Protokoll ()
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Philipps-Universität Marburg Fachbereich Chemie Übungen im Experimentalvortrag Leitung: Prof. Dr. B. Neumüller, Dr. Ph. Reiß Sommersemester 2007 Hinweis: Dieses Protokoll stammt von der Seite www.chids.de (Chemie in der Schule). Dort können unterschiedliche Materialien für den Schulunterricht heruntergeladen werden, unter anderem hunderte von Experimentalvorträgen so wie der vorliegende: http://www.chids.de/veranstaltungen/uebungen_experimentalvortrag.html Experimentalvortrag AC Chemie der Raumfahrt vorgelegt von: Christoph Roßbach Alter Kirchhainer Weg 30 35039 Marburg e-mail: [email protected] Fächer: Chemie / Biologie Inhaltsverzeichnis 1. Geschichte der Raumfahrt S. 3 2. Die Luft zum Atmen S. 4 Versuch 1: Elektrolyse von Wasser S. 6 Versuch 2: Sauerstoffdarstellung aus KClO3 S. 9 Demo: CO2 -Springbrunnen S. 11 3. Kein Leben ohne Wasser Versuch 3: Reinigung von Wasser durch Licht 4. Die Sonnenseite der Energie S. 14 S. 15 S. 17 Versuch 4: Brennstoffzelle S. 18 Versuch 5: Grätzel-Solarzelle S. 27 Versuch 6: NiFe-Akkumulator S. 34 5. Fazit und Schulrelevanz S. 38 6. Abbildungsverzeichnis S. 39 7. Literatur S. 39 2 1. Geschichte der Raumfahrt Die Raumfahrt ist mit ihren 66 Jahren heute noch eine junge Disziplin, deren Meilensteine hier kurz dargestellt werden sollen. Auch für den Unterricht eignen sich diese markanten Eckdaten in ihrer Verwendung für Unterrichtseinstiege als Interesse fördernde Zwischensequenzen und im fächerübergreifenden Unterrichtskonzept. Am 3. Oktober 1942 dringt von Peenemünde aus die erste Rakete in den Weltraum vor. Es handelt sich dabei um eine so genannte Vergeltungswaffe 2 (V2)-Rakete, die ihren Namen vom damaligen Reichsminister für Volksaufklärung und Propaganda Joseph Göbbels erhält. Es folgen Raketenstarts mehrerer Länder, die in den darauf folgenden Jahren auch Satelliten in die Erdumlaufbahn befördern. Der Sowjetunion gelingt es als erstes mit der Hündin Laika am 3. November 1957 (Sputnik 2) ein Lebewesen zunächst unbeschadet in den Weltraum zu befördern. Zwar stirbt sie bereits einige Stunden nach dem Start, die Erkenntnisse aus dieser Mission ebnen jedoch den Weg für die erste Weltraummission mit menschlicher Besatzung. Am 12. April 1961 fliegt Juri Alexejewitsch Gagarin mit der Wostok 1 als erster Mensch in das Weltall und kommt unversehrt wieder zurück. Auch das Rennen um den ersten Weltraumspaziergang und die erste Abb. 1: J.A. Gagarin. Erster Mensch im Weltall weiche Landung auf einem anderen Himmelskörper geht vor den US-Amerikanern an die Sowjetunion. 18. März 1965: der erste Mensch Alexei Leonow verlässt ein Raumschiff (Woschod 2) und schwebt frei im Weltraum. Kommandant ist Pawel Beljajew. 3. Februar 1966: Luna 9 absolviert von sowjetischem Staatsgebiet ausgehend eine weiche Landung auf dem Mond. Das wohl bekannteste Datum der Raumfahrtgeschichte wird jedoch der 16. Juli 1969. Die Apollo 11-Mission startet zur ersten Mondlandung mit menschlicher Besatzung. In einem auf der ganzen Erde übertragenen Medienspektakel inszeniert, gelingt es den USA vor der UdSSR einen Menschen die ersten Schritte auf dem Mond gehen zu lassen. Neil Abb. 2: Erste bemannte Mondlandung Armstrong betritt am 20. Juli 1969 als erster Mensch den Erdtrabanten, gefolgt von Buzz Aldrin. Michael Collins fliegt das Apollo-Mutterschiff. Es ist wohl der größte außermilitärische Sieg, den die USA 3 über die sowjetische „Konkurrenz“ in den Zeiten des Kalten Krieges erzielen kann. Mit dem kalten Krieg kam der Raumfahrt schon sehr früh vor allem eine massenpsychologische und propagandistische Bedeutung zu. Neben dem offensichtlichen militärischen Wert wurde sie von den Zeitgenossen als Messlatte für die Leistungsfähigkeit und Fortschrittlichkeit der konkurrierenden Systeme USA und Sowjetunion wahrgenommen. In den 70er und 80er Jahren gelingt es beiden, den anderen in wichtigen Raumfahrtmissionen zu übervorteilen. So kann die Sowjetunion am 15. Dezember 1971 mit der Venera 7 die erste weiche Landung auf einem anderen Planeten, der Venus durchführen. Auf der anderen Seite sind die USA ab dem 12. April 1981 als erstes in der Lage ein wieder verwendbares Raumschiff einzusetzen. Das Space Shuttle Columbia startet zu seinem Erstflug und landet zwei Tage später planmäßig in Florida, von wo aus es zu seinem Flug ins Weltall aus gestartet war. Nach dem Ende des kalten Krieges, in dessen Verlauf neben Wettrüsten auch ein wahrer Wettstreit in der Raumfahrt ausgefochten wurde, stand einer internationalen Zusammenarbeit für die Errichtung einer gemeinsamen Raumstation nichts mehr im Weg. 20. November 1998: Mit dem Start des russischen Sarja-Moduls beginnt der Aufbau der Internationalen Raumstation (ISS), dem bisher größten Projekt in der Raumfahrt. An Erforschung, Entwicklung und Bau der ISS sind bis heute die Raumfahrtagenturen der USA (NASA), von Abb. 3: Emblem der ISS Russland (Roskosmos), Europa (ESA), Brasilien (AEB), Canada (CSA) und Japan (JAXA) beteiligt. 2. Die Luft zum Atmen Eines der wichtigsten Systeme an Board der ISS ist das Environmental Control and Life Support System (ECLSS). Ohne es wäre ein Überleben der Besatzung überhaupt nicht möglich. Das ECLSS übernimmt folgende Aufgaben: - Bereitstellung und Kontrolle der Kabinenatmosphäre (liefert konstanten Luftdruck und ähnliches Verhältnis von O 2 und N2, wie es in der Erdatmosphäre vorhanden ist) - Aufarbeitung der Atemluft 4 (Entfernung von CO2 und Schadstoffen aus der Luft) - Kontrolle und Regelung der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit - Feuermeldeanlage und Feuerbekämpfung (Überwachung der Luft auf Verbrennungsprodukte, automatische Feuerbekämpfung) - Wasseraufarbeitung und -management (sammelt, verarbeitet und speichert Wasser, sowie Abwässer aus LaborVersorgungs- und Hygienebereich) Eine Übersicht liefert folgende Skizze des Umwelt- und Lebenserhaltungssystems der Internationalen Rumstation: Abb. 4: Environmental Control and Life Support System (ECLSS) Die verschiedenen Aufgaben werden sowohl auf russische, wie auch auf amerikanische Segmente der Raumstation aufgeteilt. Mit dem Zusammenschluss beider Segmente wird es 2009 möglich sein, die bisher dreiköpfige Besatzung auf sechs Mitglieder aufzustocken. Ein zukunftweisendes Beispiel wissenschaftlicher Zusammenarbeit nach 45 Jahren des Kalten Krieges. Das Russian Orbital Segment (ROS) übernimmt die Hauptverantwortung für die Kabinenatmosphäre. Es ist ausgestattet mit unterschiedlichen Tanks, die mit den Gasen Luft, N2 oder O2 gefüllt sind. Der Crew ist eine manuelle Steuerung aller Tanks zu jeder Zeit möglich. Primär 5 wird jedoch der Sauerstoff der Kabinenatmosphäre durch „Elektron“ zur Verfügung gestellt. Hierbei handelt es sich um ein Gerät, dass Wasser durch Elektrolyse in H2 und O2 spaltet. Das Wasserstoffgas wird als „Abfallprodukt“ über Bord ventiliert. Versuch 1 Elektrolyse von Wasser Versuchsbeschreibung: Materialien: Netzteil, 2 Kabel, 2 Krokodilklemmen, 2 lange Graphitelektroden, 2 Reagenzgläser, 2 Glastrichter, Becherglas (1000 mL), Stativmaterial Chemikalien: Wasser (H2O) (ention.) Gefahrensymbol: R: - Natriumsulfat (Na2SO4) S: - Gefahrensymbol: R: - Durchführung: In das mit Wasser Spatelspitzen S: - befüllte Natriumsulfat Becherglas werden wenige gegeben. Die beiden Graphitelektroden werden durch das Stativmaterial befestigt und etwa 3 cm schräg ins Wasser eingetaucht. Über die Krokodilklemmen und die Kabel werden die Elektroden mit dem Netzteil verbunden, welches auf Gleichstrom eingestellt ist. Die beiden Reagenzgläser werden im Becherglas mit Wasser befüllt, so dass sich keine Luft mehr in ihnen befindet. Sie werden mit der im Wasser verbleibenden Öffnung nach unten am Stativmaterial so befestigt, dass sich die Öffnung oberhalb der Elektrodenspitze befindet. Es ist darauf zu achten, dass