DE10020363A1 - Verfahren zum Betreiben eines Antriebes - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebes, insbesondere Flugkörperantriebes oder Wellenantriebes, beschrieben. Bei diesem Verfahren wird der Stickstoff der Luft und/oder von zugeführten Stickstoffverbindungen katalytisch mit Silicium und/oder Siliciumverbindungen, insbesondere Siliciumwasserstoffverbindungen, unter Bildung von Siliciumnitrid umgesetzt.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Be
treiben eines Antriebes, insbesondere Flugkörperantriebes
oder Wellenantriebes, bei dem der Stickstoff der Luft
und/oder von zugeführten Stickstoffverbindungen mit Sili
cium und/oder Siliciumverbindungen, insbesondere Silicium
wasserstoffverbindungen, unter Bildung von Siliciumnitrid
umgesetzt wird.
Aus der DE 44 37 524 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben
eines nach dem Rückstoßprinzip arbeitenden Antriebes eines
Flugkörpers bekannt, bei dem der Wasserstoff von Silicium
wasserstoffverbindungen zur Erzeugung hoher Temperaturen in
Gegenwart eines Sauerstoff liefernden Oxidationsmittels zu
Wasser verbrannt wird, worauf bei den sich bei der Wasser
bildung einstellenden hohen Temperaturen der Stickstoff der
Luft und/oder mitgeführter Stickstoffverbindungen mit dem
Silicium der Siliciumwasserstoffverbindungen unter Bildung
von Siliciumnitrid umgesetzt wird. Bei diesem Verfahren
wird vorzugsweise der Stickstoff der Erdatmosphäre für die
Reaktion eingesetzt. Als Siliciumwasserstoffverbindungen
finden vorzugsweise Silanöle (höhere Silane) Verwendung.
Da das durch die Stickstoffverbrennung überwiegend gebil
dete Siliciumnitrid (Si3N4) ein wesentlich höheres Moleku
largewicht als das bei Strahlturbinen entstehende Kohlen
dioxid besitzt, wird ein besonders guter Wirkungsgrad des
Antriebes erreicht. Ferner steht Stickstoff in großen Men
gen zur Verfügung, so daß sich insgesamt ein hoher Wir
kungsgrad bei niedrigen Kosten ergibt.
Aus der DE 196 12 507 A1 ist ein Verfahren zum Antreiben
einer Welle bekannt, bei dem ebenfalls Siliciumwasserstoffe
mit Luftstickstoff verbrannt werden. Um bei diesem Verfah
ren Kosten zu sparen, aber auch um eine Silicium/Sauer
stoffverbrennung völlig auszuschließen, werden den Sili
ciumwasserstoffen vorzugsweise pulverförmiges Silicium oder
Metallsilicide, beispielsweise Magnesiumsilicid, zugesetzt.
Auf diese Weise wird der 80-prozentige Stickstoffanteil der
Luft stöchiometrisch umgesetzt.
Stickstoff gilt als inertes Gas und reagiert erst oberhalb
von 1100°C mit Siliciumpulver nach folgender Gleichung zu
Siliciumnitrid Si3N4:
3Si+2N2 → Si3N4+750 kJ
Bei der Verbrennung von Siliciumwasserstoffverbindungen,
insbesondere Silanölen, mit komprimierter Luft reagiert der
Sauerstoffanteil der Luft mit dem Wasserstoff der Silan
kette nach der Gleichung
4H+O2 = 2H2O.
Bei dieser Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung werden Tempe
raturen von ca. 3000°C erreicht. Diese Temperatur ist aus
reichend, um das N2-Molekül, das durch die Zufuhr der kom
primierten Luft zur Verfügung gestellt wird, zu spalten.
Nach der Gleichung
4N+3Si = Si3N4
greifen die Stickstoffradikale nun mit extremer Heftigkeit
die freien Siliciumatome an. Es bildet sich Siliciumnitrid.
