DE102013019949A1

DE102013019949A1 - Ein Verfahren zur Durchführung von chemischen Reaktionen

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Publication number: DE102013019949A1
Application number: DE102013019949.2A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: ATG Entwicklungsgesellschaft GmbH
Current assignee: CES AS, NO
Priority date: 2013-11-27
Filing date: 2013-11-27
Publication date: 2015-05-28
Also published as: WO2015078908A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung einer chemischen Reaktion zwischen einem Targetgas und einem Molekularstrahl mithilfe einer durch Ultraschall erzeugten „stehenden Wellen” sowie einen Reaktor zur Durchführung dieses Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung einer chemischen Reaktion zwischen einem Targetgas und einem Molekularstrahl mithilfe einer durch Ultraschall erzeugten „stehenden Wellen” sowie einen Reaktor zur Durchführung dieses Verfahrens.
Theoretischer Hintergrund
Wärmeenergie kann aufgefasst werden als die ungerichtete kinetische Energie von Molekülen. Die Beschreibung der Wärme, unter Berücksichtigung der Bewegung einzelner Moleküle bzw. deren statistische Betrachtung, wird in der kinetischen Gastheorie (bzw. statistischen Thermodynamik) gegeben.
Die grundlegenden Theorien zur statistischen Thermodynamik wurden vor über 100 Jahren u. a. in Wien durch Ludwig Boltzmann erarbeitet und bilden seither eine tragende Säule der physikalischen Chemie.
Die kinetische Gastheorie zeigt den Zusammenhang zwischen Energieinhalt und Geschwindigkeitsverteilung der Atome bzw. Moleküle in chemischen Systemen auf. Besonders anschaulich ist dabei die Betrachtung idealer Gase.
Aus diesen Betrachtungen ist beispielsweise ebenfalls der theoretische Zusammenhang zwischen Wärmekapazität eines Moleküls c_v; c_p und der Anzahl an Freiheitsgraden für die Bewegungen dieses Moleküls bekannt.
In einem gasgefüllten, geschlossenen Behälter (mit definierter Temperatur und Druck) kann sich beispielsweise ein lineares Molekül der Zusammensetzung A-B-A in 3 Raumrichtungen linear bewegen, es kann zumindest um 2 Achsen frei rotieren (Rotation in der Achse nimmt keine Rotationsenergie auf) sowie zumindest 2 Schwingungen (symmetrische Streckschwingung, asymmetrische Streckschwingung) ausführen. Wenn für jeden Freiheitsgrad eine Energie von 1/2 kT angenommen wird, so ergibt sich für die Wärmekapazität des Moleküls ein translatorischer Anteil von 3/2 kT für den Rotationsanteil 2/2 kT und für den Schwingungsanteil 2/2 kT.
Die Geschwindigkeit der Gasmoleküle im Behälter unterliegt einer statistischen Verteilung- der Maxwell Boltzmann Verteilung. Eine Erhöhung der Temperatur entspricht einer Erhöhung der mittleren Geschwindigkeit der Gasmoleküle. Dementsprechend wird auch die Zahl der Wandstöße am Behälter vervielfacht, was makroskopisch als Ansteigen des Gasdruckes beobachtet wird. Die Zeit die zwischen zwei Stößen liegt ist umso länger je langsamer die Moleküle fliegen und desto weniger Stoßpartner sich in der Umgebung aufhalten. Auf makroskopischer Ebene wird diese Zeit zwischen zwei Stößen von T, p und n (Anzahl der Teilchen pro Volumen) bestimmt. Der Weg zwischen zwei Stößen wird freie Weglänge genannt und die Anzahl an Stößen pro Sekunde wird Stoßzahl genannt. Neben diesen beiden Größen spielt auch noch die Größe der Moleküle eine Rolle. Die „Größe” der Moleküle wird sinnvollerweise über den sog. Stoßquerschnitt beschrieben. Dieser kann auch viel größer sein als die Abmessungen des neutralen Moleküls sobald es beispielsweise ionisiert ist (eine elektrische Ladung trägt).
Aus der klassischen Beziehung für die kinetische Energie E_kin = mv²/2 geht hervor, dass die kinetische Energie eines Moleküls nicht nur durch seine Geschwindigkeit sondern auch durch seine Masse bestimmt ist. So besitzt ein schweres Molekül bei derselben Geschwindigkeit naturgemäß mehr kinetische Energie als das leichte Molekül.
Aus Molekularstrahlexperimenten ist bekannt, dass es prinzipiell folgende Arten von Stößen zwischen Teilchen gibt: elastischer Stoß; inelastischer Stoß; reaktiver Stoß; Beim vollkommen elastischen Stoß gilt der Impulserhaltungssatz. Dieser ist im Prinzip nur für Teilchen ohne Struktur vorstellbar. Beim inelastischen Stoß wird „externe Energie” (T) teilweise oder zur Gänze in „interne Energie” der Moleküle (R-Rotation, V-Vibration/Schwingung) umgewandelt. Beim reaktiven Stoß führt die Umwandlung von T in R und V dazu, dass für den Bruchteil einer Sekunde ein stabiler „Übergangszustand” gebildet wird in dem die tatsächliche (chemische) Umlagerung der Atome- und Ausbildung neuer chemischer Bindungsverhältnisse, stattfindet. Aus Laserexperimenten ist bekannt, dass im Falle des elastischen Stoßes die Zeit in der der Stoß stattfindet in picosekunden (10^–12 s) zu messen ist, im Falle eines inelastischen oder reaktiven Stoßes ist die Zeitspanne um Größenordnungen länger und liegt im Bereich einer Rotationsperiode eines Moleküls in Nanosekunden (10^–9 s).
Aus der allgemeinen chemischen Praxis ist bekannt, dass chemische Reaktionen stark Druck- und Temperaturabhängig sind. Eine Interpretation dieses Umstandes auf molekularer Ebene legt nahe, dass durch Erhöhung der Translations-, Rotations- und Schwingungsanteile die einzelnen Moleküle energiereicher werden (angeregt) und somit leichter miteinander reagieren bzw. dissoziieren können.
Aus dem Studium der Reaktionsmechanismen ist ebenfalls bekannt, dass bei einer chemischen Reaktion bei der 3 Partner zusammentreffen z. B.: AB + C → AC + B das Molekül AB nicht in einem ersten Schritt dissoziieren muss, sondern sich ein Übergangszustand ausbildet gemäß AB + C → [AB – C]* → AC + B. Die Reaktion kann also vereinfacht folgendermaßen beschrieben werden: Das Molekül AB und das Molekül C nähern sich einander soweit an bis die „chemischen Kräfte” ausreichen um einen „energiereichen Übergangszustand” zu bilden. In diesem Übergangszustand gruppieren sich die Atome neu. Anschließend fliegen die Reaktionsprodukte wieder voneinander weg.
Jedenfalls müssen die Moleküle die in der chemischen Reaktion aufeinandertreffen genug Energie mitbringen, um vorhandene energetische Reaktionsbarrieren (Schwellen) überwinden zu können. Diese Energie können die Moleküle grundsätzlich als „externe Energie” oder „interne Energie” mitbringen. Unter externer Energie wird hier der Translationsanteil T verstanden unter interner Energie der Rotationsanteil R und der Schwingungsanteil V (Vibrational states).
Der Chemiker kennt bisher folgende Methoden um Moleküle anzuregen, d. h. ihnen Energie zuzuführen:

– Temperaturerhöhung (Zufuhr von Wärmeenergie/Zufuhr ungerichteter Translation-Erhöhung externer und internerEnergie)
– Druckerhöhung (Verkürzung der freien Weglänge/Erhöhung der Dichte → Erhöhung externer und internerEnergie)
– Gezielte Schwingungsanregung (Zufuhr elektromagnet. Energie/Photoreaktionen → Erhöhung interner Energie)
– Gezielte Zufuhr von Elektronen/Elektrodenreaktionen (Elektrochemie) → Erhöhung interner Energie