keine Luft in die Reagenzgläser gelangt. Die beiden Glastrichter werden mit dem Trichterhals voran in die Reagenzgläser gesteckt. Auf diese Weise können die entstehenden Gasen leichter in die Reagenzgläser gelangen. Am Netzteil wird eine 6 Spannung von 15 V angelegt und solange elektrolysiert, bis kein Wasser mehr in den Reagenzgläsern enthalten ist. Beobachtung: Nach wenigen Sekunden ist an beiden Elektroden eine Gasentwicklung zu beobachten. Zur Bestimmung der Gase werden die Reagenzgläser mit dem Daumen verschlossen und von der Apparatur abgetrennt. Mit dem an der Kathode entstandenen Gas führt man die Knallgasprobe, mit dem an der Anode entstandenen Gas die Glimmspanprobe durch. Das an der Kathode entstandene Gas ist brennbar, die Knallgasprobe verläuft positiv. Auch mit dem an der Anode entstandenen Gas verläuft der Nachweis positiv. Der glimmende Span leuchtet hell auf, wenn man ihn in das Reagenzglas fallen lässt. Auswertung: Bei der Elektrolyse von Wasser werden nicht die Wassermoleküle direkt umgesetzt. Es können nur die Oxonium- und Hydroxid-Ionen reduziert bzw. oxidiert werden. Die geladenen Teilchen wandern im elektrischen Feld, welches durch die Gleichstromquelle erzeugt wird, zur Kathode bzw. Anode. Eigendissoziation von Wasser: H3O+(aq) + OH-(aq) 2 H2O Die Eigendissoziation von Wasser ist relativ gering verglichen mit starken Säuren. Wasser ist eine schwache Säure mit einem pKs-Wert von pKs(H2O) = 15,74. Reines Wasser hat einen pH-Wert von pH(H2O) = 7. Es liegen also nur 10-7 mol Oxoniumbzw. Hydroxid-Ionen (siehe Eigendissoziation) in einem Liter Wasser vor. Die IonenKonzentration ist damit zu gering, um ein stabiles elektrisches Feld bei der Elektrolyse aufzubauen. Zur Erhöhung der Leitfähigkeit wird etwas Natriumsulfat zum Wasser zugesetzt. Natrium hat gegenüber Wasserstoff ein viel geringeres Reduktionspotential, daher wird kein elementares Natrium gebildet. Auch die SulfatIonen werden nicht zu Schwefeldioxid reduziert, da auch hier das Reduktionspotential der Reaktion von Oxonium-Ionen zu Di-Wasserstoff einen höheren Wert annimmt. Ersichtlich wird diese Beziehung in der Reaktion von 7 Schwefelsäure mit allen Metallen, die ein negatives Standardpotential besitzen. Es werden immer nur die Metalle zu Metallsulfaten oxidiert und Oxonium-Ionen zu DiWasserstoff reduziert. Problematisch würde es werden, wenn man statt Natriumsulfat das besser lösliche Natriumchlorid verwenden würde, um die Leitfähigkeit zu erhöhen. In diesem Fall würde neben Sauerstoff noch ein weiteres Element in seiner reduzierten Form vorliegen. Das Redoxsystem von Chlorid-Ionen zu elementarem Chlor hat ein nur wenig größeres Standardpotential als das von reduziertem Sauerstoff zu Sauerstoff in seiner elementaren Form. Es würde bei der Elektrolyse neben Di-Sauerstoff auch Chlorgas entstehen. Durch die Elektrolyse von Wasser erhalten wir Wasserstoff und Sauerstoff in sehr reiner Form. An der Kathode werden die dissoziierten Oxonium-Ionen zu Wasserstoff reduziert. An der Anode Hydroxid-Ionen zu Sauerstoff oxidiert. +1 H3O+(aq) + Kathode 4 Anode 4 OH-(aq) 0 4 e- -2 Gesamt 4 +1 2 H2(g) + 4H2O 0 -2 O2(g) + 2 H2O + 4 e- +1 -2 -2 +1 H3O+(aq) + OH-(aq) 4 0 0 +1 -2 2 H2(g) + O2(g) + 6 H2O Aus zwei Mol Wasser erhalten wir bei der Elektrolyse 3 Mol „Spaltgas“. Volumenverhältnis 2 H2O 2 H2(g) + O2(g) Wasserstoff lässt sich mit Sauerstoff in der Knallgasprobe wieder zu Wasser oxidieren. Die sehr exotherme Reaktion bedarf lediglich einer Aktivierungsenergie. Diese wird leicht aufgebracht, indem das Gasgemisch mit einem Feuerzeug entzündet wird. Sauerstoff lässt sich sehr einfach und anschaulich in der Glimmspanprobe nachweisen. Sauerstoff ist zwar kein brennbares jedoch ein brandförderndes Gas. Der glimmende Holzspan leuchtet in reinem Sauerstoff viel heller als in Luft, da die Reaktion (Verbrennung von Holz) hier viel schneller und heftiger abläuft. Das US Orbital Segment (USOS) ist ausgestattet mit 4 Hochdrucktanks. Zwei sind mit Di-Sauerstoff, die anderen beiden mit Di-Stickstoff gefüllt. Alle Tanks können 8 durch Versorgung der Shuttleflüge immer wieder neu aufgefüllt werden. Nötig ist dazu ein Kompressor an Board der ISS, da das Gas in den Shuttletanks einen geringeren Druck aufweist. Auch ein Austausch kompletter Tanks ist möglich. Die Überwachung und Regelung von Luftdruck und -zusammensetzung erfolgt hier automatisch mittels Massenspektroskopie. Bei Kabinenhochdruck oder in Notfällen wird eine Druckverminderung der Gasatmosphäre in der Kabine eingeleitet. Ein zusätzlicher Sauerstoffbedarf wird hier durch Feststoffkartuschen ermöglicht. Während der gesamten Aufbauphase der ersten Module wurde der Sauerstoffbedarf ausschließlich über diese Feststoffreaktion gedeckt. Versuch 2 Sauerstoffdarstellung aus KClO3 Versuchsbeschreibung: Materialien: Bunsenbrenner, Reagenzglas (schwer schmelzbar), mit Aluminiumfolie umwickelter Korkstopfen mit Glasrohr, PVCSchlauch, pneumatische Wanne, Standzylinder, Stativmaterial Chemikalien: Kaliumchlorat (KClO3) Gefahrensymbol: O, Xn, N R: 9-20/22-51/53 S: 2-13-16-27-61 Mangan(IV)-oxid (MnO2) Gefahrensymbol: Xn R: 20/22 Durchführung: S: 2-25 Es werden 10 g Kaliumchlorat mit 6 g Mangan(IV)-oxid-Pulver gemischt und in das Reagenzglas gegeben. Das Reagenzglas wird schräg über dem Bunsenbrenner eingespannt. Das Glasrohr im durchbohrten Korkstopfen wird mit dem PVC-Schlauch verbunden. Das andere Ende des Schlauchs wird in die mit Wasser befüllte pneumatische Wanne gelegt. Der Standzylinder wird komplett mit Wasser befüllt und mit der Öffnung nach unten in die pneumatische Wanne gestellt, wobei das Schlauchende in den Zylinder ragt. Das Gemenge wird leicht erhitzt. 9 Beobachtung: Nach kurzer Zeit beginnt das Gemenge zu schmelzen und Blasen zu schlagen. Das entweichende Gas wird über den Standzylinder aufgefangen. Es wird die Glimmspanprobe durchgeführt, welche positiv verläuft. Auswertung: Das beim Erhitzen von Kaliumchlorat entstehende Gas ist Sauerstoff. Durch die thermische Zersetzung wird das Chlorat zu Chlorid reduziert und Di-Sauerstoff oxidiert. +5 -2 -1 2 KClO3(s) 0 2 KCl(s) + 3 O2(g) Die Reaktion verläuft über ein Zwischenprodukt. Bei stetigem Erhitzen schmilzt Kaliumchlorat etwa bei 370 °C. Sind ca. 400 °C erreicht disproportioniert es zu Kaliumchlorid und Kaliumperchlorat. +5 -1 4 KClO3(s) +7 KCl(s) + 3 KClO4(s) Kaliumperchlorat als Zwischenprodukt zerfällt bei über 500 °C in Kaliumchlorid und Sauerstoff nach folgender Reaktionsgleichung: +7 -2 +1 KClO4(s) 0 KCl(s) + 2 O2(g) Setzt man Mangan(IV)-oxid als Katalysator ein, beginnt der Zerfall bereits bei etwa 150 °C. Die Reaktion verläuft vermutlich über das intermediär gebildete Mangan(VI)oxid, welches sehr instabil ist und sich sofort wieder zu Mangan(IV)-oxid und Sauerstoff zersetzt. +5 -2 +4 -2 2 KClO3(s) + 6 MnO2(s) -1 +6 -2 2 KCl(s) + 6 „MnO3“ -1 +4 -2 0 2 KCl(s) + 6 MnO2(s) + 3O2(g) Kaliumchlorat ist im Gegensatz zu Natriumchlorat nicht hygroskopisch und damit als Feststoff für die Sauerstoffdarstellung besonders geeignet. Ob nun in der Raumfahrt und speziell an Board der ISS wirklich Kaliumchlorat, das leichtere Lithiumchlorat oder ein anderer Feststoff in den Kartuschen verwendet wird, konnte ich mit meinen Recherchen leider nicht herausfinden. 