Viele auf der ganzen Welt werden diesen Samstag gespannt zusehen, wie die NASA Artemis I startet, die erste Monderkundungsmission der Agentur seit den 1970er Jahren.
Das Spektakel beinhaltet die stärkste Rakete der Welt: die Weltraumstartsystem (SLS). Mit einer Höhe von fast 100 Metern und einem Gewicht von mehr als 2.600 Tonnen erzeugt der SLS einen gewaltigen Schub von 8,8 Millionen Pfund – (mehr als das 31-fache des Schubs eines Boeing 747-Jets).
Aber es ist nicht nur erstaunliche Ingenieurskunst, die hinter Raketenwissenschaft und Weltraumforschung steht. Darin verborgen ist eine clevere Chemie, die diese fantastischen Leistungen antreibt und unser zerbrechliches Leben im Weltraum erhält.
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Der Kraftstoff und der Funke
Um eine Rakete ins All zu starten, brauchen wir eine chemische Reaktion, die als Verbrennung bekannt ist. Hier verbinden sich Brennstoffe mit Sauerstoff und erzeugen so Energie. Diese Energie wiederum liefert den Schub (oder Schub), der benötigt wird, um Mammutmaschinen wie die SLS in die obere Erdatmosphäre und darüber hinaus zu treiben.
Ähnlich wie Autos auf der Straße und Jets am Himmel haben Raketen Triebwerke, in denen die Verbrennung stattfindet. SLS hat zwei Motorsysteme: vier Kernstufen RS-25-Motoren (aufgerüstete Space-Shuttle-Motoren) und zwei Feststoffraketen-Booster. Und die Chemie sorgt für ein einzigartiges Kraftstoffgemisch für jeden Motor.
Die Triebwerke der Kernstufe verwenden eine Mischung aus flüssigem Sauerstoff und flüssigem Wasserstoff, während die Feststoffraketen-Booster, wie der Name schon sagt, einen Festtreibstoff enthalten – ein hartes, gummiartiges Material namens Polybutadien-Acrylnitril. Dieses Material ist nicht nur selbst Brennstoff, sondern enthält auch feine Partikel aus Aluminiummetall als Brennstoff mit Ammoniumperchlorat als Sauerstoffquelle.
Während der Treibstoff für die Feststoffraketen-Booster problemlos bei Raumtemperatur gelagert werden kann, müssen die Triebwerkstreibstoffe der Kernstufe bei -253 ℃ für flüssigen Wasserstoff und -183 ℃ für flüssigen Sauerstoff gelagert werden. Deshalb sehen Sie Eisplatten, die beim Start von Raketen abscheren – die Treibstoffbehälter sind so kalt, dass sie Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft gefrieren.
Aber es gibt noch eine andere interessante Chemie, die passiert, wenn wir den Brennstoff anzünden müssen. Abhängig von der Brennstoffquelle können Raketen elektrisch durch eine verherrlichte Zündkerze … oder chemisch gezündet werden.
Wenn Sie jemals einen Weltraumstart gesehen haben und über „TEA-TEB-Zündung“ gesprochen haben, bezieht sich das auf Triethylaluminium und Triethylboran. Diese beiden Chemikalien sind pyrophor, was bedeutet, dass sie spontan Feuer fangen können, wenn sie der Luft ausgesetzt werden.
Das Leben unter den Sternen erhalten
Es sind nicht nur Raketen, die von Chemie angetrieben werden. Lebenserhaltungssysteme im Weltraum beruhen auf chemischen Prozessen, die unsere Astronauten am Leben und Atmen erhalten – etwas, das wir auf der Erde oft als selbstverständlich ansehen.
Wir alle kennen die Bedeutung von Sauerstoff, aber wir atmen auch Kohlendioxid als giftiges Abfallprodukt aus, wenn wir atmen. Was passiert also mit Kohlendioxid in der abgedichteten Umgebung einer Raumkapsel wie bei den Apollo-Mondmissionen oder auf der Internationalen Raumstation (ISS)?
Erinnern Sie sich an Tom Hanks, der versucht, sich anzupassen ein quadratischer Stift in ein rundes Loch im Film Apollo 13? Das waren Kohlendioxidwäscher, mit denen die NASA dieses giftige Gas aus dem Inneren von Raumkapseln entfernte.
Diese Wäscher sind Einwegfilter, die mit verpackt sind Lithiumhydroxid (ähnlich einer Chemikalie, die Sie in Abflussreinigungsflüssigkeit finden können), die Kohlendioxidgas auf einfache Weise einfängt Säure-Base-Chemie. Während diese Scrubber Kohlendioxid hocheffizient entfernen und den Astronauten ein leichtes Atmen ermöglichen, haben die Filter eine begrenzte Kapazität. Einmal gesättigt, sind sie nicht mehr wirksam.
Für ausgedehnte Weltraummissionen ist die Verwendung von Lithiumhydroxidfiltern daher nicht praktikabel. Wissenschaftler entwickelten später ein System, das einen wiederverwendbaren Kohlendioxid-Wäscher verwendet, der aus Mineralien namens Zeolithe hergestellt wurde. Mit Zeolith kann das eingefangene Kohlendioxid in den Weltraum freigesetzt werden, und die Filter können dann mehr Gas einfangen.
Aber im Jahr 2010 fanden Wissenschaftler einen noch besseren Weg, Kohlendioxid zu handhaben, indem sie dieses Abfallprodukt in einen weiteren wesentlichen Bestandteil des Lebens umwandelten: Wasser.
Von Abfall zu Ressourcen
Das Umweltkontroll- und Lebenserhaltungssystem auf der ISS ersetzt Kohlendioxidwäscher durch die Kohlendioxid-Reduktionssystemauch als Sabatier-System bekannt. Es ist nach der für seine Funktion zentralen chemischen Reaktion benannt, die wiederum nach ihrem Entdecker benannt ist, 1912 Nobelpreis für Chemie Sieger Paul Sabatier.
Dieses System kombiniert Kohlendioxid mit Wasserstoffgas, um Wasser und Methan zu bilden. Das Methangas wird in den Weltraum entlüftet, und durch einen Prozess namens Hydrolyse wird das Wasser in atembaren Sauerstoff und Wasserstoffgas gespalten. Letzteres wird dann recycelt, um mehr Kohlendioxid in Wasser umzuwandeln.
Dieses Verfahren ist nicht nur für die Weltraumforschung nützlich. Näher an der Heimat sind Chemiker Erforschung ähnlicher Systeme um möglicherweise Treibhausgasemissionen anzugehen – obwohl es kein Allheilmittel ist, könnte die Sabatier-Reaktion uns helfen, etwas Kohlendioxid hier auf der Erde zu recyceln.
Unterdessen NASAs Artemis Moon Missionsziele die erste Frau und Person of Color auf dem Mond zu landen und eine langfristige menschliche Präsenz in einer Mondbasis aufzubauen. Die Sabatier-Reaktion und andere wenig gefeierte chemische Prozesse werden der Schlüssel zu den weiteren Weltraumbemühungen der Menschheit sein.
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