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Stand der Technik
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Ein kurzer Exkurs in den Stand der Technik soll die Werthaltigkeit der vorgestellten Erfindung darstellen.
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Die Möglichkeit Molekülbindungen durch wechselnde Felder, wie z. B. elektrische Impulse geeigneter Frequenzen und Impulscharakteristiken aufzubrechen, wird erst in den letzten Jahren in Forschungseinrichtungen untersucht. Nachdem anfangs Veränderungen von Standardreaktionen zu mikrowellentauglichen Protokollen die Hauptforschungsziele waren, etablieren sich nun spezielle Nischen-Anwendungen, um die Leistungsfähigkeit der Ultraschall- und Mikrowellen bei chemischen Veränderungen auszunutzen. Die Mikrowellen dienen zur Spaltung und Erwärmung des Reaktionsgemisches, Ultraschall z. B. hilft bei der Emulgierung von Fett und Wasser, die für hydrothermale Spaltung von Fett nötig ist. Anwendungsgebiete wie die der Biokraftstoffherstellung (aus der tropischen Pflanze Jatropha Curcas) erleben gegenwärtig eine regelrechte Verfahrensoptimierung durch die Kombination elektromagnetischer Wellen. Die Prozessdauer (Biodieselgewinnung – Umesterung) benötigt in der Regel ca. 150 min. Um den Reaktionsvorgang zu beschleunigen, haben Wissenschaftler (Sherbiny et al. 2010: Production of biodiesel using the microwave technique. J. Adv. Res., doi:10:1016/j) eine Methode entwickelt, die es ermöglicht, den Reaktionsprozeß auf 2 min. zu reduzieren. Dabei verwendeten sie elektromagnetische Wellen in einem bestimmten Schwingungsspektrum. Der Energieeintrag zur schonenden und beschleunigten Umsetzung der Endprodukte erfolgte aus dem Schwingungsspektrum der Ultraschall- und Mikrowellenstrahlung.
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Aber auch die direkte Einwirkung von Mikrowellenstrahlung auf elektromagnetische Strahlungen, wie die einer Flamme zeigen, dass nicht nur Stoffverbindungen in Schwingung versetzt werden können, sondern prinzipiell Anregungsfrequenzen zu merklicher, resonanzartiger Schwingung im elektromagnetischen Spektrum führen. Bei einer herkömmlichen Flamme haben Wissenschaftler (Hemawan et al. 2009: Compact microwave re-entrant cavity applicator for plasma-assisted combustion. Rev. Sci. Instrum. 80, 053507) durch die Bestrahlung von Mikrowellen (mit geringer Leistung 2–15 W) beobachtet, dass deren Intensität und Größe sich steigern lässt.
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Mit den Möglichkeiten einer separaten, dem Schwingungsverhältnis der Elemente angepassten Energiezufuhr aus Strahlungsenergie, lasst sich der Energieaufwand zur Auftrennung von chemischen Bindungen beträchtlich verringern, so dass bei der nachfolgenden Reaktion ein optimierter Reaktionsverlauf und damit ein erhöhter Wirkungsgrad erzielt werden kann.
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Wissenschaftler vom Institut für Anorganische und Analytische Chemie der Universität Jena nutzen diese Strahlungsenergie in Form von Licht, um Elektronen gezielt von einer Untereinheit eines Moleküls zu einer anderen springen zu lassen. Dadurch entsteht am Ende der Reaktion molekularer Wasserstoff. In einem der Natur nachempfundenen Prozeß, bei dem die Reaktion in einem einzigen Molekül ablauft, wird molekularer Wasserstoff mittels eines speziellen Katalysators erzeugt. Um die Reaktion weiter zu optimieren und so die höchstmögliche Energieausbeute zu erzielen, werden gegenwärtig in einer Kooperation mit dem Institut für Physikalische Chemie der Universität Jena (IPC) und dem Institut für Physikalische Hochtechnologie (IPHT) weitere Arbeitsschritte unter Anwendung Laserspektroskopischer und subtiler quantentheoretischer Methoden durchgeführt.