10 Nicht nur der Sauerstoff- oder Stickstoffgehalt der Atemluft muss ständig reguliert werden. Die Luft muss zusätzlich gereinigt werden, da sie ständig einer Verschmutzung durch Materialabgasungen, Lecks, auslaufenden Flüssigkeiten und Körpersausdünstungen ausgesetzt ist. Hierzu muss die Luft zunächst in den Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsreglern abgekühlt und getrocknet werden, bevor die Verschmutzungen in mehreren kombinierten Filtersystemen gereinigt werden kann. Hierbei werden Staub, Keime, anorganische und organische Kontaminanten aus der Luft entfernt. Ausgeatmetes Kohlendioxid wird in Lithiumhydroxid-Kanistern gesammelt. Demo CO2 -Springbrunnen Versuchsbeschreibung: (Vorversuch) Materialien: Tropftrichter (250 mL), Erlenmeyerkolben (250 mL), doppelt durchbohrter Gummistopfen mit Glasrohr Erlenmeyerkolben), PVC-Schlauch, Rundkolben mL), (250 (passend pneumatische Gummistopfen zum Wanne, (passend zum Rundkolben), Stativmaterial Chemikalien: Schwefelsäure (w = 0,5) Gefahrensymbol: C R: 35 Calciumcarbonat Gefahrensymbol: R: - Durchführung: S: 26-30-36/37/39-45 S: - Es werden 10 g Calciumcarbonat im Erlenmeyerkolben vorgelegt. Der Kolben wird mit dem doppelt durchbohrten Stopfen verschlossen. In ein Bohrloch wird der fixierte Tropftrichter eingepasst. Das Glasröhrchen im zweiten Bohrloch wird mit dem Schlauch verbunden, dessen anderes Ende in der pneumatischen Wanne liegt. Der Rundkolben wird mit Wasser gefüllt und in der Wanne abgelegt. Der Tropftrichter wird mit 50 11 mL Schwefelsäure bestückt, die langsam zum Calciumcarbonat zugetropft wird. Beobachtung: Die Lösung beginnt sofort zu schäumen und ein Gas wird über den Schlauch in das Wasser geleitet. Es sollten nicht direkt die ersten Blasen mit dem Rundkolben aufgefangen werden, damit zunächst die Luft im Erlenmeyerkolben entweichen kann. Nach wenigen Sekunden wird der Schlauch in den Rundkolben gehalten, welcher sich schnell mit dem entstehenden Gas füllt. Auswertung: Bei der Reaktion von Schwefelsäure mit Calciumcarbonat entsteht Kohlendioxid als Gas nach folgender Reaktionsgleichung. 2 H3O+(aq) + SO42-(aq) + CaCO3(s) CO2(g) + CaSO4(s) + 3 H2O Da sowohl das schwer lösliche Calciumsulfat, als auch das als Gas entweichende Kohlendioxid aus der Reaktion abgeführt werden, und sich das Gleichgewicht immer neu einstellt, werden die Edukte fast vollständig verbraucht und mehr Kohlendioxid nachgebildet. Versuchsbeschreibung: Materialien: Spritze, Kanüle, durchbohrter Gummistopfen mit Pipette (passend zum Rundkolben), Becherglas (250 mL), PVCSchlauch (sehr dünn), Quetschhahn, Stativmaterial Chemikalien: Natronlauge (NaOH) (c = 2mol/L) Gefahrensymbol: C R: 34 S: 26-36/37/39-45 Kohlendioxid (CO2) (Vorversuch) Gefahrensymbol: R: - Thymolphthalein S: 9-23 Gefahrensymbol: R: - S: - 12 Durchführung: Der mit Kohlendioxid gefüllte Rundkolben wird verschlossen mit der Öffnung nach unten fixiert. Die Pipette ist mit der Spitze zum Rundkolben hin im Stopfen eingelassen und ist mit dem PVCSchlauch verbunden, der durch den Quetschhahn verschlossen ist, damit kein CO2 entweichen kann. Das andere Ende hängt lose im Becherglas, welches mit Wasser und wenigen Tropfen Thymolphthalein befüllt ist. In den durchbohrten Gummistopfen, der den Rundkolben verschließt wird die Kanüle getrieben, sodass sie in das Innere des Kolbens hineinragt. Die Spritze wird mit Natronlauge aufgesogen und in die Kanüle gesteckt. Bevor der Inhalt der Spritze in den Rundkolben gedrückt wird muss der Quetschhahn entfernt werden. Beobachtung: Nachdem die Natronlauge mit dem Kohlendioxid in Berührung kommt beginnt fast augenblicklich die Flüssigkeit im PVCSchlauch anzusteigen und sprudelt über das sich verjüngende Ende der Pipette in den Innenraum des Rundkolbens. Die vorher farblose Flüssigkeit verfärbt sich im Kolben hellblau. Auswertung: Das Gleichgewicht der Reaktion von CO2 mit Wasser liegt auf der linken Eduktseite. Es lassen sich zwei Reaktionsgleichungen formulieren. CO2(g) CO2(aq) CO2(g) + H2O H2CO3 In einem Liter Wasser lösen sich 1,7 g Kohlendioxid bei 20 °C und 1 bar. Die entstehende Kohlensäure dissoziiert zu einem geringen Teil (etwa 0,2 %) zu Hydrogencarbonat-, Carbonat- und Oxonium-Ionen. Die Löslichkeit von Kohlendioxid in wässrigen Lösungen ist stark vom pH-Wert abhängig. Im Basischen löst sich ein Vielfaches des Kohlendioxids, als es im Neutralen der Fall ist. Hier dissoziiert die entstehende Kohlensäure fast vollständig und reagiert mit der Lauge zu ihrem Metallsalz und Wasser. Das Gleichgewicht der folgenden Reaktion liegt auf der rechten Produktseite: 13 2 NaOH(aq) + CO2 (g) 2 Na+(aq) + CO32-(aq) + H2O Das vorher gasförmige Kohlendioxid liegt nun in Lösung vor und nimmt nur noch einen Bruchteil des Volumens des Gaszustandes ein. Es entsteht ein Unterdruck im Kolben, der das Wasser nach oben in den Kolbenraum zieht. Der zugesetzte pHIndikator Thymolphthalein färbt sich in der basischen Lösung im Kolben hellblau. In der ISS bedient man sich der guten Löslichkeit von Kohlendioxid in basischen Lösungen. Diese kann somit leicht aus der Kabinenluft herausgefiltert werden. Um Gewicht einzusparen wird hier anstelle der Natronlauge Lithiumhydroxid verwendet. 3. Kein Leben ohne Wasser Das ECLSS ist ebenfalls für die Versorgung und Aufbereitung von Brauch- und Trinkwasser verantwortlich. Momentan ist die ISS noch von regelmäßigen Lieferungen abhängig. Darunter befindet sich auch frisches Wasser für die Versorgung der Crew, der Tiere und Pflanzen und für den Einsatz bei wissenschaftlichen Experimenten. Bei Fertigstellung der Internationalen Raumstation sollen möglichst alle Rohstoffe aus Recycling-Verfahren der Crew zurückgeführt werden. Zurzeit werden noch viele Feststoffabfälle eingeäschert und die meisten Abwässer ins All abgesaugt. Lediglich das Kondenswasser wird mittels Ionenaustauscher entmineralisiert, aufbereitet und dem „Elektron“ -System zugeführt. Das Ziel ist es 100 % des Abwassers von Kondenswasser bis zum Urin dem ECLSS zurückzuführen, aufzuarbeiten und der Crew als frisches Brauch- und Trinkwasser zur Verfügung zu stellen. Bereits heute ist ECLSS in der Lage 100 % der LuftFeuchtigkeit und 85 % des Wassers im Urin wieder aufzubereiten und kommt so auf eine Effizienz von 93 %. Auch die bisherigen „Abgase“ der Atemluft (CO2) und aus dem „Elektron“ (H2) sollen im „Sabatier“ -Prozess zu Methan und Wasser umgewandelt werden, wobei ein völlig autarkes System entstehen soll, dass auf keine Versorgungsflüge mehr angewiesen ist. Eine Form der Wasseraufbereitung könnte in der Raumfahrt mit dem Photo-Fenton-Verfahren realisiert werden. Dafür sprechen würde, dass keine andere Zufuhr von Energie nötig wäre, außer der Bestrahlung mit Sonnenlicht. Weiterhin sind nur katalytische Mengen an Eisensalzen 14 notwendig. Probleme bereitet es, Wasserstoffperoxid als zusätzlichen Ballast in eigenen separaten Tanks mitzuführen. Versuch 3 Reinigung von Wasser durch Licht Versuchsbeschreibung: Materialien: 2 Rundkolben (100 mL), Alufolie, 2 durchbohrte Gummistopfen (passend zum Rundkolben), 2 Gährröhrchen, 2 Glastrichter, Glühlampe, Stativmaterial Chemikalien: Eisen(III)-sulfat (Fe2(SO4)3) Gefahrensymbol: Xn R: 22-36/37 S: 26 Wasserstoffperoxid (H2O2) (w = 0,3) Bariumhydroxid (Ba(OH)2) Gefahrensymbol: Xn R: 22-41 S: 26-39 Gefahrensymbol: C R: 20/22-34 S: 26-36/37/39-45 Ameisensäure Gefahrensymbol: C R: 10-35 Durchführung: S: 1/2-23-26-45 Es wird eine Eisen(III)-sulfat-Lösung angesetzt, indem eine Spatelspitze Eisen(III)-sulfat in 50 mL H2O (ention.) gelöst wird. Die Rundkolben werden nebeneinander am Stativmaterial aufgehängt. Einer der beiden Kolben wird mit Alufolie umwickelt. Die Glühlampe wird gleichermaßen so beschienen angebracht, dass jeder Kolben und erwärmt wird. Jedes Gährröhrchen wird in einen durchbohrten Stopfen gesteckt und mit heiß gesättigter Bariumhydroxid-Lösung befüllt. Bevor die Kolben mit den Stopfen verschlossen werden, befüllt man beide Rundkolben mit 15 mL Eisen(III)-sulfat-Lösung, 10 mL Ameisensäure und 20 mL Wasserstoffperoxid. Die Glühlampe wird eingeschaltet. Nach 3-5 Minuten kann die Beobachtung festgehalten werden. 