nicht aus dem Spiel bringen. Aber muss es dann auch bei den anderen Spielen dieses Brummen geben?

Ich empfinde dies nur als einen Soundteppich, der schon das Kommentieren erschwert, geschweige denn dass echte Fussballstimmung aufkommt. Es ist ja anders als Fangesang oder Schlachtenrufe ein einheitliches Geräusch, man könnte genauso gut auch ein Mikro vor einen Bienenstock positionieren und das senden. Mit Anfeuerung hat das nichts zu tun, nur mit Lärm. Auch das Stichwort "Tradition" zieht nicht: Diese Tröten sind, (wie ich schnell beim Suchen herausfand), in den neunziger Jahren in Mode gekommen, also zwischen 10 und 20 Jahre gängig. Das ist keine Tradition. Vielleicht denken die Südafrikaner auch mal weiter. Es gibt neben den Fans im Stadium auch Millionen, wenn nicht eine Milliarde an den Fernsehern und auf die macht das Land dadurch einen schlechten Eindruck. Vielleicht so einen schlechten, dass es auch die erste und letzte WM auf afrikanischem Boden war.

Donnerstag 17.6.2010: Braucht die NASA ein neues Triebwerk?

... und zwar für Schwerlastraketen auf der Basis von RP-1/LOX? Diese Frage stellte sich mir als ich bei Space Reviews diesen Artikel las. In dem dort verlinkten PDF der NASA ist wenig konkretes:

"This new rocket would take advantage of the new technology investments proposed in the budget – primarily a $3.1 billion investment over five years on heavy-lift R&D. This propulsion R&D effort will include development of a U.S. first-stage hydrocarbon engine for potential use in future heavy lift (and other) launch systems".

Nun das ist doch ein Aufhänger für Spekulationen. Also spekulieren wir. Fangen wir mal technologisch an. Bei der Ares V war ja das RS-68B vorgesehen. Das RS-68 treibt die Delta 4 an. Das RS-68B ist etwas schubstärker und soll zuverlässiger sein. Die NASA hat damals recht lange beratschlagt, was die bessere Wahl ist: Das SSME oder das RS-68. Ersteres war lange Zeit die bessere Wahl, da es ja für bemannte Einsätze entwickelt wurde. Es gab aber einige Bedenken. Zum einen ist das SSME wegen der hohen Leistung auch teuer in der Herstellung. Ein RS-68 kostete deutlich weniger trotz doppelt so hohem Schub. So wären recht viele Triebwerke für eine Schwerlastrakete benötigt worden und diese recht teuer. Das ist so ein typisches fehlgeleitetes Denken: Bei einer Schwerlastrakete, die vielleicht 10-20 mal fliegt, stehen die Entwicklungskosten in keinem Verhältnis zu den Produktionskosten. Besonders, wenn sie bemannt sein soll, weil da viel mehr Tests erfolgen als bei unbemannten Trägern. Selbst wenn die NASA also mehr für die SSME zahlen müsste, wären die Gesamtinvestitionen wohl geringer gewesen. Was aber gegen das SSME sprach, war der geringe Bodenschub von nur 1.700 KN (RS-68: 2.950 kN). So wären recht viele Triebwerke nötig gewesen und dass macht das Design recht komplex, auch wenn vielleicht ein Triebwerksausfall unwahrscheinlich ist.

Danach wurde das RS-68B favorisiert. Es versprach deutliche Kosteneinsparungen pro Triebwerk. Die (zumindest für NASA Zwecke) nicht optimale Lösung soll eine etwas verbesserte Version das RS-68B korrigieren. Es hat 5% mehr Schub und im Design gibt es zahlreiche Detailanpassungen, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Trotzdem ist es nicht wirklich "man rated": Die Ares V sollte den Lander und die Stufe zum Verlassen des Erdorbits starten, eine Ares I aber das Orion-Raumschiff mit der Besatzung.