Die geschilderte Reaktion läuft nur bei entsprechend hohen
Temperaturen ab. Mit anderen Worten, bei hinreichend hoher
Temperatur werden die Siliciumwasserstoffverbindungen
letztlich in Si+H thermisch zerlegt.
Es ist ferner bekannt, Si3N4 durch Erhitzen von Silicium
pulver auf 1250-1450°C in einer Stickstoff-Atmosphäre her
zustellen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren der eingangs geschilderten Art zu schaffen, das
auf beschleunigte Weise abläuft.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der
angegebenen Art dadurch gelöst, daß der Stickstoff der Luft
und/oder von zugeführten Stickstoffverbindungen mit Hilfe
eines als Katalysator dienenden Nebengruppenelementes oder
Nebengruppenelementoxides mit Silicium und/oder Silicium
verbindungen, insbesondere Siliciumwasserstoffverbindungen,
unter Bildung von Siliciumnitrid umgesetzt wird.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß durch den Einsatz
des Nebengruppenelementes oder Nebengruppenelementoxides
als Katalysator das Silicium so aktiviert wird, daß die N2-
Spaltung und damit die Reaktion beschleunigt wird. Mit Ne
bengruppenelementen sind hierbei die entsprechenden Ele
mente der Nebengruppen des Periodensystemes der Elemente
gemeint. Nebengruppenelementoxide sind die Oxide hiervon.
Besonders gute Ergebnisse lassen sich hierbei mit den Ele
menten der Nebengruppe der Gruppe I, nämlich Cu, Ag, Au,
erzielen, wobei der Einsatz von Kupfer oder Kupferoxid zu
besonders guten Ergebnissen führt.
Für das erfindungsgemäße Verfahren werden Si und/oder Si-
Verbindungen eingesetzt. Vorzugsweise finden Siliciumwas
serstoffverbindungen, und zwar insbesondere Silanöle, Ver
wendung, hiervon bevorzugt solche mit einer Kettenlänge von
Si5H12 bis Si9H2O. Derartige Silanöle (langkettige Silane)
sind an Luft nicht mehr selbstentzündlich, besitzen die
Konsistenz von Paraffinölen und sind großtechnisch einfach
herzustellen. Sie sind pumpbar, so daß sie ohne Probleme
einer geeigneten Brennkammer zugeführt werden können.
Der erfindungsgemäß verwendete Katalysator, insbesondere
Kupfer/Kupferoxid, findet vorzugsweise als Pulver Verwen
dung, das mit dem Si oder den Si-Verbindungen vermischt,
insbesondere in die verwendeten Silanöle dispergiert wird.
Der Katalysator kann aber auch als oberflächenaktivierende
Beschichtung auf Pulver aus Si oder Si-Verbindungen aufge
bracht sein.
Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird
zweckmäßigerweise der Wasserstoff der Siliciumwasserstoff
verbindungen zur Erzeugung hoher Temperaturen in Gegenwart
eines sauerstoffliefernden Oxidationsmittels zu Wasser ver
brannt, worauf die Umsetzung des Stickstoffs mit dem Sili
cium mit Hilfe des Katalysators erfolgt.
Um den Stickstoff mit dem Silicium von Siliciumwasserstoff
verbindungen, insbesondere Silanen, reagieren zu lassen,
kann es von Vorteil sein, der eingesetzten Siliciumwasser
stoffverbindung elementares Silicium zuzusetzen, das eben
falls mit Hilfe des eingesetzten Katalysators mit dem
Stickstoff umgesetzt wird. Neben elementarem Silicium kön
nen zu diesem Zweck auch Silicide beigemengt werden.
Mit einem Heptasilan Si7H16 ergibt sich dann unter Einsatz
der beschriebenen Maßnahmen (Katalysator) folgende stöchi
metrisch 100%-ige Verbrennung eines normalen Luftgemisches
aus 20% O2 und 80% N2:
16H+4O2 → 8H2O
7Si+16N2 + zusätzlich 17 dispergierte, aktivierte
Si → 8Si3N4.