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Derartige neue verfahrenstechnische Erkenntnisse zur Gewinnung von Wasserstoff gehen zurück auf den gelernten Buchbinder Michael Faraday, der eine simple Methode zur Spaltung von Wasser 1832 beschrieben hat. Klassische Methoden der Wasserstofferzeugung wie z. B. der Pyrolyse bei der die Reaktion durch reine Wärmezufuhr ohne zusätzlichen Arbeitseinsatz und ohne Wärmeabgabe bei Temperaturen von ca. 5000 K zur vollständigen Dissoziation führt; oder die Elektrolyse die im Prinzip ohne Wärmezufuhr durch Einbringung von elektrischer Arbeit arbeitet, als auch die Thermolyse die ebenfalls ohne externe Arbeit das Wasser bei niedrigeren Temperaturen (T1 < 1000 C) durch eine von geeigneten Katalysatoren ermöglichte Kette chemischer Reaktionen spaltet. Für die beiden letztgenannten Verfahren existieren etliche Verfahren, die nur im begrenzten Umfang großtechnische Praktikabilität erreicht haben. Dabei zeichnet sich Wasserstoff gegenüber anderen Brennstoffen durch seinen hohen Energieinhalt aus. So wird z. B. bei der Verbrennung von nur 1 Kilogramm Wasserstoff zu Wasser dieselbe Energie frei wie bei der Verbrennung von 2,75 Kilogramm Benzin. Dieser hohe Gehalt des Wasserstoffs an chemischer Energie muss bei der Herstellung von Wasserstoff aus Wasser auch aufgewendet werden. Die für das Zustandekommen der Reaktion erforderliche Energiemenge wird wie beschrieben bislang entweder als Wärme oder als Arbeit (Elektrizität) zugeführt. Da kein technischer Prozess in idealer Weise und ohne Verluste den thermodynamischen Gesetzen folgt, ist der Energieaufwand zur Bereitstellung von Wasserstoff immer höher als die letztlich im Energieträger Wasserstoff gespeicherte Energie. Jede Energiewandlung ist also mit irreversiblen Verlusten behaftet.
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Der wesentliche Vorteil der verfahrenstechnischen Erfindung ist, durch gezielte und kontrollierte Einbringung von Energie auf Molekülebene die Umwandlungsverluste im Wassernetzwerk gering zu halten, indem nichtklassische Bedingungen von chemischen Reaktionen zur Anwendung kommen, statt die konventionellen Wirkmechanismen der chemischen Synthese, wie etwa den makroskopischen Variablen Temperatur, Druck oder Konzentration oder Elektrizität zu verwenden. Zu den nichtklassischen Bedingungen von chemischen Reaktionen gehören neben Mikrowellenstrahlung auch Radiowellen, Ultraschall, Terahertz, Laser und hochfrequente mechanische Schwingungen. Der Einsatz dieser Energieträger aus dem elektromagnetischen Spektrum kann bei aktiver Kontrolle der chemischen Reaktion auf molekularer Ebene zu einer Effizienzsteigerung mit geringen Umwandlungsverlusten beim selektiven Brechen und Knüpfen chemischer Bindungen führen.
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Problem
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Bei der klassischen ”thermischen Chemie”, wird durch Wärmezufuhr und statistische Verteilung von Schwingungsenergie ein Molekül in allen Freiheitsgraden ”aufgeheizt”, bis die Zunahme an interner Energie zum Bruch der schwächsten Bindung führt. Chemische Systeme sind stark gekoppelte Systeme, die schwer zu kontrollieren sind. Ihre Energieverteilung ist zeitlich stark veränderlich. Stellt man sich die chemischen Bindungen eines Moleküls oder dessen Verband als elastische Verknüpfungen mit charakteristischen Resonanzfrequenzen vor, dann ist es möglich, dass man sie durch resonante Schwingungsenergie individuell zu Schwingungen anregen, schwachen und schließlich brechen kann. Bisher wird die Ausbeute der gewünschten Reaktionsprodukte wie z. B. bei der Spaltung von Wasser durch Veränderungen des Gleichgewichts d. h. durch Erhöhung der beteiligen Ausgangsstoffe und den entstehenden Produkten, die für die jeweilige Reaktion idealen makroskopischen Reaktionsparameter, wie Temperatur, Druck, Konzentration oder ph-Wert, eingestellt. Die Energieeinträge verteilen die eingebrachte Energie sehr schnell auf alle Teilchen des Moleküls sowie dessen Verband auch wie Versuche zeigen bei punktuell zugeführtem resonanten Laserlicht oder Elektrizität. Die Ursache hierfür besteht darin, dass die Energie über viele Schwingungsfreiheitsgrade des Moleküls bzw. der Moleküle verteilt ist und sich erst als Folge einer Fluktuation in der zu brechenden Bindung konzentrieren muss. Eine energieeffiziente Methode zur Spaltung des Wassers, mit einem höheren Wirkungsgrad als 75%, ist damit nicht gegeben. Die erwünschten Molekülbewegungen werden durch die diffus fluktuierenden untereinander verbrückten Wassermoleküle gestört. Als Nebenprodukt erhält man Moleküle mit erhöhter Temperatur, die zu einem direkten Erwärmen des Wassers führen. Zu den zu brechenden Bindungen gehören immer mehrere und spezielle Schwingungsmoden, die gemeinsam eine Reaktion antreiben, um zum Produkt zu kommen. Die Anzahl der reaktionsrelevanten Schwingungen ist nicht sehr groß. Dennoch sind es grundsätzlich immer mehrere Schwingungsmoden und somit auch mehrere Wellenlängen, die wirken müssen.