15 Beobachtung: Schon nach wenigen Minuten erkennt man in dem Gährröhrchen des nicht umwickelten Rundkolbens einen Gasdurchstrom. Die Bariumhydroxid-Lösung wird durch einen weißen Niederschlag getrübt. Auch in dem mit Alufolie umwickelten Kolben ist nach längerer Zeit eine Gasentwicklung zu beobachten, die aber weniger stark ausgeprägt ist. Dies ist an einer nur schwachen Trübung der Bariumhydroxid-Lösung zu erkennen. Auswertung: Die Photo-Fenton-Reaktion ist benannt nach Henry John Hortsman Fenton, der sie 1890 im Rahmen von organischen Syntheseprozessen entwickelte und patentieren ließ. Ursprünglich wurde sie eingesetzt um Aromaten mittels radikalischer Substitution zu hydroxylieren. Heute werden Verfahren getestet, mit denen durch Einsatz von Wasserstoffperoxid und katalytischen Mengen Eisen(II)-sulfat refraktäre Substanzen (Abfälle, die nicht oder nur teilweise von den Mikroorganismen in der Kläranlage zersetzt werden) vollständig durch radikalische Zersetzung abgebaut werden können. Das redoxamphotere Wasserstoffperoxid ist sowohl in der Lage Fe(II) zu Fe(III) zu oxidieren und umgekehrt Fe(III) zu Fe(II) zu reduzieren. Bei beiden Reaktionen werden Radikale gebildet: +2 Fe2+(aq) +3 -1 + H2O2(aq) -1 -2 Fe3+(aq) + H2O2(aq) + H2O +3 -1 -2 Fe3+(aq) OH•(aq) + OH-(aq) +2 + 0 -1 -2 Fe2+(aq) + OOH•(aq) + H3O+(aq) Im Kolben, der nicht mit Alufolie umwickelt ist, kommt ein photochemischer Prozess hinzu. Das zugesetzte Fe(III)-sulfat vermag mittels Lichtanregung Wasser zu einem Hydroxyl-Radikal und einem Oxonium-Ion (hier: Proton abgebildet) zu oxidieren. Es wird dabei zu Fe(II) reduziert. Für diese Reaktion ist kein Wasserstoffperoxid notwendig, es genügen die Wassermoleküle, die in viel größerer Menge zur Verfügung stehen: 16 Die gebildeten Radikale vermögen die Ameisensäure zu zersetzen. In zwei Schritten entstehen die stabilen Moleküle Wasser und CO2. Der radikalische Angriff erfolgt am aciden Wasserstoff der Ameisensäure. Es entsteht Wasser und das Formyl-Radikal. Dieses ist über beide Sauerstoffatome resonanzstabilisiert. Der Angriff eines weiteren Hydroxyl-Radikals greift am verbliebenen Wasserstoff an wodurch Kohlendioxid und Wasser entsteht. Der zusätzliche photochemische Reaktionsweg führt dazu, dass im belichteten Kolben wesentlich mehr Radikale in den ersten Minuten entstehen können, die die Ameisensäure radikalisch zersetzen. Zu erkennen ist dies anhand des CO 2 Nachweises mit einer Bariumhydroxid-Lösung, bei der weißes Bariumcarbonat ausfällt und die Lösung im Gährröhrchen trübt. Ba(OH)2(aq) + CO2(aq) BaCO3(s) + H2O 4. Die Sonnenseite der Energie Bisher wurden über siebzig Aufbauflüge zur ISS unternommen, beginnend mit dem Start der Proton K am 20.11.1998. Hinzukommen noch viele reine Versorgungsflüge und Missionen, die zum Austausch oder zur Auf- und Abstockung der Crew an Board dienten. Es sind noch mindestens weitere fünfzehn Aufbauflüge geplant, die sich bis ins Jahr 2010 erstrecken und die restlichen Komponenten der Station in den Erdorbit befördern sollen. Zu Beginn der Aufbauphase ist man davon ausgegangen, dass mit einer Fertigstellung nicht vor dem Jahr 2006 zu rechnen ist. Zusammen werden mehr als 100 Komponenten zusammengebaut, die eine Arbeitszeit von mehr als 1000 Stunden und von Menschen durchgeführte Weltraumspaziergänge und 17 Robotertechnologien erfordern. Für all diese Arbeiten, als auch zur Aufrechterhaltung des ECLSS ist elektrische Energie erforderlich. Die ersten Module, die Trägerraketen und das Space-Shuttle erhielten und erhalten ihre Energieversorgung ausschließlich durch Brennstoffzellen. Versuch 4 Brennstoffzelle Versuchsbeschreibung: (Vorversuch) Materialien: Becherglas (250 mL), 2 Graphitelektroden, Schmirgelpapier, 2 Krokodilklemmen, 4 Kabel, Voltmeter, Netzteil, Reagenzglas mit Stopfen, Magnetrührer mit Heizfunktion und Rührfisch, Thermometer, Stativmaterial Chemikalien: Silbernitrat (AgNO3) Gefahrensymbol: C, N R: 34-50/53 S: 26-45-60-61 Ammoniak (NH3) (konz.) Gefahrensymbol: C, N (w = 0,25) Ammoniumnitrat R: 34-50 Gefahrensymbol: O R: 8-9 Durchführung: S: 26-36/37/39-45-61 S: 15-16-41 Im Becherglas werden 1,7 g Silbernitrat und 2 g Ammoniumnitrat in 5 mL konz. Ammoniak-Lösung und 200 mL entionisiertem Wasser gelöst. Die Lösung wird auf 70 °C erhitzt und mit den Graphitelektroden 1 h bei 1,5 V Gleichstrom elektrolysiert. Die kathodische Elektrode wird zuvor mit feinem Schmirgelpapier etwas angeraut. Beobachtung: Die Kathode überzieht sich mit einem silbernen Belag. An der Anode entstehen Gasbläschen. 18 Auswertung: Das zugesetzte Ammoniumnitrat wirkt als Elektrolyt, welches die Leitfähigkeit der Lösung erhöht. An der Kathode läuft folgende Reaktion ab. +1 0 Ag+ + e- Ag Bei den Bläschen an der Anode handelt es sich um Sauerstoff, welcher bei der Oxidation von Hydroxid-Ionen entsteht. Die Hydroxid-Ionen stammen aus der Eigendissoziation von Wasser. -2 0 4 OH- -2 O2 + 2 H2O + 4 e- Versuchsbeschreibung: Materialien: Tonzylinder, Becherglas 150 mL (hohe Form), Magnetrührer mit Rührfisch, Platinnetz, versilberte Graphitelektrode (aus dem Vorversuch), 2 Krokodilklemmen, 4 Kabel, Voltmeter, Elektromotor, Hebebühne, Stativmaterial Chemikalien: Kaliumhydroxid (c = 0,5mol/L) Gefahrensymbol: C R: 35 Wasserstoffperoxid (H2O2) (w = 0,3) Methanol S: 26-36/37/39-45 Gefahrensymbol: Xn R: 22-41 S: 26-39 Gefahrensymbol: F,T R: 11-23/24/25-39/23/24/25 S: 7-16-36/37-45 Durchführung: Zunächst muss der Tonzylinder in der Kaliumhydroxid-Lösung über Nacht gewässert werden. Aus dem Methanol wird eine 1molare Methanol-Lösung hergestellt. 60 mL dieser Lösung werden zusammen mit 30 mL der Kaliumhydroxid-Lösung in den Tonzylinder gefüllt, bis er etwa zu 3/4 voll ist. In die Lösung taucht das Platinnetz als Anode. 19 In das Becherglas werden etwa 75 mL Kaliumhydroxid-Lösung gegeben und die versilberte Graphitelektrode als Kathode eingetaucht und fixiert. Das Becherglas wird auf dem Magnetrührer mit der Hebebühne soweit angehoben, bis der Tonzylinder bis etwa 1cm unterhalb seines Randes eintaucht. Die Elektroden werden über die Kabel mit dem Motor verbunden und man wartet bis dieser nicht mehr läuft. Anschließend werden 20 mL Wasserstoffperoxid-Lösung in kleinen Portionen an die versilberte Graphitelektrode gegossen und vorsichtig mit dem Rührfisch durchmischt. Die Leerlaufspannung wird am Voltmeter abgelesen. Zuletzt kann der Motor angeschlossen und seine Funktion geprüft werden. Beobachtung: Es wird eine Spannung von etwa 1 V gemessen. Der Elektromotor läuft mehrere Minuten lang. Auswertung: In einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle, allgemein auch einfach als Brennstoffzelle bezeichnet, wird die chemische Energie, die bei Oxidationsprozessen frei wird, direkt in elektrische Energie umgewandelt. Sie funktioniert genau nach dem umgekehrten Prinzip wie die Elektrolyse von Wasser. Die Brennstoffzelle besteht aus einer porösen, protonendurchlässigen Membran (Elektrolyt), die von zwei mit Platin beschichteten Elektroden umgeben ist (siehe Abb. 5). Abb. 5: Aufbau einer Brennstoffzelle 20 Die Ausgangstoffe Wasserstoff und Sauerstoff werden getrennt an die Elektroden geführt. Der Wasserstoff gelangt an die Anode; der Sauerstoff an die Kathode. Die Platinbeschichtung wirkt als Katalysator und sorgt dafür, dass die Aktivierungsenergie der chemischen Reaktion deutlich gesenkt wird. Folgende Prozesse laufen in einer Brennstoffzelle ab, die auf der Oxidation von Wasserstoff zu Wasser beruht: 0 +1 4 H+ + 4 e - Anode: 2 H2 Kathode: O2 + 4 e - 2 O2- Folgereaktionen: 2 O2- + 2 H2O 4 OH- 4 H+ + 4 OH- 4 H2O 0 -2 0 Gesamtreaktion: 0 +1 -2 2 H2 + O2 2 H2O Es entsteht, genau wie bei der heißen Verbrennung (Knallgasreaktion), Wasser. Der entscheidende Unterschied besteht darin, dass die Prozesse in einer Brennstoffzelle bei Umgebungstemperatur ablaufen können. Dem an die Anode geführten Wasserstoff werden durch die katalytische Wirkung der Elektrode die Elektronen entzogen (siehe Abb. 6). Dabei wird das neutrale Wasserstoffatom in ein Proton und ein Elektron zerlegt. Zwischen der Anode und der Kathode befindet sich eine Membran, die nur für Protonen durchlässig ist (Proton Exchange Membran - PEM). Durch diese gelangen die Protonen auf die Sauerstoffseite, der Kathode. Zwischen den beiden Elektroden entsteht somit eine Potentialdifferenz, da sich die Kathode positiv auflädt. Die vom Wasserstoff abgegebenen Elektronen gelangen über einen Verbraucher zur Kathode, so dass sich ein elektrisches Feld aufbauen kann. An der Kathode wird Sauerstoff zu O2- reduziert. Das zweifach negativ geladene Oxid-Ion ist in wässriger Lösung jedoch nicht existent. Es verbindet sich sofort mit den Protonen zu Hydroxid-Ionen. Solange Wasserstoff und Sauerstoff zugeführt werden, kann zwischen den Elektroden eine Spannung aufrechterhalten werden. Die Brennstoffzelle ist also eine Elektrizitätsquelle, die geräuschlos und ohne Abgase arbeitet. 