DE10020363A1

DE10020363A1 - Verfahren zum Betreiben eines Antriebes

Info

Publication number: DE10020363A1
Application number: DE10020363A
Authority: DE
Inventors: Norbert Auner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-04-26
Filing date: 2000-04-26
Publication date: 2001-10-31
Also published as: AU6006901A; EP1284946A1; WO2001081273A1; US20030089823A1; DE10191543D2

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

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.