Aus der chemischen Praxis ist bekannt, dass in einer chemischen Reaktion zumeist nur ein gewisser Teil der Edukte in die Produkte überführt wird (gemäß dem sich einstellenden chemischen Gleichgewicht). Man spricht in diesem Zusammenhang von Ausbeute. Eine simplifizierende Erklärung vom statistischen Standpunkt aus gesehen liefern die Gesetzmäßigkeiten der Energieverteilung der einzelnen Moleküle (makroskopisch Geschwindigkeitskonstanten). Hier besteht immer eine breite Verteilung. Nur Moleküle mit gerade passendem Energieinhalt (wenn die sterischen Aspekte vorerst ausgeklammert bleiben) sind befähigt die chemische Reaktion durchzuführen. Moleküle die zuviel oder zuwenig Energie besitzen (oder sterisch gehindert sind) werden zu keiner erfolgreichen chemischen Reaktion führen.
Eine theoretische Überlegung wäre nun die Geschwindigkeitsverteilung künstlich so einzuengen, dass nur gerade die Art energiereicher Moleküle entsteht die geeignet sind eine chemische Reaktion durchzuführen. Wenn 100% der betrachteten Moleküle so – über gezielte Translation – angeregt werden könnten, dann müßte auch die Ausbeute einer nachfolgenden Reaktion bei 100% liegen.
Dies kann erfahrungsgemäß mit keiner der oben genannten Methoden erreicht werden, es stellt sich immer ein chemisches Gleichgewicht zwischen Edukten und Produkten ein welches makroskopisch über die Geschwindigkeitskonstanten beschrieben wird (Kinetik).
Eine gezielte Einengung der statistischen Verteilung des energetischen Zustands, die auf alle betrachteten Moleküle wirkt, ist die Entspannung eines unter Druck stehenden Gases durch eine Düse.
Ganz allgemein ist die Düse ein Mittel um Druck nahezu verlustlos in Geschwindigkeit umzuwandeln.
Aus der physikalischen Chemie ist in diesem Zusammenhang der sog. Joule Thomson Effekt bekannt. Ein mit Überdruck aus einem Gefäß über eine Düse ausströmendes Gas, beispielsweise mit Überschallgeschwindigkeit, kühlt sich ab, die Geschwindigkeitsverteilung der Moleküle wird dabei stark eingeengt (und verschiebt sich zu höheren Werten verglichen mit der Geschwindigkeitsverteilung im Gefäß). Dies ist die Grundlage der Verflüssigung von Gasen (Linde Prozess etc.). Mikroskopisch betrachtet verlieren die Moleküle in der Düse einerseits 2 Freiheitsgrade an Translationsanteil (ungerichtete T wird zu gerichteter T) andererseits verlieren die Moleküle vor allem an interner Energie dem Rotationsanteil R. Die bei Raumtemperatur voll besetzten Rotationsniveaus werden entleert und können im Rotationsniveau nach einem durchschnittlichen Düsenschritt einem Gas von einer Temperatur von nur 5 K entsprechen. Dies kommt durch die gerichteten Stöße der Moleküle untereinander in der Düse zustande. Dies hat zur Folge, dass die physikalische Abstoßung der Moleküle aufgehoben wird und sich die Moleküle zu größeren Aggregaten zusammenlagern. Die zwischen den Molekülen wirksamen Kräfte werden als van der Waals Kräfte bezeichnet.
Trifft nun der Düsenstrahl in ein Gefäß in dem Unterdruck (Vakuum) herrscht, so überwiegen die van der Waals Kräfte. Die Moleküle lagern sich anfangs zu Dimeren, später zu größeren Aggregaten zusammen und es kann letztlich zu einer Verflüssigung kommen. Trifft der Düsenstrahl in ein Gebiet in dem sich viele Gasmoleküle aufhalten (z. B. bei Umgebungsdruck) so kollidieren die Moleküle aus dem Strahl – die ja viel externe Energie haben aber weniger interne (vor allem R) – mit den „thermisch im Gleichgewicht stehenden Molekülen” und es findet ein Energieaustausch zwischen diesen Molekülen statt: die sog. Relaxation. In diesem Fall wird aus der gerichteten Translation der Düsenstrahlmoleküle durch Stöße mit den thermisch im Gleichgewicht stehenden Molekülen im Gefäß, rasch ungerichtete Translation. Der Rotationsanteil steigt ebenfalls wieder rasch an. Das Ergebnis ist eine Zunahme der ungerichteten Translation in der Kammer – sprich einer Zunahme an Wärme.
Eine einfache Überlegung um eine endergonische Reaktion – z. B. die homolytische Spaltung oder eine Dissoziation eines stabilen Moleküls – in Gang zu bringen wäre nun gezielt einen Düsenstrahl mit hoher Translationsenergie gegen eine Wand zu schießen in der Hoffnung, dass sich der „überthermische Translationsanteil” beim Wandstoß so in interne Energie umverteilt, dass sich das Molekül spaltet oder dissoziiert. In der Praxis wird das allerdings nicht beobachtet, da die Moleküle in Form eines elastischen oder inelastischen Wandstoßes zurückgeschleudert werden. Im Falle eines elastischen Stoßes führt die Rückstreuung zu ungeordneter Translation und Rotation (Erhöhung der Wärme) im Falle eines inelastischen Stoßes geben sie dabei zusätzlich Energie an die Gefäßwand ab.
Eine andere Überlegung wäre zwei Düsenstrahlen aufeinander zu richten in der Hoffnung, dass sich energiereiche Moleküle treffen und so einen „reaktiven Stoß” zustandebringen. In der Praxis kann so etwas beobachtet werden in sog. Molekularstrahlexperimenten. Dabei werden Atome oder Moleküle gleicher (oder unterschiedlicher Art) in zwei Düsen beschleunigt und in sog „gekreuzten Molekularstrahlen” aufeinander geschossen. Aus der Analyse der Reaktionsprodukte mittel MS (Massenspektrometer) bzw. Laserspektroskopie im picosekunden – Bereich können so die „molekularen Vorgänge” während des Stoßes beobachtet werden. Auch die Ablenkung und Winkelverteilung der Reaktionsprodukte gibt wichtigen Aufschluß über den Stoßvorgang. Voraussetzung für solche Versuche ist das Vorhandensein eines guten Vakuums im Reaktionsraum, da ansonsten die Molekularstrahlen mit anderen Molekülen als den „Targetmolekülen” zusammenstoßen und so „relaxieren” würden.
Mit dieser Technik können über gezielte Beschleunigung der Reaktionspartner in den überthermischen Bereich Reaktionsprodukte beobachtet werden, die unter makroskopischen Bedingungen kaum oder nur bei extremen Druck und Temperaturverhältnissen erzeugt werden können. (Beispielsweise Edelgasverbindungen). Es wurde beobachtet, dass es Reaktionen mit Schwelle und solche ohne Schwelle gibt. Eine typische Reaktion mit Schwelle ist eine endergonische Reaktion, (also eine Reaktion bei der die freie Gibb'sche Standardbildungsenthalpie größer Null (☐Gr > 0) ist – spontan würde sie also in die Gegenrichtung ablaufen.) bei der die zusätzlich benötigte Bindungsenergie über die „überthermische” Translationsenergie im Molekularstrahl zur Verfügung gestellt wird.
Es wurde für solche Reaktionen beobachtet, dass bis zum Erreichen der Schwellenenergie keine Reaktion stattfindet, aber ab Erreichen der Schwelle der Reaktionsquerschnitt (also letztlich die Ausbeute) mit zunehmender Translationsenergie ansteigt. (Im Gegensatz dazu verkleinert sich der Reaktionsquerschnitt beispielsweise bei exergonischen Reaktionen mit zunehmender Translationsenergie (bsp. Exotherme Reaktion mit Schwelle)). Jedenfalls wurden für endergonische Reaktionen im Molekularstrahlexperiment in Abhängigkeit von der kinetischen Energie (bzw. Geschwindigkeit) der Stoßpartner teilweise überraschende Reaktionen bzw. Endprodukte im MS detektiert. Es scheint so, dass mit Zunahme der Translationsenergie neue bzw. nicht vorhersagbare Reaktionswege/mechanismen auftreten.
Generell wurde auch in gekreuzten Molekularstrahlen beobachtet, dass die Ausbeute an reaktiven Stößen relativ gering ist. Es ist daher eher eine ungeeignete Methode für die technische chemische Synthese. Der Grund dafür ist einerseits der prinzipiell eher geringe „Reaktionsquerschnitt” bei diesen Experimenten d. h. viele Moleküle fliegen einfach aneinander vorbei ohne sich zu treffen. Andererseits kommt es auch zu dem Phänomen der sog. Zentrifugalbarriere! Vereinfacht gesagt wandeln zwei Körper die aufeinander zufliegen ihre Translationsenergie immer mehr in Rotationsenergie um je näher sie sich kommen. Dieses Phänomen wurde schon von Kepler und Newton (für astronomische Dimensionen) beschrieben:
Um einen reaktiven Stoß zustande zu bringen ist es notwendig, dass nicht der gesamte translatorische Anteil der Stoßpartner zuvor in Rotation verwandelt wird. Es muss im Augenblick des Stoßes noch genügend translatorischer Anteil vorhanden sein der ausreicht die Energieschwelle zu überwinden (um letztlich zu einem „Übergangszustand” zu führen).
Aufgabe der Erfindung:
Aus Sicht des praktischen Chemikers wäre es ideal, eine Methode zur Verfügung zu haben die mit geringst möglichem Energieeinsatz eine chemische Reaktion – egal ob endergonisch oder exergonisch – durchzuführen, mit einer Ausbeute von 100% oder nahe 100%, ohne Verluste durch ungerichtete Wärmeenergie, Lösungsmittel, zusätzliche chemische Energie etc.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein solches Verfahren sowie einen hierzu hergerichteten Reaktor zur Verfügung zu stellen.
Die Erfindung:
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Durchführung einer chemischen Reaktion zwischen einem Targetgas und einem Molekularstrahl.
Dieses erfindungsgemäße Verfahren zur Durchführung einer chemischen Reaktion zwischen einem Targetgas und einem Molekularstrahl ist dadurch gekennzeichnet, dass

a) in einem Reaktor, der ein akustisch resonanzfähig oder ein akustischer Resonator ist, ein erstes Gas (Targetgas) vorgelegt wird,
b) in diesem mit dem ersten Gas gefüllten Reaktor anschließend mit Hilfe einer Ultraschallsignalquelle durch ein Ultraschallsignal mit einer Ultraschallfrequenz > 16 kHz eine „stehende Welle” in diesem ersten Gases erzeugt wird,
c) anschließend in den Reaktor ein zweites Gas (Reaktionsgas) in Form eines Molekularstrahls eingetragen wird,

