{"id":11064,"date":"2015-05-03T00:14:51","date_gmt":"2015-05-02T22:14:51","guid":{"rendered":"http:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=11064"},"modified":"2015-05-02T13:19:04","modified_gmt":"2015-05-02T11:19:04","slug":"lohnt-sich-ammoniak-als-alternative-zu-methan","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2015\/05\/03\/lohnt-sich-ammoniak-als-alternative-zu-methan\/","title":{"rendered":"Lohnt sich Ammoniak als Alternative zu Methan?"},"content":{"rendered":"<p>Auf diese Frage gibt es zwei Antworten. Eine kurze f&uuml;r alle die sich nicht mit einem Thema auseinandersetzen wollen und gewohnt sich Informationen als &#8222;Wissenshappen&#8220; zu konsumieren. Die zweite f&uuml;r die die etwas differenziert betrachten wollen und auch verstehen wollen.<\/p>\n<p>Also die Antwort f&uuml;r die erste Gruppe lautet &#8222;Nein&#8220;. Die die damit zufrieden sind k&ouml;nnen jetzt weitersurfen.<!--more--><\/p>\n<p>So, und nachdem wir nun alle unter uns sind und alle SpaceX Fans, die irrt&uuml;mlicherweise wegen dem Methan in der Titelzeile auf die Seite gekommen sind, weitergesurft sind, betrachten wir es genauer.<\/p>\n<p>Ammoniak ist eine Stickstoff-Wasserstoffverbindung und damit verwandt mit den Hydrazinen. Es sollte also genauso gut als Raketentreibstoff nutzbar sein und wurde bei fr&uuml;hen Versuchen auch eingesetzt. Ammoniak verh&auml;lt sich zu Hydrazin wie Methan zu Kerosin: es ist der einfachste Vertreter seiner Reihe. Wie Methan ist es auch bei Notmaltemperaturen gasf&ouml;rmig. Damit kann man einen Vergleich machen.<\/p>\n<p>Warum ich schon ohne gro&szlig;es Nachdenken auf ein &#8222;Nein&#8220; komme, ist eine einfache Regel: Bei den meisten Treibstoffen liefert der in den Molek&uuml;len enthaltene Wasserstoff die meiste Energie. Das bei der Verbrennung mit Sauerstoff entstehende Wasser ist ein sehr stabiles Molek&uuml;l. Nicht umsonst findet man es fast &uuml;berall im Sonnensystem. Dagegen sind Ammoniak und Methan als die analogen Wasserstoffverbindungen der beiden Elemente links vom Sauerstoff bei Erde und Mars instabil. Es liegt also nicht nur am Sauerstoff, denn sonst w&uuml;rde Methan das man inzwischen auf dem Mars nachgewiesen hat dort nicht verloren gehen.<\/p>\n<p>Bei dem Kohlenstoff ist es z.B. so, das reiner Kohlenstoff eine Verbrennungsenergie von 29 MJ\/kg hat, niedere Kohlenwasserstoffe in etwa 46 MJ\/kg und reiner Wasserstoff 143 MJ\/kg.<\/p>\n<p>Nun enth&auml;lt Ammoniak 17,6% Wasserstoff, Methan dagegen 25%. Daher ist die Verbrennungsenergie kleiner: 18,6 MJ\/kg gegen&uuml;ber 56 MJ bei Methan. Bedeutend ist aber das mehr leichte Molek&uuml;le entstehen:<\/p>\n<p>4 NH<sub>3<\/sub> + 3 O<sub>2<\/sub> \u2192 2 N<sub>2<\/sub> + 6 H<sub>2<\/sub>O<\/p>\n<p>CH<sub>4<\/sub> + 2 O<sub>2<\/sub> \u2192 CO<sub>2<\/sub> + 2 H<sub>2<\/sub>O<\/p>\n<p>Bei Kohlenwasserstoffen entsteht als Verbrennungsprodukt Kohlendioxyd. Der Ammoniak verbrennt bei hinreichend hoher Temperatur zu Stickstoff. Das kann man chemisch leicht begr&uuml;nden. Zum einen sind die beiden Atome im Stickstoffmolek&uuml;l durch eine Dreifachbindung verbunden, die sehr stabil ist. Kohlenstoff hat zwar vier freie Elektronen zum Eingehen von Verbindungen, verbindet sich aber damit mit vier Nachbaratomen. Entsprechend leichter ist die Verbindung zu knacken. Weiterhin hat der Kohlenstoff eine geringere Elektronegativit&auml;t und daher eine h&ouml;here Affinit&auml;t zum Sauerstoff. Das Verbrennungsprodukt Kohlendioxyd liefert weitere Energie, ist aber auch ein schweres Molek&uuml;l.