Erfindungsgemäß lassen sich somit Si und/oder Si-Verbindun
gen, insbesondere höhere Silane, auf katalytischem Wege be
schleunigt zu Siliciumnitrid umsetzen. Die bei dieser Reak
tion frei werdende Energie läßt sich zum Betreiben von An
trieben einsetzen, beispielsweise Flugkörperantrieben, wie
Raketenantrieben, Wellenantrieben etc. Derartige Antriebe
sind in dem eingangs aufgeführten Stand der Technik be
schrieben und werden an dieser Stelle nicht mehr im einzel
nen erörtert. Die Offenbarung dieses Standes der Technik
soll hiermit vollständig in die vorliegende Anmeldung auf
genommen werden.
Die Wirkung des Katalysators kann durch Promotoren, wie
beispielsweiese Zink, Zinkverbindungen, erhöht werden.
Die vorstehend beschriebene Umsetzung von Siliciumwasser
stoffen mit Stickstoff auf katalytischem Wege, insbesondere
von Silanen, läßt sich auch mit substituierten Silanen
realisieren. Beispielsweise könnte hiermit das technisch
leicht herstellbare Tetramethylsilan (CH3)4Si mit Stick
stoff zur Reaktion gebracht werden.
Silicium oder Siliciumwasserstoffverbindungen (Silane)
können auch anderen herkömmlichen Treibstoffen zugemischt
oder in diese eingebaut werden, um durch die vorstehend
beschriebene katalytische Reaktion mit Stickstoff zur Lei
stungssteigerung beizutragen. So können beispielsweise dem
Kohlenstoffbenzin eine oder mehrere Siliciumatome in sein
chemisches Molekülgerüst eingebaut werden, wofür beispiels
weise das vorstehend erwähnte Tetramethylsilan in Frage
käme.
Weiterhin können siliciumhaltige (silanhaltige) Benzine in
Keramikmotoren mit hohen Betriebstemperaturen zur Anwendung
kommen. In Brennkammern, deren Innenwände und mechanische
Elemente u. U. selbst mit Siliciumnitrid, Siliciumcarbid
o. ä. beschichtet sind, könnte das bei den hohen Temperatu
ren flüssige/gasförmige Verbrennungsprodukt Siliciumnitrid
als Schmiermittel fungieren, das durch die Verbrennung
selbst in das System gelangt und so immer ausreichend vor
handen ist.
Claims (8)
1. Verfahren zum Betreiben eines Antriebes, insbesondere
Flugkörperantriebes oder Wellenantriebes, bei dem der
Stickstoff der Luft und/oder von zugeführten Stick
stoffverbindungen mit Hilfe eines als Katalysator die
nenden Nebengruppenelementes oder Nebengruppenelement
oxides mit Silicium und/oder Siliciumverbindungen,
insbesondere Siliciumwasserstoffverbindungen, unter
Bildung von Siliciumnitrid umgesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Stickstoff mit Silanen umgesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß der Stickstoff mit Siliciumwasserstoffverbin
dungen und zugesetztem elementaren Silicium umgesetzt
wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß als Katalysator Kupfer oder
Kupferoxid verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß als Siliciumwasserstoffver
bindungen Silanöle verwendet werden.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß der Wasserstoff der Sili
ciumwasserstoffverbindungen zur Erzeugung hoher Tempe
raturen in Gegenwart eines Sauerstoff liefernden Oxi
dationsmittels zu Wasser verbrannt wird, worauf die
Umsetzung des Stickstoffes mit dem Silicium mit Hilfe
des Katalysators erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß das Silicium und/oder die
Siliciumverbindungen als mit dem Katalysator vermisch
tes oder beschichtetes Pulver umgesetzt werden.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß als Siliciumverbindungen
Kohlenwasserstoffverbindungen mit eingebauten Sili
ciumatomen Verwendung finden.
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