Dabei ist „Targetgas” im Sinne dieser Erfindung definiert als ein Gas, das in einem Reaktor einer Ultraschallbehandlung unterzogen wird, so dass in diesem „ersten” Gas eine stehende „Welle” entsteht. Die Bezeichnung „Targetgas” bezieht sich daraus dass ein „Molekularstrahl” (s. u.) aus einem zweiten Gas („Reaktionsgas”) auf das „Targetgas” gerichtet wird, insbesondere auf den oder die Knotenpunkte der „stehenden Welle”, die die Punkte hoher Dichte und hohen Druckes des „Targetgases” sind. Im Prinzip kann jedes Gas hierfür eingesetzt werden. Beispiele sind CO₂, CH₄, H₂O oder Gasgemische beispielsweise aus diesen Gasen.
„Molekularstrahl” im Sinne dieser Erfindung ist definiert als ein gerichteter Materiestrahl aus Molkülen. Im Sinne dieser Erfindung ist es insbesondere ein Strahl aus Molekülen eines zweiten Gases (des „Reaktionsgases”), das – üblicherweise mit hoher Geschwindigkeit – aus beispielsweise einer Düse in den Reaktor eingetragen (oder eingeblasen) wird und dabei als Strahl ausgerichtet ist.
„Reaktor” im Sinne dieser Erfindung ist definiert als ein Behälter, in dem eine Reaktion stattfinden kann. Im speziellen Sinne dieser Erfindung handelt es sich um einen Behälter, in dem eine chemische Reaktion stattfinden kann. Bevorzugterweise ist der Reaktor als „akustischer Resonator” (s. u.) ausgeführt, so dass darin eine „stehende Welle” entstehen kann. Üblicherweise ist der Reaktor länglich ausgeführt und/oder hat mindestens zwei Reaktorenden, die sowohl offen als auch als auch geschlossen sein können. Beispiele für die Form des Reaktors sind ein Rohr oder ein Reaktor der teilweise als Rohr ausgeführt ist, oder ein Helmholtz-Resonator. Der Reaktor kann beispielsweise aus Metall, Kunststoff, Keramik oder Verbundstoffen wie Beton oder aus einer Kombination dieser Materialien bestehen.
„Akustisch resonanzfähig” im Sinne dieser Erfindung ist definiert als fähig in einem derart gestalteten Raum eingeschlossenes Gas bei Anregung mit einer akustischen Frequenz schwingen zu lassen. Insbesondere ist ein „akustisch resonanzfähiger” Reaktor so konstruiert, das sich durch eine „Ultraschallsignalquelle” eine stehende Welle in dem „akustisch resonanzfähigen” Reaktor erzeugen lässt. Beispiele für einen „akustisch resonanzfähigen” Reaktor sind ein Rohr oder ein „Reaktor” der teilweise als Rohr ausgeführt ist, oder ein Helmholtz-Resonator. Dabei muss ein „akustisch resonanzfähiger” „Reaktor” nicht mitschwingen. In bestimmten Ausführungsformen kann der „Reaktor” mit schwingen, in bestimmten Ausführungsformen nicht.
„Akustischer Resonator” im Sinne dieser Erfindung ist definiert als System, dessen Inneres auf eine bestimmte Frequenz abgestimmt ist, dass in diesem „akustischen Resonator” eingeschlossenes Gas bei Anregung mit dieser Frequenz schwingt. Insbesondere ist der „akustische Resonator” so konstruiert, das sich durch eine „Ultraschallsignalquelle” eine stehende Welle in dem „akustischen Resonator” erzeugen lässt. Beispiele für einen „akustischen Resonator” in Form des Reaktors sind ein Rohr oder ein Reaktor der teilweise als Rohr ausgeführt ist, oder ein Helmholtz-Resonator. Dabei muss ein „akustischer Resonator” nicht mitschwingen. In bestimmten Ausführungsformen kann der „akustische Resonator” mit schwingen, in bestimmten Ausführungsformen nicht.
„Ultraschallsignalquelle” im Sinne dieser Erfindung ist definiert als ein mechanisches oder elektromechanisches Mittel, mit dem ein Ultraschallsignal erzeugt wird. Beispielsweise kann dies eine Galtonpfeife, Ultraschallsirene, Lippenpfeife, Hartmann Generator, schwingende Stäbe, schwingende Saiten sein oder eine Gerät sein, das den Ultraschall magnetostriktiv oder piezoelektrisch erzeugt.
„Ultraschallsignal” im Sinne dieser Erfindung ist definiert als ein akustisches Signal in Form von Ultraschallwellen in einer Frequenz zwischen 16 kHz und 1000 kHz, insbesondere zwischen 16 kHz und 500 kHz oder 16 kHz und 100 kHz.
„Ultraschallfrequenz” im Sinne dieser Erfindung ist definiert als Frequenz eines akustischen Signals in Form von Ultraschallwellen. Bevorzugt liegt die „Ultraschallfrequenz” zwischen 16 kHz und 1000 kHz, insbesondere zwischen 16 kHz und 500 kHz oder 16 kHz und 100 kHz.
„Stehende Welle” im Sinne dieser Erfindung ist definiert als eine Welle, deren Auslenkung an bestimmten Punkten, den Knotenpunkten, immer bei Null verbleibt. Sie kann als Überlagerung zweier gegenläufig fortschreitender Wellen gleicher Frequenz und gleicher Amplitude aufgefasst werden. Im besonderen Sinne dieser Erfindung ist die „stehende Welle” eine akustische Welle auf Basis eines aus einer „Ultraschallsignalquelle” stammenden Ultraschalls bestimmter „Ultraschallfrequenz”, die sich in einem „Targetgas” in einem „akustischer Resonator” ausgeführten „Reaktor” bildet. In der Draufsicht auf den mit dem „Targetgas” gefüllten „Reaktor” stellt sich die „stehende Welle” als Abfolge von Regionen oder besser Ringen unterschiedlicher Gasdichte dar, bei der sich die größte Dichte an den mit den Knotenpunkten korrespondierenden Stellen findet. Diese Ringe werden folgend auch „Wände der stehenden Welle” genannt.
„Wand bzw. Wände der stehenden Welle” im Sinne dieser Erfindung ist definiert als eine Region bzw. ein Ring größter Gasdichte, der sich in einer „stehende Welle” bildet. Im Simme dieser Erfindung ist dies insbesondere eine Region größter Gasdichte die sich in einer „stehende Welle” als akustische Welle auf Basis eines aus einer „Ultraschallsignalquelle” stammenden Ultraschalls bestimmter „Ultraschallfrequenz” in einem „Targetgas” in einem „akustischer Resonator” ausgeführten „Reaktor” bildet. Diese Region bzw. dieser Ring größter Gasdichte findet sich an den mit den Knotenpunkten korrespondierenden Stellen, die in der Draufsicht senkrecht über den Knotenpunkten liegen.
„Reaktionsgas” im Sinne dieser Erfindung ist definiert als ein Gas, das in einem „Reaktor” eine chemische Reaktion auslöst. Im Sinne der Erfindung ist dies insbesondere ein zweites Gas, das als „Molekularstrahl” aus Molekülen dieses zweiten Gases (des „Reaktionsgases”) – üblicherweise mit hoher Geschwindigkeit – aus beispielsweise einer Düse in den Reaktor eingetragen (oder eingeblasen) wird. Dabei ist das „Reaktionsgas” als Molekularstrahl so ausgerichtet, dass er eine Reaktion im ersten Gas, dem „Targetgas” auslöst, insbesondere an den „Knotenpunkten” der in diesem ersten Gas entstehenden „stehenden Welle”. Im Prinzip kann jedes Gas hierfür eingesetzt werden, wobei leichtere Gase oder Mischungen mit leichteren Gasen bevorzugt sind. Beispiele sind CO₂, CH₄, oder Gasgemische beispielsweise aus diesen Gasen.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das zweite Gas in dem Molekularstrahl mit einer Geschwindigkeit > 343 m/s in den Reaktor eingetragen, vorzugsweise wird das zweite Gas mit einer Geschwindigkeit > 1000 m/s in den Reaktor eingetragen, insbesondere mit einer Geschwindigkeit zwischen 1050 m/s und 1350 m/s in den Reaktor eingetragen
und/oder
liegt die Ultraschallfrequenz zur Erzeugung der „stehenden Welle” zwischen 16 kHZ und 1 GHz, vorzugsweise zwischen 16 kHz und 100 kHz,
und/oder
liegt das erste Gas (Targetgas) im Reaktor bei einem Druck von zwischen 1 bar bis 10 bar
vor Entstehen der „stehenden Welle” vor,
und/oder (in bestimmten Ausführungsformen)
findet die chemische Reaktion bei einer Temperatur zwischen 1500°C und 3500°C, vorzugsweise zwischen 2000°C und 3000°C statt.
Die Temperatur des Reaktors wird allerdings vorzugsweise nicht erhöht und die hier angegebene thermische Energie der chemischen Reaktion wird durch die kinetische Energie des Molekularstrahls beigesteuert und nicht durch äußere Temperaturerhöhung des Reaktors oder des darin befindlichen Targetgases.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
weist der Reaktor eine längliche Gestalt mit zwei gegenüberliegenden Reaktorenden auf, wobei vorzugsweise mindestens ein Reaktorende geschlossen ist oder mindestens ein Reaktorende offen ist,
und/oder
besteht der Reaktor als akustischer Resonator zumindest teilweise aus einem Rohr, ist insbesondere bevorzugt in Form eines akustisch resonanzfähigen Rohrs ausgeführt;
und/oder
ist der Reaktor ein akustischer Resonator mit zwei gegenüberliegenden Reaktorenden, der vorzugsweise zumindest teilweise aus einem Rohr besteht und in dem mindestens ein Reaktorende geschlossen ist oder mindestens ein Reaktorende offen ist;
insbesondere ist der Reaktor ein akustisch resonanzfähiges Rohr mit zwei gegenüberliegenden geschlossenen oder offenen Reaktorenden, in dem mindestens ein Reaktorende geschlossen ist oder mindestens ein Reaktorende offen ist.
„Rohr” im Sinne dieser Erfindung ist definiert als länglicher hohler Körper von in zwei Dimensionen annähernd runder Gestalt.
Ein Beispiel für die Dimensionen des Rohres sind eine Länge von 1 m und ein Durchmesser von 100 mm.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der Reaktor mindestens zwei gegenüberliegende Reaktorenden auf, wobei die Ultraschallsignalquelle an einem Reaktorende angeordnet ist und das gegenüberliegenden Reaktorende zumindest teilweise als schwingfähige Membran, vorzugsweise zumindest teilweise als schwingfähige metallische Membran, insbesondere aus Cu, Ag oder Au, ausgeführt ist;
und/oder
weist der Reaktor mindestens zwei gegenüberliegende Reaktorenden auf, wobei vorzugsweise das Reaktorende, an dem die Ultraschallsignalquelle angeordnet ist, in Form einer Lautsprechers ausgeführt ist.
„Schwingfähige Membran” im Sinne dieser Erfindung ist definiert als Membran, die nach Anregung mit akustischen Schwingungen mit diesen mitschwingt. Dabei kann die „schwingfähige Membran” auch als metallische Membran beispielsweise aus Edelmetallen ausgeführt sein. Insbesondere kann die schwingfähige Membran” auch nur einen Teil eines Reaktorendes einnehmen.
„Form eines Lautsprechers” im Sinne dieser Erfindung ist definiert als von den Rändern ausgehende konvexe Ausbuchtungen zur Mitte des Reaktorendes hin, ohne dies zu erreichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das erste Gas (das Targetgas) als auch das zweite Gas (das Reaktionsgas/der Molekularstrahl) aus einem Reingas oder einem Gasgemisch besteht; vorzugsweise das zweite Gas (das Reaktionsgas/der Molekularstrahl) aus einem Gasgemisch besteht, insbesondere das zweite Gas (das Reaktionsgas/der Molekularstrahl) aus einem Gasgemisch aus einem Gas mit geringerem Molekulargewicht und einem Gas mit höherem Molekulargewicht besteht.
„Reingas” im Sinne dieser Erfindung ist definiert als ein aus nur einer Sorte von Gasmolekülen bestendes Gas einheitlicher chemischer Zusammensetzung.
„Gasgemisch” im Sinne dieser Erfindung ist definiert als Gemisch aus mindestens zwei unterschiedlichen Sorten von Gasmolekülen mit jeweils einheitlicher chemischer Zusammensetzung.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das erste Gas (Targetgas) und das zweite Gas (das Reaktionsgas/der Molekularstrahl) dieselbe chemische Zusammensetzung auf.
In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das erste Gas (Targetgas) und das zweite Gas (das Reaktionsgas/der Molekularstrahl) eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung auf.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens

