Anorganische Chemie
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Anorganische Chemie Anorganik ist mehr als nur Salze; hier gibt es Antworten auf Fragen rund um die "unbelebte Chemie" der Elemente und ihrer Verbindungen.

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Alt 25.09.2015, 15:40   #1   Druckbare Version zeigen
Ille  
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 5
Auftrieb durch Gasentwicklung

Hallo Leute,

die Idee ist, ein variables Auftriebssystem für Unterwasserfahrzeuge zu bauen.

Wir müssen also Unterwasser nach Bedarf Gas erzeugen. Eine Druckgasflasche hat zu wenig Kapazität. Im einfachsten Fall könnte man doch durch eine Reaktion flüssiger oder fester Stoffe Gas erzeugen. Dafür bieten sich Reaktionen mit H2O besonders an, H2O könnte man über feine Ventile dosiert zugeben und das Gas (in dem Fall wahrscheinlich H2) in einer Blase auffangen.

Das Problem ist, dass die meisten Reaktionen ziemlich unkontrollierbar ablaufen (Calciumcarbid, Na,...) oder vergleichsweise wenig Gas erzeugen (NH4NO2...). Zudem sollte man auch keine giftigen Stoffe einsetzen oder erhalten.

Hat irgendjemand eine gute Idee für eine geeignete Reaktion? Es können auch beide Edukte mitgenommen werden und/oder die Reaktion mit gemäßigten Temperaturen gesteuert werden.

Vielen Dank!
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Alt 25.09.2015, 15:54   #2   Druckbare Version zeigen
Cyrion Männlich
Mitglied
Beiträge: 6.445
AW: Auftrieb durch Gasentwicklung

Wenn Du das Wasser sparsam zudosierst, wird das nicht allzu schnell reagieren.

Es gibt aber auch relativ ungefährliche Reaktionen von z.B. Soda oder Natron mit Essigsäure oder Zitronensäure. Bei Soda/Zitronensäure kann es sein, dass Dir bei Wasserzugabe sehr viel abreagiert, da es nur als Katalysator bzw. Reaktiosmedium wirkt und sogar noch zusätzlich entsteht:

3 Na2CO3 + 2 Zitronensäure -> 2 Natriumcitrat + 3 CO2 + H2O.

Es spricht aber nichts dagegen, dass der eine oder der andere Feststoff zugegeben wird oder als Lösung zugegeben wird.
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Philippus Theophrastus Aureolus Bombastus von Hohenheim: Allein die Dosis machts, daß ein Ding kein Gift sei.

Erfahrung: Wenn es so einfach wäre, hätte es schon längst jemand gemacht
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Alt 28.09.2015, 10:41   #3   Druckbare Version zeigen
Ille  
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 5
AW: Auftrieb durch Gasentwicklung

Danke für die Antwort, werde es wohl mal selber ausprobieren müssen

Spannend wirds ja noch bei der Druckabhängigkeit der Reaktion, bei 100m Wassertiefe haben wir ja schon 10 Bar...
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Alt 28.09.2015, 10:46   #4   Druckbare Version zeigen
Cyrion Männlich
Mitglied
Beiträge: 6.445
AW: Auftrieb durch Gasentwicklung

Dann empfielt es sich auf Gase wie Wasserstoff umzusteigen. Auch hier kann durch Zugabe von Essig auf Metalle wie z.B. Aluminium etwas erreicht werden. Aufgrund der Passivierung von Al sollte hier aber auch mit Salzwasser gearbeitet werden.
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Alt 28.09.2015, 11:57   #5   Druckbare Version zeigen
mgritsch Männlich
Mitglied
Beiträge: 2.008
AW: Auftrieb durch Gasentwicklung

Abgesehen von der praktischen Umsetzung (Kontrollierbarkeit, Reaktionsgeschwindigkeit,...) mal nur auf Kapazität gerechnet:

Ein sehr vielversprechendes System wäre sicher NaHCO3 + Citronensäure.
Die reagieren nach 3 NaHCO3 + 1 Citronensäure -> 3 CO2 + TriNaCitrat.
Eine 3:1 (mol) Mischung der beiden hätte eine Dichte von 1,98 (maximal kompaktiert).

