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Antreiben mit Wasserstoff

Was Jules Verne in seinem Roman 1874 als Science-Fiction beschrieb, ist heute Realität. Bei einem Raketenstart sind rund 29 Millionen PS aktiv. Die Energie für diese unvorstellbare Leistung liefert eine chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff.

 

Die unter deutscher Beteiligung gebaute Ariane 5 ist heute eine der weltweit erfolgreichsten Trägerraketen in der bemannten Raumfahrt. Konzipiert wurde das Wunderwerk der Technik, um sogenannte Nutzlasten wie Satelliten, Raumgleiter oder auch Astronauten in den Weltraum zu transportieren. Die Ariane trägt ihre Nutzlast hinter einer absprengbaren Verkleidung in der obersten Raketenstufe.

 

Zwischen Ober- und Hauptstufe sitzt das „Gehirn“ der Rakete: der Steuerungscomputer. Mit einem eigenen kleinen Antrieb versehen, kann dieser die Oberstufe im Weltraum navigieren.

 

Als Treibstoff dient Wasserstoff, der mit Sauerstoff verbrannt wird. Beide Gase werden in zwei riesigen voneinander getrennten Tanks mitgeführt. Diese bilden die Hauptstufe.

 

Eine Rakete ist nicht gerade sparsam im Verbrauch: Pro Sekunde werden rund 250 kg Treibstoff verbrannt. Um mehr Treibstoff transportieren zu können, werden die Gase so weit gekühlt, dass sie flüssig werden. Die rund 150 Tonnen Treibstoff reichen für ca. 600 Sekunden Flugzeit.

 

Für den Eintritt in den Weltraum muss die unglaubliche Geschwindigkeit von 28 000 km/h erreicht werden. Der Großteil der Beschleunigung wird durch das Haupttriebwerk erreicht. Um die Erdanziehungskraft zu überwinden, braucht die 750 t schwere Rakete noch zusätzlichen Schub. Diesen liefern zwei Zusatzraketen, die man Booster nennt. Sie sind seitlich an der Hauptstufe befestigt. Um Gewicht zu sparen, werden sie nach ca. 120 s Brennzeit abgeworfen.

 

Turbopumpen fördern über 516  Einspritzdüsen Wasserstoff und Sauerstoff in die Brennkammer des Triebwerks. Dabei sind die Düsen so konzipiert und die Pumpen so eingestellt, dass ein Mischungsverhältnis von genau zwei Teilen Wasserstoff zu einem Teil Sauerstoff entsteht. Ein Zündfunke startet beim Raketenstart die chemische Reaktion. Dabei reagiert das Gemisch explosionsartig zu Wasser. Bei der Verbrennung des Wasserstoffs in dem reinen Sauerstoff entstehen Temperaturen von über 3200 °C. Dadurch bilden sich pro Sekunde über 300 000 Liter gasförmiger Wasserdampf. Der so entstehende enorme Überdruck im Triebwerk sorgt für einen gewaltigen Rückstoß, der die Rakete vorantreibt.

Christian Lauer: Natur und Technik Chemie Gesamtband. Cornelsen Schulbuchverlage GmbH, 2016, S. 88-89.

Vom Atom zum Molekül - Die Elektronenpaarbindung

Wasserstoff und Sauerstoff reagieren sehr heftig miteinander. Um dies erklären zu können, muss man sich die Reaktion auf der Teilchenebene betrachten.

 

Jedes Element ist bestrebt bei einer chemischen Reaktion einen energetisch günstigeren (energieärmeren) Zustand zu erreichen. Einen besonders stabilen Zustand erreichen die Elemente, wenn alle Kugelwolken der äußeren Schicht voll besetzt sind. Von sich aus weisen diesen Zustand nur die Edelgase auf. Daher wird dieser Zustand häufig auch als Edelgaszustand bezeichnet.

 

Bei der Reaktion von Metallen mit Nichtmetallen gelingt dies durch die Übertragung von Elektronen (Bildung von Ionen). Bei der Reaktion von Nichtmetallen untereinander ist dies nicht möglich, da alle Reaktionspartner Elektronen aufnehmen wollen.

 

Wasserstoff-Atome besitzen beispielsweise nur ein einziges Elektron. Um den Edelgaszustand von Helium zu erreichen müsste jedes Wasserstoff-Atom ein Elektron aufnehmen. Umgekehrt ist kein Wasserstoff-Atom bereit, sein einziges Elektron abzugeben.

Um dennoch eine mit zwei Elektronen voll besetzte Kugelwolke zu erreichen, nähern sich die Atome, bis sich die Kugelwolken beider Atome durchdringen. Auf diese Weise entsteht eine gemeinsame Elektronenwolke in deren Aufenthaltsbereich sich nun die Elektronen beider Atome bewegen.

 

Beide Atome teilen sich jetzt ein gemeinsames, bindendes Elektronenpaar. Auf diese Weise entsteht eine Verbindung zwischen den beiden Atomen, die man Elektronenpaarbindung nennt. Aus zwei Wasserstoff-Atomen wird ein Wasserstoff-Molekül.

 

Das so gebildete Molekül ist energieärmer und damit auch stabiler als die ungepaarten Wasserstoff-Atome. Daher wird bei der Bildung von Elektronenpaarbindungen Energie frei.

 

Sauerstoff-Atome brauchen zwei Elektronen, um den Edelgaszustand zu erreichen. Daher durchdringen sich bei der Bildung eines Sauerstoff-Moleküls zwei Kugelwolken und es entstehen zwei gemeinsame Elektronenpaare. In diesem Fall spricht man von einer Doppelbindung.

Wenn man Wasserstoff und Sauerstoff bei Raumtemperatur mischt findet zunächst keine Reaktion statt. Ein Zündfunke liefert jedoch genug Aktivierungsenergie, um die Elektronenpaarbindungen für Sekundenbruchteile zu lösen. Dieser sogenannte Übergangszustand ist extrem instabil. Die kurzzeitig entstandenen Atome reagieren sofort wieder miteinander, um den möglichst energieärmsten und damit stabilsten Zustand zu erlangen.

 

Da Wasserstoff im Gegensatz zu Sauerstoff nur ein Elektronenpaar bilden kann, reagieren zwei Atome Wasserstoff mit einem Atom Sauerstoff. Da sowohl Wasserstoff, als auch Sauerstoff vor der Reaktion als Moleküle vorliegen, reagieren also insgesamt zwei Moleküle Wasserstoff mit einem Molekül Sauerstoff zu zwei Molekülen Wasser.

 

Wasser- Moleküle sind noch wesentlich energieärmer als die ursprünglich vorliegenden Wasserstoff- und Sauerstoff-Moleküle. Daher reagieren die am Übergangszustand vorliegenden Atome explosionsartig zu Wasser-Molekülen.

 

Die Differenz zwischen der Energiemenge der Ausgangsstoffe und der Energiemenge der Reaktionsprodukte wird als Reaktionsenergie frei. Wird bei einer chemischen Reaktion Energie frei, so bezeichnet der Chemiker dies als eine exotherme Reaktion.

 

Liegt die Energiemenge der Reaktionsprodukte höher als die Energiemenge der Ausgangsstoffe, dann muss der Reaktion mehr Energie zugeführt werden, als bei der Reaktion frei wird. In diesem Fall spricht der Chemiker von einer endothermen Reaktion.

 

 

Reaktionen bei denen mehr Energie frei wird als zugeführt werden muss bezeichnet man als exotherm.

 

Reaktionen bei denen mehr Energie zugeführt werden muss als frei wird bezeichnet man als exotherm.