– ist das zweite Gas ausgewählt aus CH₄ oder CO₂ oder einem Gasgemisch aus CO₂ und CH₄, ist vorzugsweise ausgewählt aus CH₄ oder CO₂ oder einem Gasgemisch bestehend aus 80 Vol.%–50 Vol.% CO₂ und 20 Vol.%–50 Vol.% CH₄, und
– ist das erste Gas (das Targetgas) ausgewählt aus CH₄ oder CO₂ oder einem Gasgemisch aus CO₂ und CH₄, ist vorzugsweise ausgewählt aus CH₄ oder CO₂.

Ein Beispiel für die Auswahl der Gase ist, dass das erste Gas (das Targetgas) CO₂ ist, während das zweite Gas (das Reaktionsgas), das als Molekularstrahl in den Reaktor eingeblasen wird, ein Gasgemisch aus CO₂ mit einem Zusatz von 20–50% CH₄ ist.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
trifft das zweite Gas (das Reaktionsgas) in Form des Molekularstrahls an einem Reaktorende, vorzugsweise an einem Reaktorende eines als Rohr ausgeführten Reaktors, senkrecht auf mindestens eine „Wand der stehenden Welle” des ersten Gases (des Targetgases), oder
trifft vorzugsweise das zweite Gas (das Reaktionsgas) in Form des Molekularstrahls an einem Reaktorende eines als Rohr ausgeführten Reaktors auf mindestens einen Schwingungsknoten der im ersten Gas (dem Targetgas) erzeugten stehenden Welle, oder
wird vorzugsweise das zweite Gas in Form des Molekularstrahls parallel zur Rohrlängsachse des als Rohr ausgeführten Reaktors in den Reaktor eingetragen.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Ultraschallsignal mittels mechanischer oder elektromechanischer Mittel vorzugsweise durch einen Galtonpfeife, Ultraschallsirene, Lippenpfeife, Hartmann Generator, schwingende Stäbe, schwingende Saiten, magnetostriktiv oder piezoelektrisch, besonders vorzugsweise durch eine Ultraschallsirene, erzeugt.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Reaktor in Beton eingegossen. Dabei können auch mehrere Reaktoren zusammen in Beton eingegossen werden und/oder der Reaktor oder die Reaktoren bestehen aus Beton und werden als Rohr oder Rohre ausgeführt, die gegebenenfalls benachbart liegen. Das Eingießen in Beton von entweder einem oder mehreren Reaktoren zusammen dient der Versteifung und Verhinderung von Verluststrahlung.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht der Reaktor (oder mindestens einer der Reaktoren) aus Metall, Kunststoff, Keramik oder Verbundstoffen wie Beton oder aus einer Kombination dieser Materialien.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das zweite Gas aus einem Gasbehälter, in dem das zweite Gas mit Überdruck vorliegt, über eine Düse in den Reaktor eingetragen wird, wobei die Düse vorzugsweise einen Durchmesser von 0,01 mm bis 1 mm, insbesondere einen Durchmesser von 0,2 mm bis 0,4 mm hat.
Ein Beispiel für die Dimensionen der verwendeten Düse ist ein Durchmesser von 0,3 mm. Sollte als zweites Gas (das Reaktionsgas), das als Molekularstrahl in den Reaktor eingeblasen wird, ein Gasgemisch aus CO₂ mit einem Zusatz von 20–50% CH₄ gewählt sein, so steht der Gasbehälter, der dieses zweite Gas vor dem Einblasen enthält, beispielsweise unter einem (Über-)Druck von 50–100 bar und das zweite Gas wird als Molekularstrahl mit einer Geschwindigkeit > 1000 m/s eingeblasen.
„Gasbehälter” im Sinne dieser Erfindung ist definiert als druckfestes Behältnis zur Aufnahme eines Gases, das in der Lage ist, einem Überdruck standzuhalten und gasdicht ist.
„Überdruck” im Sinne dieser Erfindung ist definiert als innerhalb des „Gasbehälters” herrschender Druck des darin enthaltenen Gases oberhalb des Umgebungsdrucks. Bevorzugte „Überdrücke” sind 10 bar bis 100 bar.
„Düse” im Sinne dieser Erfindung ist definiert als ist eine röhrenförmige technische Vorrichtung, die sich erweitern oder verjüngen kann. Im Sinne der Erfindung ist eine „Düse eine röhrenförmige Öffnung, mit der ein Gasstrom umgelenkt wird, bzw. insbesondere Druck in Bewegungsenergie verwandelt wird.
Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft einen Reaktor zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In einem entsprechenden erfindungsgemäßen Reaktor

a) ist der Reaktor derart ausgelegt, dass in einem ihn befüllenden ersten Gas (Targetgas) mit Hilfe einer Ultraschallsignalquelle durch ein Ultraschallsignal mit einer Ultraschallfrequenz > 16 kHz eine „stehende Welle” dieses ersten Gases erzeugt werden kann,
b) weist der Reaktor eine Ultraschallsignalquelle auf und
c) liegt eine Öffnung zum Eintrag eines zweiten Gases vor.

„Der Reaktor ist derart ausgelegt, dass in einem ihn befüllenden ersten Gas (Targetgas) mit Hilfe einer Ultraschallsignalquelle durch ein Ultraschallsignal mit einer Ultraschallfrequenz > 16 kHz eine „stehende Welle” dieses ersten Gases erzeugt werden kann” ist im Sinne dieser Erfindung wie folgt definiert: In dem betreffenden Reaktor kann mit Hilfe eines Ultraschallsignals einer Frequenz > 16 kHz eine stehende Welle in einem in diesem Reaktor enthaltenen ersten Gas erzeugt werden.
In einem ebenfalls entsprechenden erfindungsgemäßen Reaktor

a) ist der Reaktor ein akustisch resonanzfähiger Reaktor, der zumindest teilweise aus einem Rohr besteht, in dem eine „stehende Welle” erzeugt wird oder werden kann,
b) weist der Reaktor eine Ultraschallsignalquelle auf und
c) liegt eine Öffnung zum Eintrag eines zweiten Gases vor.

„Der Reaktor ist ein akustisch resonanzfähiger Reaktor, in dem eine „stehende Welle” erzeugt wird oder werden kann” ist im Sinne dieser Erfindung wie folgt definiert: In dem betreffenden Reaktor kann mit Hilfe akustischer Resonanz eine stehende Welle in einem in diesem Reaktor enthaltenen ersten Gas erzeugt werden.
Dabei ist es für beide Reaktoren bevorzugt, wenn

a. die Ultraschallsignalquelle an einem Reaktorende und eine schwingfähige Membran am gegenüberliegenden Reaktorende vorliegt und/oder
b. das die Ultraschallsignalquelle tragende Reaktorende in Form eines Lautsprechers geformt ist.