In einen 10l Vorratsbehälter passen also 19,8 kg.
19,8 kg der Mischung entspricht 44,5 mol.
44,5 Mol ergeben 133,6 mol CO2-Gas, das sind ziemlich genau 3000 liter bei 1 bar.

Ein 10l-Tank mit Pressluft bei 300 bar (im Tauchen durchaus üblich) bringt auch 3000 liter zu 1 Bar hervor.

Eine Mehrkapazität gibt es also dadurch nicht, nur mehr Gewicht, das Ganze kann deutlich schwerer gesteuert werden als einfach ein Ventil nach Bedarf auf und zu zu machen und es funktioniert genau ein mal und nie wieder (ein Presslufttank kann mit einer Pumpe auch unter Wasser immer wieder befüllt werden, man muss das Gas nicht Abblasen!), du musst die Feststoff-Abfälle danach entsorgen und du hast ein Risiko bei CO2-Austritt aus dem System bzw. kannst du damit Wasser nicht direkt verdrängen da es sich unter Druck einfach darin auflösen würde. Alles in allem eine sehr schlechte Idee.

Wasserstoff: nehmen wir mal etwas leichtes und reaktives wie Mg + Essigsäure.
Nach Mg + 2 Hac -> H2 + MgAc2 lassen wir Wasserstoff entstehen.
In einen 10l Vorratsbehälter passen 11,2 kg der stöchiometrischen Mischung, das wären 77,9 mol.
Das ergibt 77,9 mol H2 und das sind 1745 liter.
Noch viel schlechter, noch langsamere Reaktion, noch gefährlicher (H2 versprödet Eisen und diffundiert langsam durch! Plus: Explosionsgefahr), noch teurer, ebenfalls nur einmalig...

Ammoniumnitrit thermisch zu N2 zersetzen: NH4NO2 -> N2 + 2H2O
Dichte = 1,69, in einen 10l - Vorratsbehälter passen also 16,9 kg, das sind 263,9 mol, ergibt 263,9 mol N2 oder 5.911 Liter Gas. Das wäre erstmalig ein Kapazitätsgewinn. Ob man sich das Risiko antun will eine so gefährlliche Chemikalie herumzuführen und thermisch kontrolliert zu zersetzen ist eine andere Frage. Alleine der Energieaufwand für die therm. Zersetzung wäre enorm.

Beliebig viel Gas kann man natürlich durch Elektrolyse des umgebenden Wassers erzeugen. Ob man aber auf Knallgas sitzen will ist eine andere Frage.

Ich befürchte das wird nix.
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Alt 28.09.2015, 12:40   #6   Druckbare Version zeigen
Ille  
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Themenersteller
Beiträge: 5
AW: Auftrieb durch Gasentwicklung

Danke mgritsch.

Ich hatte befürchtet, dass die Gasproduktion der chemischen Reaktionen auch nicht besonders hoch ist. Danke nochmal für Deine Ausführungen.

Über Elektrolyse hatte ich auch schonmal nachgedacht. Es gibt sogar kommerzielle Membranen, die brauchen jedoch hochreines Wasser. Aber aus 10 l H2O kann man dann > 12 000 l H2 gewinnen, die bisher höchste Effizienz. Den Sauerstoff würde ich aus Sicherheitsgründen nicht sammeln. Die Problematik des Knallgases sollte Unterwasser ohne Sauerstoff dann hoffentlich auch nicht so dramatisch sein. Und eine Gummiblase kann man regelmäßig kostengünstig austauschen, somit sollte sich Korrosion im Rahmen halten.

Leider gibts nichts vergleichbares mit einem weniger reaktiven Gas. Alles nur mit H2 - z.B. auch die Speicherung in metal-organic-frameworks (MOFs). Dort kann man wohl H2 in einem pseudo-flüssigen Zustand bei hoher Dichte lagern und bei T<100°C wieder "auskochen" (-> Hydrogen Storage). Der Prozess ist dann sogar reversibel.