Nun ist von einem neuen Triebwerk die Rede. Diesmal mit der Kombination RP-1/LOX (okay, Hydrocarbon könnte auch LNG/LOX sein, aber da wäre viel Entwicklungsarbeit zu leisten um von bisher vorliegenden kleinen Experimentalantrieben zu einem großen Antrieb für eine Schwelastrakete zu kommen). Der Artikel von Space Reviews spekuliert da etwas - soll eine Alternative zum RD-180 entstehen? Ich halte das bis auf eine Bemerkung - das die NASA nämlich US-Antriebe bevorzugt - für Blödsinn. Das Problem bei LOX/RP-1 ist, dass die Rakete schwerer wird weil der spezifische Impuls um etwa 30% geringer ist. Die Details hängen von den einzelnen Stufengrößen ab, aber ich habe mal eine Rechnung mit der Saturn V gemacht. Hätte man die S-IC durch eine Stufe mit LOX/LH2 ersetzt, so wöge diese nur noch 1.330 anstatt 2.240 t. Die Startmasse würde sich von 2.870 auf 1.760 t verringern, so dass sieben RS-68 für den Start ausreichen würden. Bei einer idealen Stufung und heutigen Werten für Trockenmasse und spezifischer Impuls wären es sogar nur rund 1.610 t Startmasse. LOX/RP-1 in der ersten Stufe erfordert also schubstärkere Triebwerke als LOX/LH2.

Es gibt also, wenn man die zu entwickelnde Rakete wie die Ares V nicht bemannt startet, keinen Bedarf an einem neuen Triebwerk. Diese Einschränkung ist wichtig: Denn es ist nach dem bisherigen NASA Kurs klar, dass das RS-68 dass nicht für bemannte Missionen entwickelt wurde, so einfach akzeptiert wird für den Besatzungstransport. Dafür sind viel umfangreichere Tests nötig. Hier einige Zahlen: Das F-1 Triebwerk wurde 2.471 mal getestet bevor es flugreif war. Das SSME immerhin noch 730 mal. Doch das RS-68 nur 180 mal. (Zum Vergleich: Beim Vulcain waren es 280 Tests). Also kann die NASA nun aufwendig das RS-68B für bemannte Einsätze zertifizieren oder gleich ein neues Triebwerk entwickeln. Sie hat sich wohl für die zweite Möglichkeit entschieden.

Was ich allerdings nicht verstehe, ist die Wahl der Treibstoffkombination. Technologien entwickeln sich weiter. Die USA haben in den sechziger und siebziger Jahren viel Geld investiert um Wasserstoff als Treibstoff zu erforschen und die Probleme zu lösen. Das F-1 war das letzte neue Triebwerk mit der Kombination LOX/RP-1 bis SpaceX diese Kombination wieder aufgriff. Alles danach entwickelte, das J-1, das SSME das RS-68 waren LOX/LH2 Triebwerke. Ähnliche Trends gab es in Europa und Japan. Verfügt eine Nation erst mal über die Erfahrung mit einer Technologie, so ist es unlogisch eine niederenergetische Kombination zu benutzen. Ich sage bewusst "Trend", weil z.B. die UdSSR LOX/RP-1 und lagerfähige Treibstoffe perfektioniert haben und dies mit Hochdrucktriebwerken, die praktisch alle neue Trägerraketen und ICBM seit den späten sechziger Jahren einsetzen. Doch bei den USA wäre es wohl sicher besser auf die Technologie zu setzen, die in den letzten Jahren vorwiegend genutzt wurde, und das ist LOX/LH2, zumal sie das Potential hat die Startmasse der Rakete um 40 % zu senken und damit auch den benötigten Schub für die Triebwerke.

Gibt es andere Gründe? Vielleicht denkt die NASA darüber nach, eine Alternative zum RD-180 zu haben. Doch dann gibt es andere Probleme; Das F-1 hatte einen Schub von 6.670 kN am Boden, das RD-180 nur 3.830 kN. Wenn die neue Rakete also nicht sehr viele Triebwerke einsetzen will, müssen diese deutlich schubstärker als das RD-180 sein. (Zumal ja schon die Ares V mehr Nutzlast als die Saturn V hat - für Marsmissionen wird wahrscheinlich auch eine Trägerrakete im Bereich 150-200 t LEO Nutzlast nötig sein wird). Eine 175 t LEO-Nutzlast Rakete würde wohl so ohne Booster um die 3.700 t wiegen. Bei 3830 kN Startschub wären zwölf LOX/RP-1 Triebwerke der "RD-180 Klasse" nötig für die erste Stufe. Ich glaube nicht, dass die NASA so viele Triebwerke Clustern will, das heißt die Triebwerke müssen schubstärker sein. Bei 5-6 Triebwerken also im Bereich von 7.000 - 8.000 kN Schub.