Dabei ist es für beide Reaktoren weiter auch bevorzugt, wenn

– der Reaktor längliche Gestalt hat, vorzugsweise als Rohr ausgeführt ist; und/oder
– der Reaktor zwei gegenüberliegende Reaktorenden aufweist, wobei vorzugsweise mindestens ein Reaktorende geschlossen ist oder mindestens ein Reaktorende offen ist; und/oder
– der Reaktor als akustischer Resonator zumindest teilweise aus einem Rohr besteht, insbesondere bevorzugt in Form eines akustisch resonanzfähigen Rohrs ausgeführt ist; und/oder
– der Reaktor ein akustischer Resonator mit zwei gegenüberliegenden Reaktorenden ist, der vorzugsweise zumindest teilweise aus einem Rohr besteht und in dem mindestens ein Reaktorende geschlossen ist oder mindestens ein Reaktorende offen ist; und/oder
– der Reaktor ein akustischer Resonator mit zwei gegenüberliegenden Reaktorenden ist, der vorzugsweise zumindest teilweise aus einem Rohr besteht und in dem mindestens ein Reaktorende geschlossen ist oder mindestens ein Reaktorende offen ist; und/oder
– der Reaktor ein akustisch resonanzfähiges Rohr mit zwei gegenüberliegenden geschlossenen oder offenen Reaktorenden ist, in dem mindestens ein Reaktorende geschlossen ist oder mindestens ein Reaktorende offen ist; und/oder
– der Reaktor mindestens zwei gegenüberliegende Reaktorenden aufweist, wobei die Ultraschallsignalquelle an einem Reaktorende angeordnet ist und das gegenüberliegenden Reaktorende zumindest teilweise als schwingfähige Membran, vorzugsweise als schwingfähige metallische Membran, insbesondere aus Cu, Ag oder Au, ausgeführt ist; und/oder
– der Reaktor mindestens zwei gegenüberliegende Reaktorenden aufweist, wobei das Reaktorende, an dem die Ultraschallsignalquelle angeordnet ist, in Form eines Lautsprechers ausgeführt ist; und/oder
– dass das Ultraschallsignal mittels mechanischer oder elektromechanischer Mittel vorzugsweise durch einen Galtonpfeife, Ultraschallsirene, Lippenpfeife, Hartmann Generator, schwingende Stäbe, schwingende Saiten, magnetostriktiv oder piezoelektrisch, besonders vorzugsweise durch eine Ultraschallsirene, erzeugt wird; und/oder
– der Reaktor in Beton eingegossen wird; und/oder
– der Reaktor aus Metall, Kunststoff, Keramik oder Verbundstoffen wie Beton oder aus einer Kombination dieser Materialien besteht; und/oder
– das die Öffnung zum Eintrag des zweiten Gases als Düse ausgeführt ist; und/oder
– das zweite Gas aus einem Gasbehälter, in dem das zweite Gas mit Überdruck vorliegt, über eine Düse in den Reaktor eingetragen wird, wobei die Düse vorzugsweise einen Durchmesser von 0.01 mm bis 1 mm, insbesondere einen Durchmesser von 0.2 mm bis 0.4 mm hat; und/oder
– das zweite Gas in Form des Molekularstrahls durch die Öffnung, vorzugsweise durch eine Düse, parallel zur Rohrlängsachse des als Rohr ausgeführten Reaktors in den Reaktor eingetragen wird; und/oder
– der Reaktor in Beton eingegossen wird oder mehrere Reaktoren zusammen in Beton eingegossen werden; und/oder
– der Reaktor aus Metall, Kunststoff, Keramik oder Verbundstoffen wie Beton oder aus einer Kombination dieser Materialien besteht; und/oder
– die Ultraschallsignalquelle an einem Reaktorende und eine schwingfähige Membran am gegenüberliegenden Reaktorende vorliegt; und/oder
– das die Ultraschallsignalquelle tragende Reaktorende in Form eines Lautsprechers geformt ist.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens und des Reaktors ist der Reaktor akustisch resonanzfähig bzw. als akustischer Resonator in Form eines Rohrs (beispielsweise eines Beton eingegossenen Stahlrohrs) beispielsweise von 1 m Länge und einem Durchmesser von 100 mm ausgeführt. Dabei befindet sich, beispielsweise an einem Reaktorende, am Reaktor eine Ultraschallquelle wie eine Ultraschallsirene. Diese erzeugt in dem im Reaktor befindlichen ersten Gas (dem Targetgas) eine stehende Welle mittels Ultraschall im Bereich von 16 bis 100 kHz. Dieses Reaktorende ist häufig auch in einer gewölbten Form, ähnlich einem Lautsprecher ausgeführt.
Das andere Reaktorende ist zumindest teilweise als bewegliche Membran aus Metall, vorzugsweise aus einem Edelmetall wie Kupfer, Silber oder Gold, ausgeführt, oder in einer gewölbten Form, ähnlich einem Lautsprecher ausgeführt. Beides dient der Vermeidung von Abstrahlverlusten.
An einem Reaktorende wird durch eine Düse von geringem Durchmesser, wie z. B. 0,3 mm Durchmesser das zweite Gas (Reaktionsgas) mit hoher Geschwindigkeit > 500 m/s oder > 1000 m/s als Molekularstrahl eingeblasen. Dabei wird dieses Gas aus einem Gasbehälter, der unter Überdruck steht, freigesetzt.
Die Düse ist dabei so angebracht, dass der Molekularstrahl exakt parallel zur Längsachse des Rohres eingeblasen wird, so dass er auf die oder mindestens auf eine „Wände/Wand” um die Knoten der im ersten Gas entstandenen „stehenden Wellen” trifft. Dies sind die Punkte bzw. Regionen/Ringe größtem Drucks und größter Dichte des ersten Gases im Reaktor unter den Bedingungen der „stehenden Wälle”.
Das erste Gas liegt dabei bei Umgebungsdruck (einem Druck von ca. 1 bar) im Reaktor vor Entstehen der „stehenden Welle” vor. Als erstes Gas (Targetgas) wird beispielsweise CO₂ ausgewählt.
Die Temperatur des Reaktors wird vorzugsweise nicht erhöht und die notwendige thermische Energie der chemischen Reaktion durch die kinetische Energie des Molekularstrahls bereitgestellt. Eine äußere Temperaturerhöhung des Reaktors oder des darin befindlichen Targetgases findet nicht statt.
Als zweites Gas (das Reaktionsgas), das als Molekularstrahl in den Reaktor eingeblasen wird, wird beispielsweise ein Gasgemisch aus CO₂ mit einem Zusatz von 20–50% CH₄ gewählt. Dann steht der Gasbehälter, der dieses zweite Gas vor dem Einblasen enthält, beispielsweise unter einem (Über-)Druck von 50–100 bar und das zweite Gas wird als Molekularstrahl mit einer Geschwindigkeit > 1000 m/s eingeblasen.
Bei dieser Konstellation, bei der CO₂ als erstes Gas (Targetgas) und ein Gasgemisch aus CO₂ mit einem Zusatz von 20–50% CH₄ als zweites Gas (Reaktionsgas) ausgewählt wurde, entstehen beim Zusammentreffen des Molekularstrahls aus dem CO₂ Gasgemisch mit der/den „Wand/Wänden der stehende Welle” des CO₂-Gases über den Knoten verschiedene Reaktionsprodukte, wie Zerfallsprodukte des CO₂ oder Mischprodukte etc. wie Polyoxymethylen.
Abbildung:
zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Reaktors zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Eine Bezugszeichenliste befindet sich am Ende der Beschreibung.
zeigt ein Model der stehenden Welle, in der die unveränderlichen Knotenpunkte gezeigt sind.
Detaillierte Beschreibung:
Die Erfindung umfasst einen Reaktor, ein Verfahren um in diesem Reaktor geeignete Targetmoleküle zu erzeugen und ein Verfahren diese Targetmoleküle mittels gerichteten Molekularstrahlen zu beschießen. Diese drei Einzelschritte ergeben ein neuartiges Verfahren mit dem chemische Reaktionen gezielt, mit hoher Ausbeute an Produkten, mit genauest dosierbarem Energieeinsatz und damit mit geringst möglichem Energieeinsatz, durchgeführt werden können.