Aber das ist dann schon eher Physik/ Materialwissenschaft...

Werde mal weiter in diese Richtung überlegen, freue mich aber auch über weitere Kommentare.
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Alt 28.09.2015, 12:43   #7   Druckbare Version zeigen
Cyrion Männlich
Mitglied
Beiträge: 6.445
AW: Auftrieb durch Gasentwicklung

Ich hoffe mal, dass ganze ist Hobby und unbemannt. Ansonsten: Fachleute. Einstellen oder so bezahlen. Subaquatische Nautik ist kein Kinderspiel.

Mal ehrlich: keine Ahnung,was die 100 m Tiefe sollen.

Wirtschaftlich würde ich hier ein Höhenruder einsetzen. Das braucht mal wohl eh.
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Erfahrung: Wenn es so einfach wäre, hätte es schon längst jemand gemacht
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Alt 28.09.2015, 12:50   #8   Druckbare Version zeigen
Ille  
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 5
AW: Auftrieb durch Gasentwicklung

Wieso? Ich wollte mir ein U-Boot aus einem alten Holzfass und Bindfaden bauen und damit in den Mariannengraben

Nein, das soll in einen unbemannten Gleiter, der sich nur durch Auf-/Abtrieb vorwärtsbewegt. Je länger der Weg, desto weniger Zyklen, desto effizienter. Daher bis 100 m.
Ille ist offline   Mit Zitat antworten
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Alt 28.09.2015, 12:58   #9   Druckbare Version zeigen
safety  
Mitglied
Beiträge: 1.625
AW: Auftrieb durch Gasentwicklung

Haben Sie mal im Bereich U-Boot genauer geschaut, welche Methode ausser den von Ihnen genannten den gewünschten Erfolg bringen könnten. Anbei eine Liste von Möglichkeiten im Modellbau
http://www.rc-sub.com/resources/index.php5
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Alt 28.09.2015, 13:11   #10   Druckbare Version zeigen
Cyrion Männlich
Mitglied
Beiträge: 6.445
AW: Auftrieb durch Gasentwicklung

Dann würde ich das Volumen mechanisch verändern. Das ist reversibel.

Trotz allem halte ich angesichts des Energieerhaltunssatzes einen klassischen Motor für sinnvoller. Das muss technisch nicht so ausgereift sein. Volumenarbeit unter hohem Druck bei gringen Energien halte ich für schwer einstellbar.
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Alt 28.09.2015, 13:22   #11   Druckbare Version zeigen
mgritsch Männlich
Mitglied
Beiträge: 2.008
AW: Auftrieb durch Gasentwicklung

Zitat:
Zitat von Ille Beitrag anzeigen
Den Sauerstoff würde ich aus Sicherheitsgründen nicht sammeln. Die Problematik des Knallgases sollte Unterwasser ohne Sauerstoff dann hoffentlich auch nicht so dramatisch sein.
hätte ich genau umgekehrt gesehen. Sauerstoff ist relativ leicht handhabbar, man muss nur organisches Material fernhalten (Selbstentzündung). Wasserstoff ist extrem schwer handhabbar (eben aus genanntem Grund der Auflösung in Metallen.

Aber so oder so hat Cyrion Recht: ein einfacher hydraulischer Zylinder der die Volumsanpassung vornimmt ist zum Tarieren alles was du brauchst. Im Prinzip musst du das Gefährt annähernd neutral tariert bauen und kannst dann über eine geringe Volumsänderung Auftrieb oder Abtrieb erreichen. Macht jeder Taucher mit Jacket bzw. Lunge. Mehr braucht es nicht. Dabei kann die erforderliche Energiemenge zum Betrieb der Hydraulik sehr effizient umgesetzt werden, du hast keine komplizierten stark Verlustbehafteten und elends langsamen Prozesse wie in der Elektrolye. Der einzige Charme einer chemischen Lösung wäre ja, dass keine größeren Eneergiespeicher erforderlich sind, nur etwas Steuerelektronik. Andererseits: mehr als auf-ab schaffst du damit auch nicht, für Vorwärts braucht es erst wieder ordentlich andere Energie.