21 Abb. 6: Prozesse in einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle (PEMFC) Die Brennstoffzellen-Technologie ist bereits seit mehr als 100 Jahren bekannt. Anwendungsgebiete sind unter anderem Kraft-Wärme-Kopplungssysteme, wie sie etwa in Blockheizkraftwerke vorkommen (auch bei der Brennstoffzelle entsteht Abwärme, die genutzt werden kann) und der Einsatz bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen. Im Gegensatz zu Fahrzeugen mit Batteriebetrieb erzielen mit Brennstoffzellen angetriebene Fahrzeuge Leistungsdichten und Reichweiten konventioneller Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Neben der WasserstoffSauerstoff-Brennstoffzelle werden auch andere Typen genutzt, die sich in Betriebsgas oder im mobilen Ion unterscheiden. Jeder Brennstoffzellentyp kann Wasserstoff als Brenngas direkt umsetzen. Kohlenwasserstoffhaltige Brenngase, wie z. B. Erdgas oder Methanol, müssen üblicherweise erst in ein wasserstoffhaltiges Gas umgewandelt werden, bevor sie in der Brennstoffzelle verarbeitet werden können. Dieser Vorgang der chemischen Gasaufbereitung wird „Reformierung“ genannt. Der Aufwand für diese Brenngasvorbehandlung ist abhängig vom verwendeten Brennstoffzellentyp. 22 Tab. 1: Verschiedene Typen von Brennstoffzellen AFC PEMFC MCFC Alkaline Fuel Proton Exchange Molten Carbonate Cell Membrane Fuel Cell Fuel Cell Mobiles Ion OH- H+ CO32- Anode (Brennstoff) H2 H2 H2, CH4 Kathode O2 Luftsauerstoff Luftsauerstoff Leistung 10 – 100 kW 0,1 – 500 kW 100 kW Betriebstemperatur < 80 °C 60 – 80 °C 650 °C Merkmale reiner O2 Membranbefeuchtung aggressive notwendig notwendig Schmelze Bezeichnung Es ergeben sich je nach Typ verschiedene Vor- und Nachteile (siehe Tabelle 1), die je nach Voraussetzungen entscheidend für die Auswahl eines geeigneten Brennstoffzellentyps sind. Für die MCFC ist eine Gasaufbereitung weniger gründlich erforderlich, da sie auch mit Methangas zu betreiben ist. Es sind hierbei jedoch Temperaturen von über 600 °C erforderlich. In der Raumfahrt wurden AFC und PEMFC getestet und eingesetzt. Für die Schule kann ein vereinfachter Versuchsaufbau herangezogen werden. Die wesentlichen Merkmale einer industriellen Brennstoffzelle sind auch hier gegeben: - Ionen durchlässige Membran mit Elektrolyt - Umsetzung elektronisch neutraler Stoffe - keine bewegten Teile - geringe lokale Emission - keine Lärmemission - hoher Wirkungsgrad Für den Versuch wird ein Platinnetz als Anode und eine versilberte Graphitelektrode als Kathode verwendet. Hierdurch wird gewährleistet, dass beide Elektroden eine große Oberfläche aufweisen. Dies senkt die Aktivierungsenergie der Reaktion deutlich, da beide Metalle als Katalysatoren wirken. Die Brennstoffzelle lässt sich somit bei Raumtemperatur effektiv betreiben. 23 Anstelle von Wasserstoffgas wird in der verwendeten schultauglichen, da ohne Gasbomben und komplizierten Versuchsaufbau auskommenden, Brennstoffzelle Methanol oxidiert. Als Schülerversuch würde sich auch eine Ethanol- oder Glucoselösung eignen. Pro Mol Methanol werden 8 Mol Hydroxid-Ionen umgesetzt und er Alkohol wird zu Kohlensäure oxidiert, die in alkalischer KOH-Lösung als K+(aq) + CO32-(aq) und Wasser vorliegt. An der Anode werden Elektronen frei, die über einen Verbraucher zur Kathode gelangen (siehe Reaktionsgleichung Anode). Die verbrauchten Hydroxid-Ionen werden durch neue ersetzt, die durch den Tonzylinder aus dem Kathodenraum in den Anodenraum gelangen. Der Zylinder dient demnach als halbdurchlässige Membran. Die Hydroxid-Ionen werden durch den mit KOH gewässerten Ton transportiert. Große Moleküle erreichen nicht die andere Seite, wodurch die beiden Reaktionsräume nicht verunreinigt werden. Wäre dies der Fall würde Wasserstoffperoxid den Alkohol in alkalischer Lösung zu Carbonat-Ionen reduzieren, ohne dass man die chemische als elektrische Energie hätte nutzbar machen können. Durch die Verwendung von Wasserstoffperoxid ist es nicht notwendig ständig Sauerstoffgas auf umständliche Weise mittels Gasbomben zuzuführen. Wasserstoffperoxid ist eine schwache Säure (pKs = 12). In Gegenwart einer starken Lauge (KOH) ist die Konzentration an dissoziierten Wasserstoffperoxid-Anionen so hoch, dass diese anstelle des undissoziierten Wasserstoffperoxids am Platinkontakt zu Sauerstoff und Hydroxid-Ionen katalytisch zersetzt werden. Der Sauerstoff wird direkt am Ort der katalytischen Bildung mit Wasser- und Elektronenverbrauch zu Hydroxid-Ionen reduziert. -2 +4 Anode: CH3OH(aq) + 8 OH-(aq) CO32-(aq) + 6H2O + 6 e- Kathodenraum: H2O2(aq) + OH-(aq) -1 -1 HO2- (aq) + H2O Pt -1 Kathode: 2 HO2- (aq) 2 0 -2 -2 0 OH-(aq) + O2(g) -2 O2(g) + H2O + 4 e- Gesamt: -2 -1 4 OH-(aq) -2 CH3OH(aq) + 3 H2O2(aq) + 2 OH-(aq) +4 -2 -2 CO32-(aq) + 6 H2O 24 Bei Fertigstellung im Jahr 2010 werden die über 100 einzelnen Bauteile eine Raumstation bilden, deren inneres Volumen ungefähr dem einer Passagierkabine einer Boeing 747 entsprechen wird. Die ISS wird dann 108,5 m lang sein und eine Spannweite von 88,5 m aufweisen. Ihre Masse wird über 400 t betragen und wohl über 100 Milliarden Euro an Kosten verschlungen haben. Heute wird die gesamte benötigte Energie durch Photovoltaik erzeugt. Ein Zusammenschluss von über 64.000 einzelnen Solarzellen wird bei Abschluss der Aufbauarbeiten eine elektrische Leistung von 19,1 kW liefern. Die abgenommene Spannung von 160 V muss auf eine Nutzspannung von 120 V transformiert werden. Eine kurze Erläuterung soll über die Funktion und den Aufbau der verwendeten Silizium-Solarzellen Auskunft geben. Der photovoltaische Effekt wurde 1887 durch den deutschen Physiker Heinrich Hertz entdeckt und beruht auf einer durch Sonnenlicht erwirkten Elektronenverschiebung, die letztlich Strom erzeugt. Der Hauptbestandteil einer herkömmlichen Solar-Zelle ist Silicium. Die Funktion einer solchen Zelle wird durch zwei unterschiedliche SiliciumSchichten ermöglicht. Eine Schicht wird zu einem p-Halbleiter dotiert, die andere zu einem n-Halbleiter. Um einen n-Halbleiter herzustellen, können Elemente aus der 5. Hauptgruppe, wie Phosphor, Arsen oder Antimon verwendet werden. Es verbleiben „freie“ Elektronen im Gitter. Im Bändermodell gehören diese Elektronen einem Energiezustand knapp unterhalb des Leitungsbandes an (siehe Abb.8). Aluminium, Bor oder inzwischen auch andere Dotierungselemente werden in das Siliciumgitter eingearbeitet, welches zu einem p-Halbleiter mit „Elektronenlücken“ wird (siehe dazu Abb. 7). Abb. 7: Siliciumgitter mit Dotierungselementen 25 Abb. 8: Energiediagramm von Valenz- und Leitungsband Bringt man beide Schichten zusammen, werden an der Grenzschicht die Elektronenlücken der 2. Schicht von den freien Elektronen der 1. Schicht besetzt. Es entsteht ein elektrisches Feld, welches von der p-Schicht zur n-Schicht gerichtet ist und somit der „Elektronenwanderung“ entgegenwirkt. Es ist durch eine so entstehende Sperrschicht den restlichen freien Elektronen der n-Halbleiterschicht nicht mehr möglich die verbliebenen „freien Löcher“ zu stopfen. Fällt auf die äußere n-dotierte Halbleiterschicht Sonnenlicht kann je ein Valenzelektron eines Siliciumatoms energetisch