Ein Triebwerk für eine Schwerlastrakete ist also zu schubstark für eine Atlas V, wobei auch nicht gesagt ist, das Lockheed es verwenden würde - als es Forderungen der USAF gab das Triebwerk in den USA zu fertigen rechnete der Konzern vor, dass dies erheblich teurer werden würde als die Einfuhr. Bisher klappt das ganz gut, auch weil Lockheed so viele Triebwerke auf Vorrat hat, dass eine Produktionsstopp von 5 Jahren aufgefangen werden kann. Dies musste die Firma als Zugeständnis für DoD Aufträge zusagen.

Ich sehe auch andere Nachteile: Bei LOX/LH2 könnten wenn Feststoffbooster eingesetzt werden zwei Stufen ausreichen selbst für Fluchtgeschwindigkeit. Bei LOX/RP-1 sind es dagegen immer drei Stufen. Wird das Triebwerk auch für eine mittelgroße Rakete für ISS Missionen mit der Orion eingesetzt, so reichen sogar zwei Stufen. Leicht zu errechnen: Ein Triebwerk bei dem 5 Stück eine Schwerlastrakete antreiben kann in einzelner Ausfertigung eine LEO Rakete antreiben die etwa 30 t in die Umlaufbahn bringt: Genug für ein großes Raumschiff für die ISS Versorgung.

Also ich verstehe die Entscheidung nicht. Versteht ihr Sie?

Freitag 18.6.2010: Chemische Bindungen

In meinem lockeren Blog über Chemie möchte ich mich heute mal mit den drei elementaren chemischen Bindungen befassen. Zuerst einmal: Warum sollte man sich überhaupt binden? Diese Frage bewegt nicht nur Singles, sondern auch Atome. Allerdings haben Atome meistens eine sehr viel größere Entschlusskraft und entscheiden sich für eine dauerhafte Bindung, denn die die das nicht tun sind mit wenigen Ausnahmen alles Radikale - im wahrsten Sinne des Wortes.

Das Problem eines Atoms habe ich schon mal angesprochen: Es will in die ominöse Edelgaskonfiguration. Heute dazu etwas genauer. Jedes Atom verfügt über Elektronen, und zwar genauso viele wie Protonen im Atomkern. Sie werden gebraucht damit das Atom elektrisch neutral sind. Nun hat die Wissenschaft raus gefunden, dass diese Elektronen nicht einfach so wild den Atomkern umschwirren, sondern in Schalen angeordnet sind. Jeder Schale entspricht im Periodensystem eine Zeile. Beim Blick auf eines kann man erkennen, dass bislang sieben Schalen bekannt sind. Der Ausdruck "Schale" trifft zwar den physikalischen Zustand nicht genau, aber er ist hilfreich beim Verständnis der chemischen Bindungen. Diese finden nämlich nur zwischen Elektronen der äußersten Schale statt. Jede Schale ist dann noch unterteilt in Orbitale die jeweils eine bestimmte Anzahl von Elektronen aufnehmen. Wenn ein Orbital gefüllt ist, so kann dies dazu führen dass diese Elektronen keine Bindungen mehr zu anderen Atomen aufbauen wollen, also einen stabilen Zwischenzustand erreicht haben. Es kann aber dazu kommen, dass auch verschiedene Orbitale einer Schale sich zu einem neuen Orbital verbinden, der Chemiker nennt dies "Hybridisierung".

Das streben jedes Atoms ist es alle Schalen voll mit Elektronen zu haben und wenn dies nicht geht (bei höheren Elementen ist dies aufgrund der Regel, das immer mehr Elektronen pro Schale hinzukommen nicht gegeben) zumindest einige Schalen voll gefüllt zu haben. Natürlicherweise haben dies nur die Edelgase, die daher als einzige Elemente atomar vorkommen. Eine Belegung der Orbitale wie die Edelgase nennt man daher auch Edelgaskonfiguration.