Ob man das bisschen Volumsänderung im Inneren des Gefährts dann auch mit einem Druckausgleich versieht (dafür kommt dann wohl am ehesten Luft in Frage) sei dahingestellt. Unbemannt ist nicht mal das erforderlich.

Deine Vorstellung von "Gummiblasen" ist jedenfalls ein wenig blauäugig
mgritsch ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 28.09.2015, 14:46   #12   Druckbare Version zeigen
Tiefflieger Männlich
Moderator
Beiträge: 5.567
AW: Auftrieb durch Gasentwicklung

Zitat:
Zitat von Ille Beitrag anzeigen
...Nein, das soll in einen unbemannten Gleiter, der sich nur durch Auf-/Abtrieb vorwärtsbewegt. Je länger der Weg, desto weniger Zyklen, desto effizienter. Daher bis 100 m.
Klingt für mich wenig effektiv. Um entsprechenden Vortrieb zu erzeugen muss die Auf- und Abtriebsgeschwindigkeit hoch sein. Dies ist nur mit entsprechend höher Änderung des Auftriebs möglich, was natürlich auch entsprechend viel Energie benötigt. Da dürfte ein ausbalanciertes System welches also praktisch "schwebt" mit leichtem Vortriebsmotor effektiver sein. Wenn es unbedingt sein muss, kann man da dann das Gas für den Vortrieb erzeugen. Gibt es doch als Spielzeug, nennt sich Brauseboot oder so.
__________________
Vernünftig ist, dass die politischen Spitzen, wenn sie miteinander sprechen, darüber sprechen, wie mit der Sache umzugehen ist, wie ernst Vorwürfe zu nehmen sind und wie man damit umgeht, Vorwürfe zu besprechen, zu klären, zu verifizieren oder aus der Welt zu schaffen. (2013 Regierungssprecher Seibert)
Tiefflieger ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 29.09.2015, 14:52   #13   Druckbare Version zeigen
Ille  
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 5
AW: Auftrieb durch Gasentwicklung

As usual gehen die Disskusionen wiedermal in die falsche Richtung.

Es gibt keine energiesparendere Fortbewegungsart als Gleiten! Ich investiere ein paar mWh um den Auftrieb zu ändern und kann bei ausreichender Wassertiefe mehrere km ohne Energieaufwand zurücklegen. Damit werde ich keine Geschwindigkeitsrekorde aufstellen, mit dem "Faustkeil" Propellerantrieb komme ich aber nie so weit!
Und ineffizienter als "Brausemotor" geht kaum.

Mechanisch schön und gut, aber einen Elektromotor mit Wellendurchführung bis 100 m wasserdicht zu Hausen... Viel Spaß!
Einen Zylinder mit verschiebbarer Wand bis 10 bar zu dichten und trotzdem noch leicht beweglich zu halten ist auch nicht ohne. Drucktank und Druckpumpe bis 10 bar werden größer als das ganze Gefährt - also auch nicht praktikabel.

Trotzdem Danke für die Beiträge!
Ille ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 29.09.2015, 15:26   #14   Druckbare Version zeigen
mgritsch Männlich
Mitglied
Beiträge: 2.008
AW: Auftrieb durch Gasentwicklung

Zitat:
Zitat von Ille Beitrag anzeigen
Es gibt keine energiesparendere Fortbewegungsart als Gleiten! Ich investiere ein paar mWh um den Auftrieb zu ändern und kann bei ausreichender Wassertiefe mehrere km ohne Energieaufwand zurücklegen.
Ich glaube du hast da ein Perpetuum Mobile erfunden?
Stellen wir uns mal vor du setzt so ein Gefährt - mit negativem Auftrieb - ins Wasser. Dann wird es - kraft garvitation und schräg angestelltem Ruder langsam vorwärts/nach unten sinken. Das hat bisher keine "zusätzlich" Energie gekostet, du hast lediglich die potenzielle Energie in kinetische umgewandelt.

