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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