Das Dumme ist nur, dass es pro Schale nur ein Edelgas gibt. Die anderen, über 100 bisher bekannten Elemente haben Elektronen in Orbitalen zu viel oder zu wenig, je nachdem wie man es sieht. Ein Atom, das nun in dieser Zwangslage ist hat ein Problem: Es braucht Elektronen oder muss eben welche abgeben. Ganz besonders übel sind Elemente mit ungerade Elektronenzahlen in einem Orbital weil diese immer paarweise besetzt werden. So was nennt man Radikale (die es aber auch bei Molekülen gibt, wenn dort ein Atom nur ein Elektron hat. Im Vergleich zu Molekülen sind aber atomare Radikale so was wie ein Vergleich zwischen Bader-Meinhof und Al-Quaida - da es bei Molekülen die Möglichkeit gibt, sich wenigstens kurzzeitig Elektronen vom Nachbaratom zu "borgen" sind diese Radikale recht gemäßigt. Atomare Radikale verbinden sich mit ziemlich allem was sie erwischen können. Molekulare Radikale sind da wählerischer in ihren Reaktionspartnern, sonst bräuchte man keine Antioxidantien.

Aber zurück zu den Atomen. Innerhalb des Periodensystems nimmt innerhalb einer Schale die Anzahl der Elektronen zu. Das erhöht die Bindung dieser an das Atom, weil der Abstand immer gleich ist, aber es immer mehr Protonen im Kern gibt. Die immer größere Zahl an Schalen wiederum führt zu einer geringeren Bindung zwischen Atomkern und Elektronen. Man kann also nach diesem Vorwissen leicht die beiden Elemente rausfinden welche Elektronen am stärksten und schwächsten binden. Die stärkste Bindung liegt in der siebten Periode (Halogene) vor, direkt vor den Edelgasen und innerhalb dieser Gruppe in der ersten Periode, also bei Fluor. Die schwächste Bindung gibt es dann beim ersten Element einer Periode, also den Alkalimetallen und dort bei dem Element mit der höchsten Periode, also beim Francium. Wir Chemiker haben dafür einen rechnerischen Zahlenwert, genannt Elektronegativität. Fluor hat einen Wert von 4,0 und Francium einen von 0,7. Alle anderen liegen dazwischen. Sauerstoff hat einen Wert vom 3,5 und Wasserstoff einen von 2,2.

Der einfachste Weg eine Verbindung zu erreichen, ist die Ionenbindung. Ein Element mit einer niedrigen Elektronegativität trifft zufällig auf eines mit einer hohen. Nun fühlt sich das Elektron in der äußeren Schale so vom Element mit der hohen Elektronegativität angezogen, dass es dem ersten Element Good-Bye sagt, einfach weil das andere Element attraktiver ist. Das ist so wie mit den Blondinen und Millionären. Trotzdem ist das erste Element zufrieden, denn dadurch dass es sein Elektron verloren hat, ist es nun plötzlich die angebrochene Schale los und hat Edelgas Konfiguration und genauso das zweite Element dass nun endlich seine Schale auffüllen konnte. Das klappt auch noch gut mit zwei Elektronen. Bei dreien wird es schon schwierig. Den mit jedem Elektron wird das abgebende Element positiver aufgeladen und das aufnehmende Element negativer. Es entstehen Ionen also Elemente die eine positive oder negative Ladung haben. Sie ziehen sich gegenseitig an und dadurch entsteht die Bindung. Mehr noch: Diese Verbindungen sind alle hochmolekular, kristallin, denn sie ziehen in einem Kristall auch die Nachbaratome mit derselben Ladung an. Das führt erst zur Stabilität des Kristalls.