angeregt werden und sich von seinem Kern „befreien“ Es wird in das energetisch höher liegende Leitungsband befördert. Elektronen können nun in Richtung des elektrischen Feldes diese „Löcher“ von der p-Halbleiter-Schicht ausgehend besetzen. Es entsteht ein Potentialgefälle von vermehrt negativer Ladung auf der äußeren n-Schicht und positiver Ladung auf der vom Licht abgewandten pSchicht. Es entsteht eine elektrische Spannung, die von einem Verbraucher abgenommen werden kann. Um eine brauchbare Leistung erzielen zu können, müssen mehrere Solarzellen zu größeren Modulen zusammengeschaltet werden. Die Beleuchtung einer Silizium-Solarzelle als Experiment in der Schule halte ich für nicht ausreichend geeignet, daran Eigenschaften von Halbleitern und photovoltaische Effekte zu erklären, da den Schülern der Blick ins Innere verwehrt bleibt. Dies wäre gleichbedeutend mit der Behandlung des Verbrennungsmotors im Physikunterricht, ohne ein Modell mit allen Einzelteilen zu präsentieren und zu erarbeiten. Im Schülerexperiment des Baus einer Grätzel-Solarzelle kommen die Schüler vom ersten bis zum letzten Schritt mit allen Bestandteilen in Kontakt. Es wird sie überraschen, dass sie viele Komponenten, wie TiO2 in Wandfarbe, Anthocyane als Kirschfarbstoff oder Graphit in Bleistiftminen, aus dem täglichen Umfeld kennen. 26 Die Grätzel-Solarzelle ist benannt nach ihrem Erfinder Michael Grätzel. Der Schweizer entwickelte die Photovoltaikanlage seit Beginn der 1990er Jahre und ließ sie 1992 patentieren. Der Wirkungsgrad von herkömmlichen Silizium-Solarzellen liegt bei 17-22 %. Dem gegenüber erreichen Grätzel-Zellen nach bisherigem Forschungsstand einen Wirkungsgrad von 11,2 %. Dieser Nachteil wird vor allem durch eine geringere Umweltbelastung in ihrer Herstellung ausgeglichen. Abb. 9: Farbstoffsolarzellen Versuch 5 Grätzel-Solarzelle Versuchsbeschreibung: Materialien: 2 Bechergläser (150 mL), Magnetrührer mit Heizfunktion und Rührfisch, 4 Objektträger, Porzellanplatte, Zerstäuber, Netzteil, 3 Kabel mit Krokodilklemmen, Amperemeter, Voltmeter, Ofen (auf 600 °C beheizbar), Mörser, Pistill, Glasstab, Messzylinder, Tesafilm, Büroklammer, Pipette, Glühlampe Chemikalien: Antimon(III)-oxid Gefahrensymbol: Xn R: 40 Zinn(IV)-chlorid-Pentahydrat S: 22-36/37 Gefahrensymbol: C R: 34-52/53 S: 7/8-26-45-61 Methanol Gefahrensymbol: F,T R: 11-23/24/25-39/23/24/25 S: 7-16-36/37-45 Salzsäure (konz.) Gefahrensymbol: R: Titandioxid S: Gefahrensymbol: R: - S: - verd. Salzsäure (c= 0,001 mol/l) Gefahrensymbol: R: - S: 27 Dosenkirschen (Farbstoff) Gefahrensymbol: R: - Iod S: - Gefahrensymbol: Xn, N R: 20/21-50 S: 2-23/25-61 Kaliumiodid Gefahrensymbol: R: - Graphit S: - Gefahrensymbol: R: - Durchführung: S: - Beschichtung der Objektträger: Zunächst werden 2 Objektträger im Ofen auf 550 – 600 °C erwärmt. Es empfiehlt sich das Glas auf eine ebene Porzellanplatte zu legen, um es beim Herausnehmen nicht zu zerbrechen oder zu verformen. Auf dem Magnetrührer werden im Becherglas unter Rühren 1 g Antimon(III)-oxid in einem Gemisch aus 3 mL konzentrierter Salzsäure und 17 mL Methanol gelöst (Lösung 1). In einem zweiten Becherglas werden zu 6 mL Methanol 25 g Zinn(IV)-chlorid hinzugegeben und auf 50°C erwärmt, bis sich das Salz im Methanol gelöst hat (Lösung 2). Nun gibt man 3 mL von Lösung 1 zu Lösung 2. Die fertige Lösung wird mit dem Zerstäuber auf die heißen Objektträger gebracht. Anschließend wird die Leitfähigkeit geprüft. Hierzu einen Stromkreis mit Krokodilklemmen, Kabeln, Amperemeter und Netzteil aufbauen. Aufbringen der Titandioxidschicht (sintern): 12 g Titandioxid werden im Mörser mit wenig verdünnter Salzsäure zu einem Brei verrührt. Ein beschichteter Objektträger wird auf einem Stück Papier mit Tesafilm fixiert und der Titandioxidbrei gleichmäßig mit einem unbehandelten Objektträger darauf verteilt. Etwa ein Zentimeter der Länge des Objektträgers wird an einem Rand freigelassen. Der so präparierte Objektträger wird für 10 Minuten bei 450 °C getrocknet. 28 Aufbringen des Farbstoffes (sensibilisieren) Die Kirschen werden ausgepresst und mit ihrem Saft durch ein Filterpapier gefiltert. Das Filtrat wird mit einer Pipette auf die Titandioxidschicht des einen Objektträgers gegeben und diese vorsichtig mit ention. Wasser abgespült. Danach wird mit Hilfe eines Föns getrocknet Aufbringen des Elektrolyten Auf die gefärbte Titandioxidschicht wird etwas Iod-KaliumiodidLösung geträufelt und wiederum mit dem Fön getrocknet. Herstellung der Graphitelektrode Der leitfähige Objektträger ohne Titandioxidschicht wird vorsichtig mit Graphitpulver bestreut. Beide Objektträger werden etwa zur Hälfte übereinander gelegt und mit einer umgebogenen Büroklammer befestigt. Die Kabel werden an das Spannungsmessgerät angeschlossen und die Krokodilklemmen an die beschichteten Objektträger geklemmt. Die Grätzel-Zelle wird mit der Lampe beleuchtet. Es wird die Spannung gemessen. Beobachtung: Die abgenommene Spannung schwankt. Sie liegt im Bereich von 1-10 mV. Auswertung: Wie in der Durchführung ersichtlich ist die Verarbeitung bis zu einer funktionstüchtigen Grätzel-Solarzelle in mehrere Produktionsschritte unterteilt. Jeder Schritt kann dazu beitragen, dass die Zelle entweder gute oder schlechtere photovoltaische Eigenschaften aufweist. Als Beispiel wäre das Aufbringen der leitfähigen Schicht aus Antimon(III)-oxid und Zinn(IV)-chlorid zu nennen. Selbst mit der Bedampfungsmethode ist keine exakt homogene Schicht auf dem Objektträger zu erzielen. Die am Voltmeter abgelesene Spannung schwankt sehr stark, je 29 nachdem an welcher Stelle die Krokodilklemmen am Objektträger greifen. Das System ist auch Schwankungen unterlegen, je nachdem wie viel Elektrolyt oder Farbstoff aufgetragen wurde oder wie viel Zeit vergangen ist zwischen Fertigstellung und Messung. Die höchsten Werte wurden bei gerade zusammengesetzten Zellen gemessen. Das Voranstellen dieser Fehlerbetrachtung soll das Potential dieses Versuchs als Schülerexperiment nicht schmälern. Es ist besonders durch die unterschiedliche Handhabung damit zu rechnen, dass in manchen Schülergruppen sehr gute in anderen weniger befriedigende Werte erzielt werden, die aber untereinander umso besser verglichen werden können. Schematisch ist eine Grätzel-Zelle, wie sie in diesem Versuch hergestellt wurde folgendermaßen aufgebaut: Abb. 10: Schema Grätzel-Zelle Im Handel erhältlich sind Glasplatten, die durch eine dünne Schicht mit Fluordotiertem Zinn(IV)-oxid (TCO: Transparent Conductive Oxide) elektrisch leitfähig gemacht werden. Durch das Aufdampfen einer salzsauren Zinn(IV)-chloridPentahydrat-Lösung auf eine 500 °C heiße Glasplatte entsteht eine leicht selbst herzustellende Zinn(IV)-oxid-Schicht nach folgender Reaktionsgleichung: SnCl4 . 5 H2O(aq) SnO2(s) + 4 HCl + 3 H2O Methanol als Lösungsmittel sorgt durch seinen niedrigen Siedepunkt für eine bessere Verflüchtigung von HCl und Wasser und somit für eine homogene SnO 2-Schicht. Durch den Zusatz des Antimon(III)-oxids werden kleine Mengen Antimon (III) in das Kristallgitter des Zinn(IV)-oxids eingelagert. Es entsteht ein p-dotierter Halbleiter. 