Raketentreibstoffe und die Chemie

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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) Continue reading „Raketentreibstoffe und die Chemie“