Wenn der Unterschied der Elektronegativität 1,8 beträgt oder höher liegt in der Regel diese Ionenbindung vor. Die zweite Möglichkeit ist die Kommunistische: Elemente teilen sich Elektronen. Am besten geht das natürlich mit Elementen der gleichen Sorte. Sauerstoff fehlen zwei Elektronen zur Edelgaskonfiguration. Wenn zwei Sauerstoffatome aufeinander treffen, so können sie sich sich zwei Elektronen teilen und jedes Atom ist zufrieden. Es wird ein Sauerstoffmolekül gebildet wobei die gemeinsame Bindung durch die beiden Elektronen zustande kommen. Die Elektronen können auch zwischen mehreren Atomen geteilt werden, dann entstehen feste Verbindungen. Das klappt auch zwischen unterschiedlichen Partnern. Dann befinden sich die Elektronen allerdings mehr bei einem Partner, dem mit der höheren Elektronegativität. Dieser hat dann eine negative Teilladung und der andere eine positive. Dies ist eine Atombindung oder kovalente Bindung.

Zwischen diesen beiden Extremen gibt es auch Zwischenstufen, also Ionenbindungen mit kovalenten Anteilen. Sie kommen vor allem vor, wenn die Elektronegativitätsunterschied groß ist aber noch nicht so hoch wie für eine Ionenbindung nötig oder gerade diesen Wert erreicht.

Zuletzt gibt es noch einen Spezialfall. Bei den Elementen in den ersten Perioden sitzen die Elektronen so locker, dass sie relativ leicht abgelöst werden können. Wenn nun die Elektronen zwischen mehreren Atomen herumschwirren, ohne an eines fest gebunden zu werden, sind alle glücklich. Die Atomkerne haben ihre Elektronen verloren und so Edelgaskonfiguration erreicht. Die Elektronen genießen ihre Freiheit und umrunden ab und an mal ein Atom, von dem sie sich angezogen fühlen. Diese Elektronenwolke um viele Atome nennt man Metallbindung. Sie ist die Ursache, dass Metalle so gut Strom leiten, denn die Elektronen können so verschoben werden. Das klappt auch wenn verschiedene Metalle beteiligt sind und ähnliche Elektronegativitäten haben. Das nennt man dann Legierung.

So. Ich hoffe diese Erklärung lüftet etwas den Schleier über den chemischen Bindungen. Das nächste Mal geht es auch um Bindungen, allerdings zwischen Molekülen.

Samstag 19.6.2010: Die Logik in der Fiction

Jeder mag andere Genres beim Film. Ich mag am liebsten Komödien aber auch Filme, in den andere persifliert werden. Ich weiß, das viele Raumfahrt-Fans von Science-Fiction fasziniert sind. Das ist nicht bei mir der Fall. Das einzige was ich mir angeschaut habe war Raumschiff Enterprise, dass ich schon von meiner Jugend kannte. Allerdings habe ich dann bei den Fortsetzungen immer mehr den Faden verloren und so ab Deep Space Nine nicht mehr alle Folgen gesehen. Während die alten Folgen einen gewissen Charme versprühen, auch weil sie wenn man sie heute ansieht so wirklich billig produziert wurden (um Kosten zu sparen wurden z.b. Kulissen von Wildwest Filmen verwendet, weshalb die meisten Planeten dann auch Wüstenplaneten sind. Damit das Punblikum auch auf seine erwartung kam gab es daher jede Menge Prügelszenen - wie in Bonanza) so hatten sie doch Humor und Spannung. Bei den nachfolgenden wurde immer mehr ein Star-Trek Universum aufgebaut mit verwirrenden Handungssträngen die schwer zu verstehen sind wenn man es nicht regelmäßig anschaut und es wirkte irgendwie belehrend, weil Gene Roddenberry's Weltbild (oberste Direktive etc.) vermittelt werden sollten. "Nummer Eins, Energie" wurde so oft wiederholt, das das ganze mehr einem Ritual glich.

Ein Problem dass ich bei solchen Sachen habe, ist dass ich auch immer über die Sachen nachdenke und Logik suche, oder zumindest nachvollziehbare Dinge. So nervt es mich dass vieles durch irgendwelche neue Teilchen oder Elemente erklärt wird, die eben mal so auf dem Nichts auftauchen oder einerseits die Borg in einer Serie nahezu unverwundbar sind, weil jede Waffe nur einmal wirkt bis sie analysiert und Gegenmaßnahmen ergriffen werden und in einer anderen Serie kommt da eine andere Spezies und die jagdt die größten Borgschiffe mit einem Feuerstoß in die Luft. Wirklich logisch....