30 Hinter der Titan(IV)-oxid-Schicht verbirgt sich das eigentliche Elektrodenmaterial der Grätzel-Zelle. Der hohe energetische Abstand zwischen Valenz- und Leitungsband im TiO2 von 3 eV bedingt, dass es nicht besonders geeignet ist für photovoltaische Anwendungen. Es muss daher mit einem Farbstoff sensibilisiert werden. Hierfür bedarf es einer sehr großen Oberfläche des auf der Glasfläche aufgebrachten Titan(IV)-oxids, um möglichst stabile Wechselwirkungen mit dem Farbstoff zu ermöglichen. Das pulverförmige TiO2 wird hierfür mit verdünnter Salzsäure zu einer streichfähigen Paste vermischt und gleichmäßig auf dem leitfähigen Objektträger aufgebracht. Beim Erhitzen der Schicht auf über 450 °C wird das TiO 2 gesintert. Durch die Sinterung entstehen viele kleine Hohlräume in der Schicht und damit eine große Oberfläche, an die der Farbstoff in ausreichender Menge adsorbieren kann. Diese Struktur erhöht die Oberfläche des Titandioxids bei einer Tiefe von 10 µm um mehr als das 1000 fache. Eine solch große Oberfläche ist auch anzustreben, damit ein Wirkungsgrad von ca. 10 % erreicht werden kann. Bei einer glatten Oberfläche würde ein Wirkungsgrad von nicht mehr als 1 % erreicht werden. Als geeigneten Farbstoff für die Grätzel-Zelle ist der Anthocyan-Farbstoff der Sauerkirsche gewählt. Anthocyane und Chlorophylle sind geeignete Farbstoffe für die Sensibilisierung, da sie stabile Titan-Komplexe bilden können. Am Beispiel eines Anthocyans sieht die Wechselwirkung wie folgt aus. Abb. 11: Anthocyan-TiO2-Komplex Die Hydroxyl-Reste am aromatischen System des Anthocyans können unter Wasserabspaltung als Liganden am Zentralteilchen Ti4+ einen Komplex eingehen. Das delokalisierte π-System des Farbstoffes sorgt dafür, dass es leicht durch sichtbares Licht angeregt werden kann. Die Energiebarriere zwischen HOMO und LUMO ist hier weitaus geringer als die Bandlücke im Halbleiter Ti(IV)-oxid. Dies 31 kommt durch die tief dunkelrote Farbe des Farbstoffes zum Ausdruck. Durch den Komplex weitet sich die Delokalisierung auf die TiO2-Schicht aus. Infolge dessen kann die Titan(IV)-oxid-Elektrode bereits durch energiearme Strahlung im sichtbaren Bereich (Glühlampe) angeregt werden. In wässriger Lösung von Kaliumiodid und Iod liegt ein Redoxsystem aus Iodid- und Triiodid-Ionen vor: -1 -1/3 3 I- I3- + 2 e- Iodid wird unter Abgabe von zwei Elektronen oxidiert und Triiodid unter Aufnahme von zwei Elektronen wieder zu Iodid reduziert. Wie später erläutert wird ist dieser Vorgang wichtig um ein elektrisches Feld aufzubauen, da entstehende „Elektronenlöcher“ in der TiO2-Schicht gefüllt werden müssen. Der Graphitstaub am zweiten Objektträger dient als Gegenelektrode und unterstützt zudem als Katalysator die Redoxvorgänge im Elektrolyten. Betrachtet man das System als Ganzes laufen folgende Prozesse in einer GrätzelSolarzelle ab (siehe Abb.12). Durch einfallende Lichtstrahlen wird der Farbstoff photochemisch angeregt. Die Elektronen werden auf ein höheres Energieniveau gebracht, welches sich oberhalb der Leitungsbande des Titan(IV)-oxids befindet. 2 Fa h 2 Fa* Die Elektronen werden aus dem angeregten Zustand der Farbstoffmoleküle auf das Leitungsband des TiO2 übertragen und über dieses elektrisch leitende Material zu der Anode (negative Elektrode) abgeführt. Der Farbstoff muss danach in einer oxidierten Form vorliegen. 2 Fa* + 2 TiO2 2 Faox + 2 TiO2- 2 TiO2- TiO2 + 2 e- Im Unterschied zur normalen Solarzelle liegt hier kein elektrisches Feld vor, welches die Elektronen zur Anode „zwingt“. Es muss nun auf andere Weise dafür gesorgt werden, dass die Elektronen auf ihrem Weg nicht wieder zu den ionisierten FarbstoffMolekülen „umkehren“, da es dann keinen Stromfluss geben könnte. Deswegen fügt 32 man die Iod-Kaliumiodid-Lösung als Elektrolyten bei. Die negativ geladenen TriiodidIonen geben je ein überschüssiges Elektron an die positiv geladenen Farbmoleküle ab. -1 2 Faox + 2 I3- 0 2 Fa + 3 I2 Die freien Elektronen im Titandioxid werden über die Anode an einen Verbraucher abgegeben und gelangen über die Kathode (positive Elektrode) zum Elektrolyten. Hier werden die I2-Ionen wieder zu Triiodid reduziert. Im vorliegenden System besteht die Kathode anders wie in Abb. 12 nicht aus einer zusätzlichen SiO2-Schicht. Entscheidend bei der Funktion und der Auswahl der verwendeten Materialien ist, dass das Leitungsband des TiO2 ein geringeres Energieniveau als der angeregte Farbstoff haben muss. Der Farbstoff wiederum muss ein geringeres Energieniveau als der Elektrolyt aufweisen. Abb. 12: Elektrochemische Prozesse in der Grätzel-Zelle Im Gegensatz zu Solarzellen, wie man sie immer häufiger auf Häuser- und Firmendächern findet, bestehen Grätzel-Solarzellen nicht aus Silizium. Wie beschrieben übernimmt das Silizium in der Photovoltaikanlage zwei wichtige Aufgaben. Es liefert die Elektronen und befördert sie dank der elektrischen Leitfähigkeit zu den Elektroden. In der Grätzelzelle übernehmen diese Aufgaben zwei 33 unterschiedliche Stoffe. Ein Farbstoff dient als Elektronenlieferant und Titan(IV)-oxid übernimmt die Weiterleitung. Ein gewichtiger Vorteil einer Farbstoffsolarzelle gegenüber der gebräuchlichen Siliziumvariante ist die Kostenfrage. Auch heute noch ist die Halbleitermaterialherstellung aufwendig und teuer. Hinzu kommt, dass Titan(IV)-oxid weit verbreitet, billig und völlig ungiftig ist. Weiterhin lässt sich mit der Grätzel-Zelle ein breiteres Lichtspektrum nutzbar machen, je nach Farbstoffkomplex bis zu 12 % mehr als in der Siliziumzelle. Der große Nachteil liegt in der Haltbarkeit einer Farbstoff-Solarzelle. Leider werden durch die ständigen Oxidations- und Reduktionsvorgänge in der Zelle die Farbstoffe angegriffen und nach und nach zersetzt, wodurch das System an Leistung einbüßt. Die ISS rast mit einer Geschwindigkeit von 28.000 km/h in einem Orbit, der leicht von allen internationalen Partnern erreicht werden kann. Die Höhe gestattet eine exzellente Erdbeobachtung mit einer Erfassung von 85 Prozent des Globus und einem Überflug von 95 Prozent der Erdbevölkerung. Die Aufgaben der Crew sind die Schwerelosigkeitsforschung, Erdbeobachtung, Extraterrestrik und die Entwicklung neuer Technologien. Des Weiteren soll die Station als Außenposten zum bemannten Marsflug genutzt werden. Auf ihrem Weg einmal um die Erde vergeht für die ISS eine Umlaufzeit von 90 Minuten. Sie befindet sich dabei exakt die Hälfte der Zeit in orbitaler Dunkelheit. Die Photovoltaikanlage liefert während dieser Zeit keinen Strom, weswegen zuvor die elektrische Energie gespeichert werden muss. In den USamerikanischen Segmenten sind hierfür Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren zuständig. Im russischen Teil übernehmen diese Aufgabe Nickel-CadmiumAkkumulatoren. Versuch 6 NiFe-Akkumulator Versuchsbeschreibung: Materialien: Becherglas (250 mL), 2 Kabel, 1 Nickelbleche, Eisenblech, Netzteil, Voltmeter, Elektromotor 34 Chemikalien: Schwefelsäure Gefahrensymbol: C (c = 1mol/L) R: 35 Nickelsulfat S: 26-30-36/37/39-45 Gefahrensymbol: Xn, N R: 22-40-42/43-50/53 S: 2-22-36/37-60-61 Kaliumhydroxid Gefahrensymbol: C (c = 1 mol/L) Durchführung: R: 35 S: 26-36/37/39-45 Die Nickelbleche werden zunächst mit etwas verdünnter Schwefelsäure gereinigt. Ein Nickelblech wird mit einer fein verteilten Nickelschicht überzogen. Dazu wird es als Kathode gegen das andere Nickelblech geschaltet und bei 2 V etwa 5 Minuten elektrolysiert. Als Elektrolyt dient eine etwa 2molare Nickelsulfat-Lösung. Das präparierte Nickelblech wird kurz abgespült und an den Pluspol des Netzteils geklemmt. Das Eisenblech wird an den Minuspol geschaltet. Beide Bleche werden in die 1 molare Kaliumhydroxid-Lösung gehängt. Es wird wiederum bei 2 Volt und diesmal für eine Minute elektrolysiert. Danach wird das Netzteil entfernt und die Spannung zwischen den Elektroden gemessen. Als Verbraucher dient im Anschluss ein kleiner Elektromotor. Beobachtung: Beim Ladevorgang überzieht sich die Nickelelektrode mit einem schwarzen Belag, der beim Entladen wieder verschwindet. An der Eisenelektrode beobachten. Nach ist deutlich dem eine Aufladen Gasentwicklung ist zwischen zu den Metallelektroden eine Spannung von 1,3 V messbar. Der Motor dreht sich anschließend schnell und mehrmals bis er wieder völlig zum Stehen kommt. Auswertung: Nachdem die Metallbleche in die KOH-Lösung eingetaucht werden, überziehen sie sich unsichtbar für den Betrachter mit einer Ni(II)-hydroxid bzw. Fe(II)-hydroxid Schicht. Während des Ladevorgangs wird Ni(II) oxidiert und Fe(II) reduziert. Beim 35 Entladeprozess wird dieser Vorgang umgekehrt. Hier läuft die Redox-Reaktion