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27.05.11 Grüner Raketentreibstoff basiert auf ionischer Flüssigkeit und Wasserstoffperoxid

Umweltfreundlichere Raketen

Wasserstoffreiche ionische Flüssigkeit als Reaktionspartner für Wasserstoffperoxid in Hochleistungstreibstoffen

Abb. 1: Als Raketentreibstoff sind ionische Flüssigkeiten (ILs) wegen ihrer geringen Dampftoxizität ein vielversprechender Ersatz für Hydrazin, allerdings müssen auch Alternativen zu giftigen Oxidationsmittel wie HNO3 oder N2O4 gefunden werden. In der aktuellen Publikation werden ILs vorgestellt, die mit H2O2 Hypergole bilden (siehe Bild); die wasserstoffreiche Zusammensetzung steigert zudem ihre Leistungsfähigkeit.
Quelle: Angewandte Chemie

Viele Raketen, Satelliten und Raumsonden werden mit Hydrazin angetrieben, manchmal zusammen mit einem Oxidationsmittel, wie Salpetersäure oder Distickstofftetroxid. Technisches Personal, das die Tanks befüllt, muss sich mit kompletten Schutzanzügen vor diesen hochgiftigen Substanzen schützen. Wenn ein Raketenstart misslingt, kann es zu erheblichen Umweltgefahren kommen. Forscher suchen daher nach Alternativen, die umweltfreundlicher und weniger toxisch, dabei aber genauso leistungsfähig sind – Forderungen, die sich schwer vereinen lassen. Stefan Schneider und seine Kollegen vom Air Force Laboratory (Edwards, USA) stellen in der Zeitschrift Angewandte Chemie nun einen neuen Ansatz vor: spezielle wasserstoffreiche ionische Flüssigkeiten, die in Kombination mit Wasserstoffperoxid selbstentzündlich sind.

Trotz seines Gefahrenpotenzials wird Hydrazin als Raketentreibstoff eingesetzt, da der Stoff eine hohe Leistung entwickelt, über einen relativ langen Zeitraum gelagert werden kann und sich beim Kontakt mit einem Oxidationsmittel oder einem geeigneten Katalysator spontan entzündet. Auch die Oxidationsmittel für Raketentreibstoffe sind gefährlich. Distickstofftetroxid N2O4 ist zwar weniger korrosiv als Salpetersäure, aber es ist toxisch und leicht flüchtig. Eine interessante Alternative stellt Wasserstoffperoxid dar: Es ist weniger korrosiv und setzt bei Raumtemperatur deutlich weniger toxische Gase frei. Bei seiner Zersetzung entstehen nur Wasser und Sauerstoff.

Als Alternative zu Hydrazin als Treibstoff-Komponente schlagen Schneider und seine Kollegen eine ionische Flüssigkeit vor. Ionische Flüssigkeiten sind Verbindungen, die wie Salze aus Ionen, also positiv und negativ geladenen Teilchen, bestehen, die aber nicht als Kristalle vorliegen, sondern schon bei Raumtemperatur zur Flüssigkeit geschmolzen sind. Eine ionische Flüssigkeit verdampft so gut wie gar nicht. Entsprechend können auch keine toxischen Dämpfe entstehen. Bisher war es jedoch nicht gelungen, eine ionische Flüssigkeit herzustellen, die mit Wasserstoffperoxid zündfähig ist.

Das Team um Schneider hat diese Hürde nun gemeistert. Das positiv geladene Ion ihrer ionischen Flüssigkeit ist ein Phosphoratom, an das vier Kohlenstoffwassertoffketten gebunden sind. Herzstück ist aber das negativ geladene Ion aus einem Aluminium-, vier Bor- und 16 Wasserstoffatomen. Die wasserstoffreiche Zusammensetzung steigert die Leistungsfähigkeit der Treibstoffkomponente. „Dieses Aluminium-Borhydridion kann man als verdichtete Form von Wasserstoff ansehen, der durch Metallatome stabilisiert ist“, so Schneider. „Auf ein gleiches Tankvolumen bezogen enthalten Flüssigkeiten mit diesem Ion sogar mehr Wasserstoff als reiner flüssiger Wasserstoff – ohne die Notwendigkeit einer aufwändigen Kühlung.“

Um die Zündfähigkeit zu testen, tropften die Forscher die neuartige ionische Flüssigkeit auf verschiedene Oxidationsmittel. Die Zündung erfolgte bei Kontakt mit Wasserstoffperoxid fast augenblicklich, mit rauchender Salpetersäure gab es eine Explosion. Schneider: „Entsprechend interessant ist sein Potenzial als Komponente für umweltverträglichere Hochleistungstreibstoffe.“.

Quelle:

Green Bipropellants: Hydrogen-Rich Ionic Liquids that Are Hypergolic with Hydrogen Peroxide
S. Schneider, et. al., Angew. Chem. 2011. DOI: 10.1002/ange.201101752

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Grüner Raketentreibstoff basiert auf ionischer Flüssigkeit und Wasserstoffperoxid
(URL: http://www.organische-chemie.ch/chemie/2011/mai/raketentreibstoff.shtm)

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