Vor allem fange ich aber nachzudenken. Da sind die Ferrengi hinter "Latinium" her, dass "in Gold gepresst" ist. In einer Folge werden sie beschissen und bekommen nur Gold, dass sie dann als weitgehend wertlos einstufen. Da fragt man sich natürlich was könnte das sein? Diamanten? Wohl kaum. Die sind ja nichts anderes als Kohlenstoff in anderer Form und den kann sicher eine Zivilisation dieser Große durch Pressen selbst herstellen. Latinium muss man wohl nicht in reiner Form so leicht transportieren können. Warum sonst presst man es in Gold? Nun wenn man es logisch durchdenkt muss es ein Stoff sein, der sonst unhandlich ist, z.B. eine Flüssigkeit. Und da gibt es im Periodensystem nur zwei nämlich Brom und Quecksilber. Brom scheidet aus. Es verbindet sich nicht mit Gold und würde verdampfen. Bleibt also Quecksilber, das eine Legierung mit Gold bildet. Nur warum soll es so wertvoll sein?

Verstehen sie was ich meine. Natürlich ist es Science Fiction, aber ich rechne auch gerne mal den Informationsgehalt durch, den ein Beamer transportieren müsste, würde das Prinzip gehen. Daher habe ich nicht viel Freude an Science Fiction Filmen. Ich denke zu viel darüber nach. Das gilt auch für anderes. Bei "Shawn of the Dead" fand ich das ganze ziemlich übertrieben. Okay, selbst wenn ich akzeptiere, dass Menschen zu Zombies werden können, so stimmt trotzdem einiges nicht. Menschen können nicht andere nur durch Kratzen oder Beissen tödlich verletzen. Das geht nicht. Dazu haben wir weder die Fingernägel noch das Gebiss. Noch dümmer finde ich den Ansatz uns wahrmachen zu wollen, dass die Zombis dann die Menschheit ausrotten könnten. Ich bitte sie: Wesen die auf jedes menschliche Wesen zurennen und sich bei Waffeneinsatz nicht in Sicherheit bringen? Das ist ja wie Tontaubenschießen für das Militär. Ein paar gepanzerte Fahrzeuge oder Helikopter würden ausreichen dem Spuk ein Ende zu bereiten. So war es auch in der Persiflage "Shaun of the Dead" die ich viel besser fand.

Man sollte eben keine Logik in Science-Fiction oder Horrorfilmen suchen....

Sonntag 20.6.2010: Raketentreibstoffe und die Chemie

Damit meine kleine Einführung in die Chemie nicht so trocken bleibt, will ich mal heute zeigen was man mit den schon vermittelten Kenntnissen anfangen kann. Es ist daraus nämlich schon abzuleiten, welche Elemente sich als Treibstoffe für Raketen eignen. Dazu braucht man aber noch ein bisschen Physik, in diesem Falle die Thermodynamik. In der Raketenbrennkammer wird der Treibstoff zu einem heißen Gas verbrannt, dass dann durch eine Düse expandiert wird. Welchen Schub es liefert, ist abhängig von der mittleren Geschwindigkeit der Gasmoleküle. Je schneller dieser, desto höher ist der spezifische Impuls. Die Atome prallen von den Wänden ab und erzeugen so einen Impuls und dieser ist natürlich um so höher je schneller sie sind.

Nun gibt es nur zwei Einflüsse, welche die Geschwindigkeit eines Gases beeinflussen: Die Temperatur und die Atommasse der Gase. Die Temperatur hängt wiederum von der Reaktionsenergie ab. Wir haben in der letzten Lektion durchgenommen, dass nur die äußeren Schalen an der Reaktion teilnehmen. Schauen wir uns eine Periode mal genauer an, die der Alkalimetalle: Das sind die Elemente in der vertikalen Reihe von Lithium bis Francium, wobei das letzte radioaktiv ist und nicht in nennenswerten Mengen in der Natur vorkommt. Die Energie pro Bindung ist weil sie alle ein Elektron in der äußeren Schale haben in etwa gleich. Sie ist zwar (wie man an dem Elektronegativitätsunterschied erkennen kann) etwas höher beim Cäsium als beim Lithium. Dafür wiegt ein Atom Cäsium 133 u und ein Lithiumatom 7 u (u ist eine atomare Masseneinheit entsprechend in etwa dem Gewicht eines Neutrons oder Protons). Die Energie die bei einer Bindung frei wird, verteilt sich also auf die 19 fache Masse. Daraus kann man schon eine Lehre ziehen: Die Reaktionspartner sollen möglichst leicht sein, also aus der ersten und zweiten Periode stammen, was auch bei fast allen Raketentreibstoffen der Fall ist. (Ausnahme: Chlor und Aluminium aus der dritten Periode bei festen Treibstoffen)