<\/p>\n<p><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" style=\"float: left;\" src=\"\/img\/Methan-Ammoniak.png\" alt=\"\" width=\"529\" height=\"294\" \/>Doch die Performance kann man bestimmen. Anbei ein Diagramm der theoretischen spezifischen Impulse. Das st&ouml;chiometrische Verh&auml;ltnis zum Sauerstoff betr&auml;gt bei Methan 4, bei Ammoniak nur 1,41. Das folgende Diagramm gibt die spezifischen Vakuumimpulse (als Mittel aus eingefrorenem und freiem Gleichgewicht) f&uuml;r eine Oberstufe mit 30 Bar Brennkammerdruck und einer D&uuml;se mit einem Expansionsverh&auml;ltnis von 120 wieder. Das sind relativ geringe technische Anforderungen die leicht &uuml;bertroffen werden k&ouml;nnen. (Vinci: 60\/240, Merlin 1D: 90\/117)<\/p>\n<p>Man sieht das Methan deutlich besser liegt. Die Spitze liegt bei Methan bei 3608 m\/s, Ammoniak kommt auf maximal 3430 m\/s. Weiterhin ist der spezifische Impuls abh&auml;ngiger von dem Mischungsverh&auml;ltnis. Die Differenz von rund 180 m\/s und auch der absolute Wert liegen aber nicht so hoch wie beim Vergleich Kerosin\/Methan.<\/p>\n<p>Doch das ist nur ein Aspekt. Ammoniak ist zwischen -33 und -77 Grad fl&uuml;ssig. Dieser Temperaturbereich und auch die absolute Temperatur liegen h&ouml;her als bei Methan (-182 \/ -162\u00b0C). Auch die Dichte von 0,77 g\/cm\u00b3 ist h&ouml;her als bei Methan (0,42 g\/cm\u00b3). Das bedeutet: geringen Aufwand bei der K&uuml;hlung und kleinere Tanks. Die Dichte des Gemisches ist dagegen fast gleich, da man wesentlich weniger Methan als Ammoniak braucht.: beim h&ouml;chsten spezifischen Impuls (Ammoniak\/Sauerstoff = 1: 1,4, Methan\/Sauerstoff 1:3,5): 0,89 g\/cm\u00b3 bei LOX\/Methan und 0,92 g\/cm\u00b3 bei LOX\/Ammoniak.<\/p>\n<p>Was folgt daraus? Ammoniak k&ouml;nnte, wenn man k&uuml;hlen kann, eine Alternative bei lagerf&auml;higen Treibstoffen sein. Bei etwas h&ouml;herem Druck (6 Bar) kann man es bei normalen Temperaturen fl&uuml;ssig halten. Denkbar ist auch der Einsatz f&uuml;r Oberstufen, die dann ein geringeres Risiko haben das der Treibstoff verdampft. Gegen&uuml;ber LOX\/RP1 und NTO\/Hydrazinen hat die Kombination in jedem Falle Vorteile, doch geht heute der Trend dazu dass man dann gleich zum noch etwas leistungsf&auml;higerem Methan &uuml;bergeht.<\/p>\n<p>Was der Vorteil der Kombination aber ist: es ist ein &#8222;Green-Fuel&#8220;, das ist ja der Trend. Allerdings auch vor allem bei Satelliten (bei Tr&auml;gerraketen gibt es ja kaum noch im Westen Typen die Hydrazine oder Stickstofftetroxyd einsetzen, nur in China und Russland h&auml;ngt man dieser Technologie noch nach) und da wird das Fl&uuml;ssighalten des Sauerstoffs doch problematisch. Man k&ouml;nnte es mit Lachgas verbrennen, doch das ist ein anderes Thema.<img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" src=\"http:\/\/vg09.met.vgwort.de\/na\/d03a75bbdea34f04afbffdb9950a43dc\" width=\"1\" height=\"1\" alt=\"\"\/><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Auf diese Frage gibt es zwei Antworten. Eine kurze f&uuml;r alle die sich nicht mit einem Thema auseinandersetzen wollen und gewohnt sich Informationen als &#8222;Wissenshappen&#8220; zu konsumieren. Die zweite f&uuml;r die die etwas differenziert betrachten wollen und auch verstehen wollen. Also die Antwort f&uuml;r die erste Gruppe lautet &#8222;Nein&#8220;. 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