So, nun willst du es wieder irgendwann an der Oberfläche haben. Und nun musst du die "verlorene" potenzielle Energie wieder hineinstecken indem du ganz kräftig gegen den äußeren Druck Arbeit leisten musst. Mit "paar mW" kommst du da nicht weit. Auch wenn du die Energie nicht einer Steckdose entnimmst sondern einer chemischen Reaktion, die muss wieder rein.

Chemische Reaktionen setzen auch ganz hübsch was an Energie um (Größenordnung: 100 kJ/mol = 0,027 kWh; in meinen 10-liter-Beispielen stecken Mengen von ca 50 mol drin, das wären dann ca 1-2 kWh!) Die Energie die dabei als Wärme frei wird bleibt sogar weitgehend ungenutzt. MIt gasen arbeiten ist wegen deren kompressibilität sogar besonders ungünstig.

Hydraulikzylinder (die weit mehr als nur 10 bar schaffen!) gibt's fix fertig in allen möglichen Größen. Deren Leistungsaufnahme müsste man mal im einzelnen prüfen, ist aber deutlich weniger als das was du mit deinem chemikalientank umsetzt. (zB: Leistungsstark mit 1000W, einmal Pumpen für 1 minute = 0,016 kWh!)

p.s.: irgendwie "vorwärts" kommst du mit dem Bauprinzip schon, aber wie hast du dir vorgestellt gegen Strömungen anzugehen/zu steuern?
Das Meer ist kein stillstehendes Schwimmbecken. Dein langsames Auf- und Ab-Gleiten dürfte bald in eine recht beliebige Richtung gehen.
Meeresströmungen können schon ohne besondere Verhältnisse ein paar km/h erreichen. Da muss dein Gefährt auf jeden fall schneller sein sonst geht's rückwärts. Und bei seitlicher Anströmung mit einem Ruder dagegen kostet auch anteilig Geschwindigkeit.

Geändert von mgritsch (29.09.2015 um 15:34 Uhr)
mgritsch ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 29.09.2015, 15:59   #15   Druckbare Version zeigen
mgritsch Männlich
Mitglied
Beiträge: 2.008
AW: Auftrieb durch Gasentwicklung

Nachtrag:
mit der Stokesschen Gleichung https://de.wikipedia.org/wiki/Stokessche_Gleichung kannst du mal die Sinkgeschwindigkeit (für einen Kugelförmigen Körper) abschätzen. Dein Dichteunterschied ergibt sich aus der Volumsänderung die dein Gefährt zusammenbringen kann.

Wenn du zB dein Ruder auf 45° stellst wird daher max. die Hälfte der Sink-Geschwindigkeit nach vorne gehen. Wenn du eine hohe Gleitzahl wählst um pro "Hub" möglichst weit zu kommen bleibt bald keine messbare Vorwärts-Geschwindigkeit mehr übrig weil auch keine Sinkgeschwindigket mehr zustandekommt...

Der Golfstrom hat eine Geschwindigkeit von 1,8 m/s. Schaffst du es, dein Gefährt mit 3,6m/s sinken zu lassen könntest du gerade mal gegenhalten und stillstehen, würdest es aber nie bis Amerika schaffen. Aus der Stokes-Gleichung kannst du ja mal rückrechnen wieviel Dichte-Unterschied dafür nötig ist um so viel Sinkgeschwindigkeit zu schaffen und was das bei einer bestimmten angenommenen Größe des Gefährts für einen Volums-Hub deines "Ballons" (oder besser gleich: Hydraulikzylinder) bedeutet.

Bei 45° Ruderstellung würdest du mit einem "Hub" immer genau so weit vorwärts kommen wie du tief gehst. Wenn du dein Tiefenlimit auf 100m setzt, dann musst du alle 200m wieder gegen den Außendruck "anpumpen". Je nach Entfernung wirst du also schon ganz schön oft "ausblasen" müssen...
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