Die Energie einer Bindung ist nun abhängig von der Differenz der Elektronegativitäten. Diese ist wiederum abhängig von der Position im Periodensystem. Je weiter hier die Reaktionspartner auseinanderstehen je höher ist sie. So ergibt sich zwangsläufig, dass am meisten Energie frei wird, wenn ein Atom weit rechts (Fluor, Sauerstoff) mit einem Partner weit links (Wasserstoff, Lithium, Beryllium) reagiert. Es gibt nun noch zwei Dinge die das ganze beeinflussen: Mehrfachbindungen und Verbindungen. Im Prinzip ist eine Mehrfachbindung von Vorteil. Sauerstoff kann zwei Bindungen eingehen, Stickstoff drei und Kohlenstoff vier. Auch wenn eine Mehrfachbindung nicht doppelt oder dreifach so energiereich wie eine Einfachbindung ist, so ist es doch ein deutliches Plus. Das Manko ist nur: Im Normalfall muss um eine neue Mehrfachbildung geknüpft zu werden eine alte aufgebrochen werden und das kostet dann eben genauso viel Energie. So ist der Stickstoff deswegen so stabil und reaktionsträge, weil zwei Atome eine Dreifachbindung eingehen. Das Aufbrechen dieser ist so energieaufwendig, dass es technisch erst vor 100 Jahren gelang (Haber-Bosch Verfahren) - gerade noch rechtzeitig um die für Sprengstoffe nötigen Stickstoffverbindungen zu synthetisieren ohne die Deutschland den ersten Weltkrieg viel schneller hätte beenden müssen. Also eigen sich eher Stoffe die nur eine lockere Bindung haben. Das ist z.B. bei Metallen der Fall, bei denen die Elektronen nur lose an ein Atom gebunden sind. Hier liefert dann wirklich die Verbrennung eines Elements mit mehr Bindungselektronen deutlich mehr Energie als die eines mit nur einem Bindungselektron.

Das zweite sind Verbindungen. Bei Verbindungen müssen auch die Bindungen erst aufgebrochen werden. Erst dann können die Elemente weiter reagieren. Allerdings gibt es hier keine allgemeine regel. Da die meisten Elemente nicht atomar vorliegen muss auch bei Einsatz der Elemente oft eine Bindung aufgebrochen werden. Welche Bindung nun weniger Energie erfordert kann nur durch Nachschlagen ermittelt werden. In der Regel ist es allerdings so, dass viele Verbindungen energieärmer als die Elemente sind.

So grenzt sich die Suche auf wenige Kandidaten ein: Die besten Raketentreibstoffe sind Fluor und Sauerstoff als Oxidator (zweite Periode, rechts im Periodensystem) und Wasserstoff, Lithium und Beryllium (erste und zweite Periode links im Periodensystem). Wasserstoff nimmt wegen der kleinen Atommasse eine Sonderstellung ein. Er liefert mit den meisten Elementen bei der Verbrennung die höchsten spezifischen Impulse.

Für Lithium und Beryllium spricht aber auch etwas: Die Elektronegativität ist deutlich geringer (1 und 1,6 gegenüber 2,2 beim Wasserstoff) und die Elektronen sind im Metall nicht fest gebunden - es muss viel weniger Energie aufgewandt werden um die Bindung aufzubrechen. Für Beryllium spricht noch die Möglichkeit eine Doppelbindung einzugehen.

