Von Sprengstoffen und Verbrennungsvorgängen

Feuerwerk und Sprengstoffe sund zwei Gesichter der gleiche Sache. In einer Kettenreaktion werden große Energie aus chemischen Reaktionen freigesetzt. Bei Sprengstoffen hat die militärische Nutzung den Antrieb für zahlreiche Forschungsarbeiten gegeben. W.C. Davis berichtet darüber. Jenseits von irgendeiner Nutzung ist die Frage, wie schnell Reaktionen in einer Druckwelle ablaufen, welche fundamentalen Gesetze gelten und wie solche Reaktionen beherrscht werden können, ziemlich aufregend für neugierige Forscher. Schließlich spielen Reaktionen in Druckwellen auch bei der Entstehung von Sternen und Planeten, beim Vulkanismus und anderen Naturphänomenen eine Rolle. Jede wie auch immer gewonnene Erkenntnis trägt dazu bei, unser Wissensgebäude zu vervollständigen. Im Fall des Sprengstoffe ist zu Beispiel die sichere Handhabung der Materialien und die berechenbare Wirkung bei genauer Platzierung für friedliche Anwendungen die notwendige Voraussetzung. Wie sollten zum Beispiel die sichere Handhabung der Materialien und die berechenbare Wirkung bei genauer Platzierung für friedliche Anwendungen die notwendige Voraussetzung. Wie sollten zum Beispiel Straßen- und Tunnelbauten one sichere Sprengstoffe durchgeführt werden?
Chemie und Umweltschutz sind siamesische Zwillinge. Einerseits wirft man der Chemie vor, Ursache von zahlreichen Problemen zu sien, die wir in unserer Umwelt beobachten. Der Zusammenhang zwischen dem Ozonschwund in der oberen Atomsphäre und der Menge an produzierten Fluorkohlenwasserstoffen (FCKW) ist nur eines von vielen Beispielen. Andererseits gibt uns die Chemie die Möglichkeit in die Hand, solche Zusammenhänge überhaupt aufzudecken und schlüssig nachzuweisen. Schließlich brauchen wir die Chemie und ihre technische Umsetzung in die Industrie, um Schadstoffquellen auszuschalten und Alternativen aufzubauen, wenn gesellschaftliche und wirtschaftliche Bedürfnisse das verlangen. Ein Beispiel sind Kläranlagen für das Brauchwasser aus Städten und Gemeinden. Kläranlagen sind auch nichts anderes als chemische Fabriken zur Wasseraufbereitung und Konzentration von Klärschlamm.
Die wesentliche Quelle für Verunreinigungen der Luft, das Auftreten von “Saurem Regen” und von Smog sind Verbrennungsvorgänge in Kraftwerken und im Motor von Fahrzeugen. Hier ist die Chemie gleich zweimal involviert. Durch chemische Behandlung der Abgase können und müssen Schadstoffe beseitigt werden. Darauf wurde unter dem Stichwort “Katalyse” schon hingewiesen. Durch gründliche Erforschung der chemischen Prozesse, die sich in Flammen in Abhängigkeit von Temperatur und Brennstoffzufuhr abspielen, können Effizienz und Steuerarbeit von Verbrennungsprozessen in Kraftwerken verbessert werden, wie Rudolf Günther in seinem Beitrag zeigt.
Es bleibt aber ein prinzipielles Problem. Fast die Hälfte des Verbrauchs an Primärenergie entfällt in der Bundesrepublik Deutschland auf den Verkehr; der größte Teil davon wird in Form von Treibstoff in den Motoren von Kraftfahrzeugen verbrannt.(Nebenbei: Auch der Kraftstoff, den man an der man an der Tankstelle tankt, ist ene “Chemikalie”.) Der mittlere Gesamtwirkungsgrad von der Gewinnung der Primärenergie über ihre Umwandlung bis zur Übertragung auf das Rad beträgt jedoch in der Regel weniger als 20 Prozent: das heißt, 80 Prozent des Energieinhalts gehen verloren. Der innere Wirkungsgrad bei den besten Straßenfahrzeugen liegt derzeit nicht höher als 40 Prozent, bezogen auf den Energieinhalt des Treibstoffs an der Tankstelle. Warum hat man im Licht dieser schon lange und gut bekannte Tatsachen nicht Alternativen aufgebaut? Oder gebt es gar keine Alternativen, die eine bessere Energieausbeute bei Fahrzeugen des Individualverkehrs zulassen?
In dem Artikelblock zum Thema “Brennstoffzellen” versuchen Uwe Benz, Michael Reindl und Werner Tillmetz, eine Antwort zu geben. Sie untersuchen den derzeitigen Stand der Technik und des Wissens bei elektrochemischen Brennstoffzellen. Die Brennstoffzelle als kleines Bordkraftwerk in Verbindung mit einem Elektroantrieb böte ein alternatives Konzept zum Verbrennungsmotor, bei dem mechanische Energie über den prinzipiell verlustreichen Weg der Wärmeerzeugung gewonnen wird. Eine Brennstoffzelle besteht aus einer Polyelektrolytschicht als Membran, den darauf beidseitig aufgebrachten Katalysatoren und Elektroden sowie Bipolarplatten, über die die Zuführung der gasförmigen Brennstoffe und die Ableitung des erzeugten Stromes erfolgt. Als Brennstoffe kommen Wasserstoff und Sauerstoff in Frage, die unter Energieabgabe in Form von elektrischem Strom nur Wasser als Reaktionsprodukt ergeben. Alternativ wird auch über Methanol als Brennstoff und Ersatz für Wasserstoff gearbeitet wobei zusätzlich Kohlendioxid als Reaktionsprodukt erscheint. Die ersten Versuchswagen eines großen südwestdeutschen Automobilherstellers sind inzwischen auf der Straße. Wie das Bordkraftwerk funktioniert und welche Probleme einer serienmäßigen Einführung entgegenstehen, lässt sich im genannten Beitrag nachlesen. Nicht zuletzt sind es Probleme mit der Struktur und dem Langzeitverhalten der Polyelektrolytmembran und mit den bisher verwendeten beziehungsweise bekannten Katalysatoren, die eine serienmäßige Herstellung solcher Antriebssysteme verhindern: also genügend umfangreiche Aufgaben für die chemische Forschung.