Erfindungsgemäß wird der erste Schritt – die Bereitstellung von Targetmolekülen mit definiertem Energieinhalt und hoher Dichte (damit hohem Reaktionsquerschnitt) dadurch gelöst, dass ein mit dem Targetgas gefüllter Raum in akustische Schwingungen, vorzugsweise im Ultraschallbereich, versetzt wird. Erfindungsgemäß wird dieser Raum in Form eines akustischen Resonators ausgeführt der die Ausbildung stehender Longitudinalwellen ermöglicht. Im einfachsten denkbaren Fall kann dies ein Rohr sein oder ein sog. Helmholtzresonator. Das Material dieses Rohres kann beispielsweise aus Metall, Keramik oder Kunststoff oder Verbundwerkstoffen und Mischungen dieser Materialien bestehen. Bevorzugt werden solche Materialien gewählt die mit den zum Einsatz kommenden Edukten und entstehenden Produkten keine weiterführenden ungewünschten Reaktionen eingehen (z. B. Korrosionsreaktionen, ...). Die Auswahl geeigneter Oberflächenmaterialien im Reaktor die im Kontakt mit den Edukten und Produkten stehen ist für die jeweilige Reaktion auszuwählen was dem Fachmann geläufig ist. Die Erzeugung von stehenden Schallwellen in diesem Resonator führt zur Ausprägung von stationären Schwingungsbäuchen und Schwingungsknoten. In den Schwingungsknoten herrscht Überdruck in den Schwingungsbäuchen Unterdruck. Am Beispiel eines Rohres welches an einer Seite eine Schallquelle besitzt, verteilen sich die Schwingungsnoten entlang des Rohres in Form von „Querschnittswänden”. In der Akustik können solche Wände beispielsweise durch sog. Kundt'sche Staubfiguren oder eingeblasenen Rauch sichtbar gemacht werden. Im Falle der Verwendung von Ultraschall können sehr energiereiche stehende Wellen erzeugt werden in deren Schwingungsknoten extrem hohe Drücke (oder anders formuliert – extrem hohe lokale Dichte) – besteht. Der Abstand zwischen diesen Schwingungsknoten ist gegeben durch die halbe Schallwellenlänge.
Wird nun ein Überschallstrahl eines Gases gleicher oder unterschiedlicher Zusammensetzung in einen solchen Schwingungsknoten gerichtet, so treffen überthermisch, translatorisch beschleunigte Moleküle, mit enger Geschwindigkeitsverteilung, die oftmals aufgrund der Entleerung der Rotationszustände schon zu größeren Molekülgruppen zusammengewachsen sind (Dimere aufgrund wirksamer Van der Waals Kräfte) – auf eine „Wand” von Gasmolekülen hoher Dichte. Der Reaktionsquerschnitt ist dadurch relativ hoch verglichen mit gekreuzten Molekularstrahlen.
Es darf in diesem Zusammenhang jedoch nicht übersehen werden, dass diese „Wände” in denen lokal hoher Druck und hohe Dichte herrscht, in einer „stehenden Welle” mikroskopisch betrachtet nur für kurze Zeit bestehen. Und zwar nur eine halbe Schwingungsperiode lang. In der nächsten halben Schwingungsperiode wechselt die Wand an einen Ort der eine halbe Wellenlänge entfernt liegt. Makroskopisch betrachtet sieht man allerdings – z. B. über eingeblasenen Rauch – alle Wände „gleichzeitig” (mit dem Abstand einer halben Wellenlänge).
Betrachtet man nun einen Molekularstrahl der in der Achse eines Rohres (per definition in Richtung +x) in dem sich eine stehende Ultraschallwelle befindet eingestrahlt wird, so trifft der Molekularstrahl senkrecht (im rechten Winkel) auf die Schallwände. Mikroskopisch gesehen trifft der Molekularstrahl zuerst in ein Gebiet geringerer Dichte – in dem sich wenige Moleküle befinden die sich mit ihm gemeinsam in Richtung +x zur nächsten Wand bewegen. Bei einer angenommenen Frequenz des Ultraschalls von 20 kHz besteht die Wand für maximal t = 1/(2·20000) = 25·10^–6 s. Unter der Annahme, dass die Wand nur für ca. 10% während der Maximalamplitude besteht, so wäre dies immer noch 2,5·10^–6 s. Dies ist lange verglichen mit der Zeit die ein elastischer oder inelastischer Stoß (10^–12 s oder eine Rotationsperiode 10^–9 s) beansprucht. Es liegt aber Größenordnungsmäßig in dem Bereich der aus Molekularstrahlexperimenten für reaktive Stöße gefunden wurde (10^–6 s).
Hinter der Wand befindet sich ein Gebiet geringerer Dichte in der sich die Moleküle allerdings in Richtung –x bewegen.
Die notwendige Energie für einen erfolgreichen reaktiven Stoß wird also prinzipiell sowohl durch die Energie in der stehenden US Welle als auch über den Molekularstrahl aufgebracht. Zweckmäßigerweise wird die stehende Welle jedoch so abgestimmt, dass die Zeit der Existenz einer Wand ausreichend hoch ist um reaktive Stöße zu erlauben. In der Praxis haben sich hier Frequenzen zwischen 16 und 100 kHz als ausreichend herausgestellt. Die „optimale” Frequenz ist aber von der Art der verwendeten Moleküle, Schallgeschwindigkeit, Temperatur, etc. abhängig. Darüber hinaus ist die Art der Schallerzeugung von Bedeutung, da nicht nur die Frequenz sondern auch die Intensität der Schallwelle einen Einfluß auf das Ergebnis haben. So werden idealerweise mit Ultraschallsirenen hohe Intensitäten über große Frequenzbereiche hinweg erzielt.
Darüber hinaus kann es zweckmäßig sein die „Targetmoleküle” (also die Moleküle für die stehende Welle) nicht nur aus einer Atomsorte zu wählen sondern aus mehreren. Hier kann es von Vorteil sein für eine gewünschte Reaktion gleich zweckmäßige stöchiometrische chemische Gemische einzuführen.
Es besteht weiters eine Abhängigkeit des Einstrahlwinkels des Molekularstrahles auf die Wände der stehenden Welle. Ein ähnliches Phänomen ist aus der Wissenschaft bekannt: Die Ablenkung einer „Düsenflamme” durch eingestrahlten Ultraschall. Eine Flamme die aus einer glatten Düse hervortritt wird durch eine senkrecht darauf gestrahlte Ultraschallwelle nicht abgelenkt. Wird die Düse am Auslaß jedoch verjüngt, so tritt in der Flamme Wirbelbildung auf. Eine nun senkrecht auf die Flamme treffende Ultraschallwelle lenkt diese ab. Dies bedeutet, dass eine Wechselwirkung zwischen den Molekülen der Flamme und der des Schalls nur dann eintritt, wenn sich zumindest ein Teil der Moleküle der Flamme in derselben oder genau entgegengesetzten Richtung bewegen wie die Ausbreitungsrichtung der Schallwelle.
Um schwere Moleküle auf große Geschwindigkeiten zu beschleunigen ist aus der Molekularstrahltechnik die Verwendung sog. Seeded beams bekannt. Dabei wird einem leichten Trägergas ein schweres Gas (in geringer Konzentration) zugesetzt. Die schweren Moleküle werden in der Düse durch die leichten Moleküle so gerichtet gestoßen, dass sie dieselbe Geschwindigkeit wie die leichten Moleküle annehmen. Durch ihre höhere Masse besitzen sie anschließend jedoch eine höhere kinetische Energie.
Die Erzeugung der akustischen Schwingung, vorzugsweise der Ultraschallschwingung, im Reaktor kann über die aus der Technik bekannten Verfahren wie beispielsweise, Galtonpfeife, Ultraschallsirene, Lippenpfeifen, Zungenpfeifen, Hartmann Generator, schwingende Stäbe, schwingende Saiten sowie elektromechanische Mittel wie magnetostriktiv, piezoelektrisch, etc. erfolgen.
Ein interessanter Nebenaspekt in stehenden Ultraschallwellen ist die Tatsache, dass alle Gasmoleküle einer gerichteten Bewegung folgen. Es herrscht keine ungerichtete Translation sondern – durch äußere Kräfte beeinflußt (in diesem Fall vom Resonanzphänomen) eine relativ hohe Ordnung im System. Eine stehende Ultraschallwelle hat mit einem Kristall die Eigenschaft gemein Licht beugen zu können! Die freie Rotation von Molekülen ist im gasförmigen Zustand stark ausgeprägt, im flüssigen Zustand nur mehr eingeschränkt und im festen Zustand weitgehend unterdrückt. Daher ist wohl die freie Rotation von Molekülen im Bereich der Schwingungsknoten der stehenden Ultraschallwelle ebenfalls eingeschränkt. Ähnlich wie in der Gasdüse werden die gerichteten Stöße in der stehenden Ultraschallwelle zu einer Abnahme der Besetzung der Rotationsniveaus führen. Dies bedeutet, dass die Translationsenergie auftreffender Moleküle aus dem Molekularstrahl eher nicht zur Erhöhung der Rotationsniveaus im Targetmolekül beitragen sondern eher direkt zur Erhöhung der Schwingungsenergie V. Sollte die eingestrahlte Translationsenergie tatsächlich ausreichen ein Molekül zu spalten, dissoziieren oder reagieren zu lassen ohne die Rotationsniveaus zu besetzen – also ein direkter Übergang von externer Translationsenergie in interne Schwingungsenergie, so wäre dies eine erhebliche Energieeinsparung bei der Umwandlung von mechanischer Energie (Translation der Moleküle) in chemische Energie (Bindungskräfte in den Molekülen).