freiwillig ab. Die alkalische Lösung von Kaliumhydroxid dient als Elektrolyt. Wie in den folgenden Reaktionsgleichungen zu sehen werden Hydroxid-Ionen bei der Redox-Reaktion umgesetzt. Ladevorgang: +2 Anode: +3 2 Ni(OH)2(s) + 2 OH-(aq) 2 NiOOH(s) + 2 e- + 2 H2O (schwarz) +2 Kathode: 0 Fe(OH)2(s) + 2 e- Fe(s) + 2 OH-(aq) Entladevorgang: +3 Kathode: +2 2 NiOOH(s) + 2 e- + 2 H2O 2 Ni(OH)2(s) + 2 OH-(aq) 0 Anode: +2 Fe(s) + 2 OH-(aq) Fe(OH)2(s) + 2 e- Gesamtreaktion: +2 +2 0 Laden 2 Ni(OH)2(s) + Fe(OH)2(s) +3 Fe(s) + 2 NiOOH(s) + 2 H2O Entladen Die Gasentwicklung ist dadurch zu erklären, dass beim Ladevorgang nicht nur Fe(II), sondern auch Oxonium-Ionen, die aus der Dissoziation von Wasser vorliegen, reduziert werden. +1 Kathode: 2 H3O+(aq) 0 +2 e- H2(g) + 2 H2O Den Aufbau eines NiFe-Akkumulators bezeichnet man wie alle Akkumulatoren als ein Sekundärelement. Dabei handelt es sich um ein Galvanisches Element, welches nach dem Entladevorgang durch Anlegen einer elektrischen Spannung wieder aufgeladen werden kann. Im Gegensatz zu Batterien (Primärelementen) sind die ablaufenden Redox-Reaktionen hierbei also umkehrbar. NiCd-Akkumulatoren funktionieren nach dem gleichen Prinzip wie der NiFe-Akkumulator. Beim Ladevorgang wird hier lediglich anstatt des Eisens zweiwertiges Cadmium zu elementarem Cadmium reduziert. Der große Vorteil in der Verwendung eines Übergangsmetalls aus der 12. Gruppe (Zn, Cd, Hg) liegt darin, dass Wasserstoff an 36 ihnen eine große Überspannung hat. Die Reduktion von Oxonium-Ionen zu DiWasserstoff findet hier nicht statt. Der Nachteil besteht jedoch darin, dass Cadmium als Schwermetall sehr giftig ist und somit Entsorgungsprobleme entstehen. Wieso verläuft aber beim Entladen die Oxidation von Eisen zu Fe(II) bzw. Cadmium zu Cd(II) und die Reduktion von Nickel(III)oxid-hydroxid (NiOOH) zu Nickel(II)hydroxid freiwillig ab? Allgemein formuliert kann man den Befund, indem man edle und unedle Metalle gegenüberstellt. Eisen bzw. Cadmium ist unedler als Nickel. Nickel ist demnach eher bestrebt in seiner reduzierten Form als elementares Nickel vorzuliegen als Eisen und Cadmium. Das Reduktionspotential von Nickel ist also größer. In der Spannungsreihe nimmt das Standardpotential vom System Ni/Ni(II) gemessen gegenüber der Standardwasserstoffelektrode einen Wert von E° = -0,21 V an. Dieser Wert ist positiver als die Standardpotentiale der Systeme von Fe/Fe(II) und Cd/Cd(II): Fe Fe2+ + 2 e- E° = - 0,41 V Cd Cd2+ + 2 e- E° = - 0,40 V H2 + 2 H2O 2 H3O+ + 2 e- E° = 0 V Im Ni/Cd-Akkumulator liegen anders als in anderen Galvanischen Elementen jedoch keine Metall-Ionen in Lösung vor. Daher müssen die Standardpotentiale der eigentlichen Reaktionen herangezogen werden: +2 2 Ni(OH)2(s) + 2 OH-(aq) 0 Cd(s) + 2 OH-(aq) +3 2 NiOOH(s) + 2 e- + 2 H2O E°Ni = + 0,49 V + 2 e- E°Cd = - 0,81 V +2 Cd(OH)2(s) Aus dem Bestreben von Ni(III) zu Ni(II) zu reduzieren und von Cd zu Cd(II) zu oxidieren resultiert die Elektromotorische Kraft (EMK) dieses Elements. Sie errechnet sich aus der Differenz beider Elektrodenpotentiale, die für andere Galvanische Elemente mit der NERNST’schen Gleichung bestimmt werden. Wie bereits erwähnt liegt keins der beiden Metalle als Ionen in Lösung vor. Die Konzentrationen bzw. Aktivitäten der Metalle sind im Festkörper auf den Wert 1 zu setzen. Es ergibt sich: EMK(NiCd-Akku) = ENi - ECd = E°Ni - E°Cd = 0,49 - (- 0,81) = 1,3 V 37 Die gleiche Spannung wurde auch im NiFe-Akkumulator abgenommen. Das Standardpotential zwischen Eisen und Eisenhydroxid nimmt demnach den gleichen Wert an, wie das des Systems Cadmium/Cadmiumhydroxid. 5. Fazit und Schulrelevanz Die Versuche wurden nach Schultauglichkeit ausgesucht, leicht modifiziert oder wie im Falle des Photo-Fenton-Experiments neu erdacht. Die Behandlung der Versuche im Unterricht kann in folgende Themengebiete des Hessischen Lehrplans für Gymnasien (G8) eingebettet werden. • 7G Luft (Quantitative Zusammensetzung) • 7G Wasser und Wasserstoff (Wasserstoff als Energieträger) • 8G Elektrolyse • 10G Ausgewählte Redox-Reaktionen (Elektrochemische Spannungsquellen, Elektrolyse, Redoxvorgänge) • 11G fakultativ: Farbstoffe (Struktur und Lichtabsorption) • 12G Wahlthema Angewandte Chemie • • – natürliche Farbstoffe und Pigmente – Abwasseranalytik und -aufbereitung 12G Wahlthema Elektrochemie – elektrochemische Spannungsreihe – Galvanische Elemente, elektrische Stromerzeugung – Elektrolyse Projektarbeit im FÜU („Die ISS“) – Politik: Internationales Gesetz, Internationale Zusammenarbeit) – Geschichte: Kalter Krieg – Biologie: Muskeln, Pflanzenwachstum, -physiologie – Physik: Gravitation, Vakuum 38 6. Abbildungsverzeichnis Abb. 1: Abb. 2: Abb. 3: Abb. 4: Abb. 5: Abb. 6: Abb. 7: Abb. 8: Abb. 9: Abb. 10: Abb. 11: Abb. 12: http://de.wikipedia.org/wiki/Juri_Alexejewitsch_Gagarin (11.07.07) http://www.stefan-arold.de/pics-sixties/mondlandung.jpg (11.07.07) http://www.spacefacts.de/iss/patches2/iss_project.jpg (28.06.07) übers. nach: http://www.spaceref.com/iss/ops/iss.familiarization.pdf (S.62) (17.06.07) http://de.wikipedia.org/wiki/Brennstoffzelle (09.06.07) http://www.physik.fu-berlin.de/schulkontakte/physlab/labor/img/ Brennstoffzelle.pdf (S.4) (09.06.07) http://www.physik.fu-berlin.de/schulkontakte/physlab/labor/img/ Brennstoffzelle.pdf (S.9) (09.06.07) http://www.physik.fu-berlin.de/schulkontakte/physlab/labor/img/ Brennstoffzelle.pdf (S.10) (09.06.07) http://www.computerbase.de/lexikon/Gr%C3%A4tzel-Zelle (11.07.07) http://www.science-forum.de/download/graetzelober.pdf (S.4) (10.07.07) http://www.science-forum.de/download/graetzelober.pdf (S.5) (10.07.07) http://www.farbstoffsolarzelle.de (10.07.07) 7. Literatur ISS: http://www.astronomie.de/raumfahrt/iss/newsarchiv/iss-2.htm http://www.spaceref.com/iss/ops/iss.familiarization.pdf http://www.raumfahrer.net/raumfahrt/bemannt/home.shtml http://www.dglr.de/ http://www.astrolabium.net/ Allgemeines: Riedel, E. (1999): Anorganische Chemie. Berlin, New York. De Gruyter. Hollemann, A. / Wiberg N. (1995): Lehrbuch der Anorganischen Chemie. Berlin, New York. De Gruyter. http://www.dlr.de/schoollab/desktopdefault.aspx/tabid-1736/2332_read-3746/ http://www.merck-chemicals.de/ 39 Brennstoffzelle: Fachbereich Chemie: Skript zur Lehrerfortbildung. Versuch Nr.7. Philipps-Universität Marburg. Woyke, A. / Führ, U.: Praktikumsskript: Bau und Funktionsweise einer Grätzelzelle. Sek I. Universität Siegen Prof. Waas (2005): Maschinentechnisches Praktikum: Brennstoffzellen-Versuch. Fachbereich Maschinenbau/ Fahrzeugtechnik/Flugzeugtechnik der Fachhochschule München. http://www.physik.fu-berlin.de/schulkontakte/physlab/labor/img/Brennstoffzelle.pdf CO2-Springbrunnen: van der Veer / W, de Rijke, P. (1994): Die Löslichkeit von Kohlendioxid in Wasser – ein verblüffendes Experiment. CHEMKON 2 Elektrolyse von Wasser: http://www.chemieunterricht.de/dc2/echemie/elh2oev.htm http://www.chemieunterricht.de/dc2/echemie/h2o-elek.htm Grätzelzelle: Woyke, A. / Führ, U.: Praktikumsskript: Bau und Funktionsweise einer Grätzelzelle. Sek I/II. Universität Siegen http://www.sfv.de/briefe/brief95_3/sob95314.htm http://www.unibayreuth.de/departments/didaktikchemie/cnat/kunststoffe/solarzelle_e_l.htm http://martin.wierzbicki.org/list_category.php?ID=5 NiFe-Akkumulator: Winter, M. / Besenhard, J. (1999): Wiederaufladbare Batterien – T1. In: Chemie in unserer Zeit Nr. 5. Winter, M. / Besenhard, J. (1999): Wiederaufladbare Batterien – T2. In: Chemie in unserer Zeit Nr. 6. Photo-Fenton-Reaktion: Arbeitsgruppe Angewandte Elektrochemie und Chemische Umwelttechnik der der TU München: Oxidativer Abbau von refraktärem CSB mit Fentons Reagenz http://www.dlr.de/schoollab/Portaldata/24/Resources/dokumente/kp/Experimentbesch reibung_Solare_Wasserreinigung.pdf Sauerstoffdarstellung aus KClO3 Fluck, E. /Mahr, C.(1985): Anorganisches Grundpraktikum. VCH. Weinheim. 40