Soviel kann vorhergesagt werden. Der Rest ist dann Simulation. Es zeigt sich, dass Lithium mit Fluor viel höhere spezifische Impulse liefert (was an der niedrigen Molmasse von LIF liegt). Sauerstoff liefert, da er im Periodensystem rechts steht niedrigere spezifische Impulse als Fluor.

Reaktion Temperatur Vakuumimpuls
2 H2 + O2 3496 K 4420 m/s
2 LiH + O2 2882 K 3212 m/s
BeH2 + O2 4546 K 4249 m/s
2 BH3 + 3 O2 4111 K 4092 m/s
CH4 + 2 O2 3480 K 3700 m/s
2 NH3 + 3 O2 3017 K 3510 m/s
Reaktion Temperatur Vakuumimpuls
H2 + F2 4101 K 4816 m/s
LiH + F2 4832 K 4415 m/s
BeH2 + 2F2 5163 K 5032 m/s
BH3 + 3F2 5121 K 4522 m/s
CH4 + 4F2 3947 K 3798 m/s

Ich habe bei allen Stoffen nicht die Elemente sondern die Wasserstoffverbindungen genommen. Es gibt dafür zwei Gründe. Der erste ist das Wasserstoff als leichtes Element die mittlere molare Masse des Gases erhöht. Dass ist von Vorteil, besonders wenn die Temperatur der Verbrennung höher ist bedingt durch die höhere Energie der Verbrennung der Elemente. Der zweite ist der, dass bestimmte Verbrennungsprodukte einen hohe Kondensationspunkt haben. Der Antrieb basiert aber darauf, dass Gase einen Druck ausüben. Sobald diese kondensieren sind sie keine Gase mehr und fallen aus dem Gleichgewicht aus.

Das ist der wesentliche Nachteil von Beryllium und Lithium: Die sich bildende Oxide fallen schon bei hohen Temperaturen aus. Daher kommen in der Praxis nur Mehrstoffsysteme in die praktische Auswahl. Dabei wird Beryllium und Lithium mit einem Stoff gemischt, der einen hohen Wasserstoffgehalt aufweist. Die Verbrennungsenergie wird genutzt um den Wasserstoff aufzuheizen. Da sowohl Beryllium wie auch Lithium stabilere Bindungen zum Sauerstoff aufbauen als Wasserstoff (werden die Elemente in Wasser getaucht, so spalten sie die Bindung auf und Wasserstoff wird frei) besteht dann das Abgas aus reinem Wasserstoff und kondensierten Oxiden. Da reiner Wasserstoff eine sehr geringe Molmasse aufweist (2 anstatt 18 bei Wasser oder 44 bei Kohlendioxid) steigt der spezifische Impuls an, solange bis die zusätzliche Menge des inerten Stoffes die Temperatur des Abgases senkt, weil er nicht zur Verbrennung beiträgt.

So ist leicht zu bestimmen, dass der Treibstoff mit dem höchsten spezifischen Impuls Beryllium vermischt mit Wasserstoff und Sauerstoff als Oxidator ist - leider ist das nicht nur ein Dreistoffsystem, sondern sogar eines aus unterschiedlichen Phasen (flüssig und fest). Mal abgesehen davon das Beryllium wirklich teuer ist. Was aber denkbar wäre - zumindest für Kickstufen - wäre ein fester Treibstoff bestehend aus einem Polymer als Binder und Beryllium als Treibstoff umgesetzt mit Ammoniumperchlorat - allerdings nur wenn es gelänge das Beryllium zwar mit dem Ammoniumperchlorat zu vermischen, aber doch direkten Kontakt zu verhindern (z.B. indem das Beryllium eine Wachsschicht umgibt). ein solcher Treibsatz hätte einen spezifischen Impuls von immerhin über 3500 (abhängig von der genauen Mischung) - also höher als der von LOX/Kerosin und dies bei einem lagerfähigen Treibstoff. Die Frage ist natürlich ob jemand für diesen Vorteil die Entwicklung eines neuen Antrieb in Angriff nehmen will oder lieber Gelder in die Erforschung der Kühlung oder Rückverflüssigung von kryogenen Treibstoffen investiert (z.B. die schon bekannte Kombination LOX/LH2) die noch höhere spezifische impulse offerieren,


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