Beispielhaft sei an Hand eines Ausführungsbeispiels die Größenordnungen dargelegt: In einem Rohrreaktor mit 1 m Länge, Durchmesser 100 mm wird mittels Ultraschallsirene eine stehende Ultraschallwelle erzeugt.
Die Erzeugung des Ultraschalles mittels Ultraschallsirene erfolgt in der Weise, dass die Intensität der stehenden Welle ausreichend hoch ist um stabile Targetwände zu schaffen. Je höher die Intensität desto weiter die Auslenkung der einzelnen schwingenden Teilchen desto stärker deren Beschleunigung desto höher der Druck und die Dichte in der entstehenden Wand.
Je dichter die Wand desto höher ist der „Reaktionsquerschnitt” mit dem einfallenden Molekularstrahl.
Die Enden des Rohres können offen sein, da ein offenes Rohrende in der Akustik auch für eine Totalreflexion bekannt ist. Bevorzugterweise wird jedoch das eine Ende des Reaktors an dem die Ultraschallsirene montiert ist verschlossen, um Abstrahlverluste zu vermeiden. Der Verschluß kann eben sein oder bevorzugterweise eine gewölbte Form aufweisen um analog zum Lautsprecher in der Akustik das US Signal zielführend von der Quelle in den Reaktorinnenraum zu richten. Ebenfalls bevorzugterweise wird das andere Ende mit einem schwingungsfähigem Verschluß, beispielsweise einer Membran, vorzugsweise einer metallischen Membran- beispielsweise ein Metallblech bevorzugt aus Cu, Ag, Au verschlossen. Dies hilft, die Resonanzbedingungen für die stehende Welle zu verbessern.
Da Abstrahlung des Ultraschalls in die Umgebung vor allem Verlustleistung bedeutet, ist es vorteilhaft das Rohr so starr wie möglich auszuführen bzw. zu fixieren. In diesem Zusammenhang ist es denkbar bei einem upscaling des Prozesses die Rohre einzeln oder als Bündel in einen starren Betonmantel zu gießen. Ebenfalls denkbar wäre es günstige Kunststoffrohre in Beton zu gießen oder aber gleich nur in Betonröhren zu arbeiten.
Die Einstrahlung des Molekularstrahles erfolgt über eine Düse mit beispielsweise 0,01–1 mm Durchmesser bevorzugterweise 0,3 mm Durchmesser in Richtung der Rohrachse – also senkrecht zu den Schallwänden der stehenden Welle. Je kleiner der Durchmesser der Düse desto höher die erzielbare Geschwindigkeit bei gleichem Vordruck, aber auch desto geringer der Durchsatz. Der Durchfluß des eingestrahlten Gases muss so eingestellt werden, dass die resultierende Geschwindigkeit der Gasmoleküle am Düsenaustritt vorteilhafterweise ebenso hoch ist wie die aus der statistischen Thermodynamik berechneten Werte die ausreichen, um eine Reaktion beispielsweise Dissoziation, hervorzurufen. Die eingestrahlten Teilchen sollten vorteilhafterweise zumindest Überschallgeschwindigkeit besitzen, vorzugsweise mit Geschwindigkeiten < 1000 m/s eingetragen werden.
Beispielhaft sei die Dissoziation von CO₂ behandelt. Tatsächlich geschieht die Reaktion bei Temperaturen zwischen 2000° und 3000°C. Gemäß der zentralen Formel der kinetischen Gastheorie
c_RMS = SQR(3RT/M_m) (wobei RMS für Root mean square steht) ergibt sich für 002 eine mittlere Geschwindigkeit bei T = 2000 K bzw. T = 3000 K (M_m = 44 g/mol; R = 8,31441 J K^–1mol^–1) von:
C_RMS2000K = 1064,8 m/s
C_RMS3000K = 1304 m/s
Infolge der Kollisionen bei diesen hohen Temperaturen kommt es zur Auffüllung der Rotations- und Schwingungszustände und letztlich zur Dissoziation.
Die Bindungsenergie in CO₂ für die C-O Bindung liegt bei Raumtemperatur bei 360 kJ/mol. Um diese Bindung aufzubrechen ist eine Erhöhung der Temp. auf 2000–3000°C notwendig was der Zufuhr von 63–100 kJ/mol an Wärmeenergie entspricht. Q₁ = (T₂ – T₁)·Cp = (2000 K – 298 K)·37,11 JK^–1mol^–1 = 63,161 kJ/mol Q₂ = (T₂ – T₁)·Cp = (3000 K – 298 K)·37,11 JK^–1mol^–1 = 100,271 kJ/mol
Es genügt also im vorliegenden Fall am Düsenaustritt eine Geschwindigkeit der austretenden CO2 Gasmoleküle – des Molekularstrahles – zumindest im Bereich von 1064–1302 m/s einzustellen. Im Fall eines Düsendurchmessers von 0,3 mm entspricht dies einem Durchfluß (bei 20°C) von ca. 5–7 l/min. Hierfür muss mit einem Vordruck von ca. 50–100 bar gearbeitet werden. Es handelt sich also bei dem beschriebenen Prozess um eine Umwandlungskette von Druckenergie in kinetische Energie (Geschwindigkeit) und über den reaktiven Stoß in chemische Energie unter Umgehung der Produktion von ungerichteter Bewegungsenergie! Der notwendige Energieinput für das Verfahren wird primär über die Kompression (Druckenergie) der Gase bereitgestellt.
Da die Bereitstellung von CO2 auf einem Druckniveau weit über 50 bar mitunter mit technischen Schwierigkeiten verbunden ist, da CO2 einen kritischen Druck von ca. 70 bar besitzt, ist es möglich das Gas als Mischgas beispielsweise mit einem Zusatz von 20%–50% Methan zu speichern und dann bei erhöhtem Druck abzulassen. Dadurch kann das CO2-ähnlich wie bei den beschriebenen „seeded beams” höher beschleunigt werden. Als Gesamtreaktion erfolgt dann allerdings nicht eine reine CO2 Dissoziation sondern über einen komplexen Mechanismus auch eine Mitreaktion des Methans.
Bei Verwendung solcher „seeded beams” ist noch folgender Zusammenhang zu beachten: Beschleunigt man ein Gas oder ein Gemisch von Gasen in einer Düse über eine bestimmte Geschwindigkeit hinaus, so ist der Abkühlungseffekt so groß, dass die Gasphase in die Flüssigphase übergeht. Die Anzahl der Freiheitsgrade nimmt also drastisch ab. Manche Gase (z. B. CO2) kühlen so stark ab, dass sie direkt in die feste Phase übergehen (Bildung von sog. Trockeneis). In diesem Fall sinkt deren molare Wärmekapazität noch stärker ab.
Es ist darüber hinaus von Interesse, dass sich die Moleküle im festen Zustand viel näher kommen als im gasförmigen (oder flüssigen Zustand). Trifft ein solches gerade erst entstehender Kristall auf ein Fremdmolekül, so wird er es in sein Kristallgitter einbauen. Je nach der Größe der Wirtsmoleküle und des Fremdmoleküls bilden sich sog. Clathrate in denen die Gastatome eingelagert werden. In diesem Zusammenhang spricht man auch von „solid solutions”.
Wird nun kein Gastmolekül eingelagert, so entspricht das physikalische Verhalten des Clathrates dem des Reinstoffes – also Schmelz-Siede und Sublimationspunkt bleiben unverändert. Bei Einlagerung von Gastmolekülen kann sich jedoch das gesamte physikalische Verhalten des Clathrates ändern. Dies ist insofern von Bedeutung, als durch eine Stabilisierung des Wirtsgitters durch Gastmoleküle eine Erhöhung des Schmelz-Siede und sublimationspunktes eintreten kann. Auch
Es kann also bei sehr hohen Geschwindigkeiten der Molekularstrahlen und bei speziellen Gasen (Z. B. CO2, H2O, CH4) zur Bildung von Clathraten kommen statt zu richtigen chemischen Reaktionen.
Auch das kann nun für verschiedene Anwendungen genutzt werden. Eine davon ist beispielsweise die einfache Speicherung eines Gases A, welches sonst nur unter hohem Druck oder verflüssigt gespeichert werden kann, durch Zugabe eines Gases B in Form eines festen Clathrates.
Empfohlene Literatur:

L. Bergmann, Der Ultraschall, VDI Verlag Gmbh Berlin Nw7, 3. Auflage (1942)
R. D. Levine; R. B. Bernstein, Molekulare Reaktionsdynamik, Teubner Studienbücher Chemie, (1991)
R. Brdicka, Grundlagen der physikalischen Chemie, VEB Verlag der Wissenschaften Berlin, 3. Auflage (1962)

Bezugszeichenliste

1: Reaktor
2: Erstes Reaktorende
3: Zweites Reaktorende
4: Erstes Gas (Targetgas)
5: Zweites Gas (Reaktionsgas)
6: Molekularstrahl
7: Gasbehälter
8: Düse
9: Ultraschallsirene
10: Wand der stehende Welle
11: Knotenpunkt
12: Zuleitung für zweites Gas
13: Reaktorende in Form eines Lautsprechers

Claims

Verfahren zur Durchführung einer chemischen Reaktion zwischen einem Targetgas und einem Molekularstrahl dadurch gekennzeichnet, dass a) in einem Reaktor, der akustisch resonanzfähig oder ein akustischer Resonator ist, ein erstes Gas (Targetgas) vorgelegt wird, d) in diesem mit dem ersten Gas gefüllten Reaktor anschließend mit Hilfe einer Ultraschallsignalquelle durch ein Ultraschallsignal mit einer Ultraschallfrequenz > 16 kHz eine „stehende Welle” in diesem ersten Gases erzeugt wird, e) anschließend in den Reaktor ein zweites Gas (Reaktionsgas) in Form eines Molekularstrahls eingetragen wird, wobei der Molekularstrahl auf mindestens eine der durch Ultraschall erzeugten „Wände” der „stehenden Wellen” des ersten Gases trifft.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, – dass das zweite Gas in dem Molekularstrahl mit einer Geschwindigkeit > 343 m/s in den Reaktor eingetragen wird, vorzugsweise das zweite Gas mit einer Geschwindigkeit > 1000 m/s in den Reaktor eingetragen wird, insbesondere mit einer Geschwindigkeit zwischen 1050 m/s und 1350 m/s in den Reaktor eingetragen wird und/oder – dass die Ultraschallfrequenz zur Erzeugung der „stehenden Welle” zwischen 16 kHZ und 1 GHz, vorzugsweise zwischen 16 kHz und 100 kHz, liegt, und/oder – dass das erste Gas (Targetgas) im Reaktor bei einem Druck von zwischen 1 bar und 10 bar bar vor Entstehen der „stehenden Welle” vorliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor eine längliche Gestalt mit zwei gegenüberliegenden Reaktorenden aufweist, wobei vorzugsweise mindestens ein Reaktorende geschlossen ist oder mindestens ein Reaktorende offen ist, und/oder dass der Reaktor als akustischer Resonator zumindest teilweise aus einem Rohr besteht, insbesondere bevorzugt in Form eines akustisch resonanzfähigen Rohrs ausgeführt ist; und/oder dass der Reaktor ein akustischer Resonator mit zwei gegenüberliegenden Reaktorenden ist, der vorzugsweise zumindest teilweise aus einem Rohr besteht und in dem mindestens ein Reaktorende geschlossen ist oder mindestens ein Reaktorende offen ist; insbesondere dass der Reaktor ein akustisch resonanzfähiges Rohr mit zwei gegenüberliegenden geschlossenen oder offenen Reaktorenden ist, in dem mindestens ein Reaktorende geschlossen ist oder mindestens ein Reaktorende offen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor mindestens zwei gegenüberliegende Reaktorenden aufweist, wobei die Ultraschallsignalquelle an einem Reaktorende angeordnet ist und das gegenüberliegenden Reaktorende zumindest teilweise als schwingfähige Membran, vorzugsweise als schwingfähige metallische Membran, insbesondere aus Cu, Ag oder Au, ausgeführt ist; und/oder vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktorende, an dem die Ultraschallsignalquelle angeordnet ist, in Form einer Lautsprechers ausgeführt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das erste Gas (das Targetgas) als auch das zweite Gas (das Reaktionsgas/der Molekularstrahl) aus einem Reingas oder einem Gasgemisch besteht; vorzugsweise das zweite Gas (das Reaktionsgas/der Molekularstrahl) aus einem Gasgemisch besteht, insbesondere das zweite Gas (das Reaktionsgas/der Molekularstrahl) aus einem Gasgemisch aus einem Gas mit geringerem Molekulargewicht und einem Gas mit höherem Molekulargewicht besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gas (Targetgas) und das zweite Gas (das Reaktionsgas/der Molekularstrahl) dieselbe chemische Zusammensetzung aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gas (Targetgas) und das zweite Gas (das Reaktionsgas/der Molekularstrahl) eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, – dass das zweite Gas ausgewählt ist aus CH₄ oder CO₂ oder einem Gasgemisch aus CO₂ und CH₄, vorzugsweise ausgewählt ist aus CH₄ oder CO₂ oder einem Gasgemisch bestehend aus 80 Vol.%–50 Vol.% CO₂ und 20 Vol.%–50 Vol.% CH₄, und – dass das erste Gas (das Targetgas) ausgewählt ist aus CH₄ oder CO₂ oder einem Gasgemisch aus CO₂ und CH₄, vorzugsweise ausgewählt ist aus CH₄ oder CO₂.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Gas (das Reaktionsgas) in Form des Molekularstrahls an einem Reaktorende, vorzugsweise an einem Reaktorende eines als Rohr ausgeführten Reaktors, senkrecht auf mindestens eine „Wand der stehenden Welle” des ersten Gases (des Targetgases) trifft, oder vorzugsweise an einem Reaktorende eines als Rohr ausgeführten Reaktors auf mindestens einen Schwingungsknoten der im ersten Gas (dem Targetgas) erzeugten „stehenden Welle” trifft, oder vorzugsweise das zweite Gas in Form des Molekularstrahls parallel zur Rohrlängsachse des als Rohr ausgeführten Reaktors in den Reaktor eingetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschallsignal mittels mechanischer oder elektromechanischer Mittel vorzugsweise durch einen Galtonpfeife, Ultraschallsirene, Lippenpfeife, Hartmann Generator, schwingende Stäbe, schwingende Saiten, magnetostriktiv oder piezoelektrisch, besonders vorzugsweise durch eine Ultraschallsirene, erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor in Beton eingegossen wird, und/oder dass der Reaktor aus Metall, Kunststoff, Keramik oder Verbundstoffen wie Beton oder aus einer Kombination dieser Materialien besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Gas aus einem Gasbehälter, in dem das zweite Gas mit Überdruck vorliegt, über eine Düse in den Reaktor eingetragen wird, wobei die Düse vorzugsweise einen Durchmesser von 0.01 mm bis 1 mm, insbesondere einen Durchmesser von 0.2 mm bis 0.4 mm hat.
Reaktor zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass a. der Reaktor derart ausgelegt ist, dass in einem ihn befüllenden ersten Gas (Targetgas) mit Hilfe einer Ultraschallsignalquelle durch ein Ultraschallsignal mit einer Ultraschallfrequenz > 16 kHz kHz eine „stehende Welle” dieses ersten Gases erzeugt werden kann, b. der Reaktor eine Ultraschallsignalquelle aufweist und c. eine Öffnung zum Eintrag eines zweiten Gases vorliegt.
Reaktor zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass a. der Reaktor ein resonanzfähiger Behälter ist, der zumindest teilweise aus einem Rohr besteht, in dem eine „stehende Welle” erzeugt wird oder werden kann, b. der Reaktor eine Ultraschallsignalquelle aufweist und c. ein Öffnung zum Eintrag eines zweiten Gases vorliegt, wobei d. die Ultraschallsignalquelle an einem Ende des Reaktors und eine schwingfähige Membran am gegenüberliegenden Ende des Reaktors vorliegt und e. das die Ultraschallsignalquelle tragende Reaktorende in Form eines Lautsprechers geformt ist.
Reaktor gemäß einem der Ansprüche 13 oder 14 dadurch gekennzeichnet, dass – der Reaktor längliche Gestalt hat, vorzugsweise als Rohr ausgeführt ist; und/oder – der Reaktor zwei gegenüberliegende Reaktorenden aufweist, wobei vorzugsweise mindestens ein Reaktorende geschlossen ist oder mindestens ein Reaktorende offen ist; und/oder – der Reaktor als akustischer Resonator zumindest teilweise aus einem Rohr besteht, insbesondere bevorzugt in Form eines akustisch resonanzfähigen Rohrs ausgeführt ist; und/oder – der Reaktor ein akustischer Resonator mit zwei gegenüberliegenden Reaktorenden ist, der vorzugsweise zumindest teilweise aus einem Rohr besteht und in dem mindestens ein Reaktorende geschlossen ist oder mindestens ein Reaktorende offen ist; und/oder – der Reaktor ein akustischer Resonator mit zwei gegenüberliegenden Reaktorenden ist, der vorzugsweise zumindest teilweise aus einem Rohr besteht und in dem mindestens ein Reaktorende geschlossen ist oder mindestens ein Reaktorende offen ist; und/oder – der Reaktor ein akustisch resonanzfähiges Rohr mit zwei gegenüberliegenden geschlossenen oder offenen Reaktorenden ist, in dem mindestens ein Reaktorende geschlossen ist oder mindestens ein Reaktorende offen ist; und/oder – der Reaktor mindestens zwei gegenüberliegende Reaktorenden aufweist, wobei die Ultraschallsignalquelle an einem Reaktorende angeordnet ist und das gegenüberliegenden Reaktorende als schwingfähige Membran, vorzugsweise als schwingfähige metallische Membran, insbesondere aus Cu, Ag oder Au, ausgeführt ist; und/oder – der Reaktor mindestens zwei gegenüberliegende Reaktorenden aufweist, wobei das Reaktorende, an dem die Ultraschallsignalquelle angeordnet ist, in Form einer Lautsprechers ausgeführt ist; und/oder – dass das Ultraschallsignal mittels mechanischer oder elektromechanischer Mittel vorzugsweise durch einen Galtonpfeife, Ultraschallsirene, Lippenpfeife, Hartmann Generator, schwingende Stäbe, schwingende Saiten, magnetostriktiv oder piezoelektrisch, besonders vorzugsweise durch eine Ultraschallsirene, erzeugt wird; und/oder – der Reaktor in Beton eingegossen wird; und/oder – der Reaktor aus Metall, Kunststoff, Keramik oder Verbundstoffen wie Beton oder aus einer Kombination dieser Materialien besteht; und/oder – das die Öffnung zum Eintrag des zweiten Gases als Düse ausgeführt ist; und/oder – das zweite Gas aus einem Gasbehälter, in dem das zweite Gas mit Überdruck vorliegt, über eine Düse in den Reaktor eingetragen wird, wobei die Düse vorzugsweise einen Durchmesser von 0.01 mm bis 1 mm, insbesondere einen Durchmesser von 0.2 mm bis 0.4 mm hat; und/oder – das zweite Gas in Form des Molekularstrahls durch die Öffnung, vorzugsweise durch eine Düse, parallel zur Rohrlängsachse des als Rohr ausgeführten Reaktors in den Reaktor eingetragen wird; und/oder – der Reaktor in Beton eingegossen wird oder mehrere Reaktoren zusammen in Beton eingegossen werden; und/oder – der Reaktor aus Metall, Kunststoff, Keramik oder Verbundstoffen wie Beton oder aus einer Kombination dieser Materialien besteht; und/oder – die Ultraschallsignalquelle an einem Reaktorende und eine schwingfähige Membran am gegenüberliegenden Reaktorende vorliegt; und/oder – das die Ultraschallsignalquelle tragende Reaktorende in Form eines Lautsprechers geformt ist.