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Neuentwicklung
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff anzugeben, bei dem der Gesamtwirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Verfahren wesentlich größer und umweltfreundlicher ist.
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Für die Spaltung von Wasser empfiehlt es sich daher, statt den konventionellen Wirkmechanismen mit unkontrolliertem, regellosem Energieeintrag, gezielte Wirkmechanismen zu verwenden, die eine Verringerung der molekularen Freiheitsgrade bewirken und zu einer energieeffizienten Spaltung des Wassers führen. Diese Reduktion der Freiheitsgrade kann durch eine hochfrequente, oszillierende Schwingung erfolgen, die eine Kopplung bestimmter molekularer Freiheitsgrade hervorruft und untereinander zu einer Umverteilung der ursprünglich lokalisiert deponierten Schwingungsenergie in wenige Freiheitsgrade führt. Durch geeignete Kombination der physikalischen Effekte von hochfrequenter, oszillierender und elektronischer Anregung und der Zugabe biologischer Moleküle wird eine kontrollierte Anregung molekularer Prozesse ermöglicht. Die Voraussetzungen für diese global kooperative Wechselwirkung zwischen Anregungssystem und Molekülverband durch einen abgestimmten sich wiederholenden Energieaustausch beruht in der Zuführung eines Trägerfeldes in Form einer hochfrequenten, mechanischen Schwingung als Oszillator und sich speziell mit den Wassermolekülen verbindenden biologischen Molekülen. Die biologischen Moleküle binden sich an die Wasserstoffbrücken und verlangsamen die Dynamik der Wassermoleküle. Es entsteht eine anziehende Kraft, so dass die Wassermoleküle sich nicht mehr beliebig in jede Richtung bewegen können und den Reaktionsprozess und deren Verteilung stimuliert. Die hochfrequente, oszillierende Energie kanalisiert die symmetrische Valenzschwingung und reduziert die anderen Freiheitsgrade, die sonst asymmetrisch über viele Schwingungsfreiheitsgrade des Moleküls und des Verbands den Energieeintrag verteilen.
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Über diese spezielle Art der Energieeintragung wird der Wassermolekülverband auf die gewünschten und erforderlichen Schwingungsmoden gebracht. Sowohl die Oszillationsenergie als auch die biologischen Moleküle ermöglichen durch Verringerung der intramolekularen Energieumverteilungsprozesse den Wassermolekülen konzentriert Energie aufzunehmen. Haben die Wassermoleküle genügend Energie aufgenommen erfolgt durch Bestrahlung mit einer bestimmten Frequenz und Leistung der Bindungsbruch der H2O-Moleküle. Dieser Einfluss auf die Wassernetzdynamik kann durch die Kinetische-Terahertz-Absorptionsspektroskopie (KITA) nachgewiesen werden.
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Erzielbare Vorteile
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Durch die Erfindung wird Leitungswasser unter Normaldruck in seine Bestandteile zerlegt und generiert ein wasserstoff- und sauerstoffreiches Prozessgas. Es werden keine Säuren oder Basen verwendet. Die Erfindung besteht aus einer mehrteilig aufgebauten, abgedichteten Reaktorkammer mit einer elektromagnetischen Strahlungsquelle in Form von zwei Elektroden. In der Mitte der beiden Elektroden befindet sich ein Behältnis für Wasser das speziell auf den Energieeintrag in das Wasser in Größe und Form abgestimmt ist. Um den Grundschwingungszustand der Wassermoleküle zu verändern werden sowohl biologische Moleküle dem Wasser als auch hochfrequente Schwingungen mit Hilfe von piezokeramischen Vielschichtaktoren an der Unterseite des Wasserbehälters zugeführt. Die Wassernetzdynamik im Behälter führt durch diese spezielle Art der Energieeintragung zu hohen Schwingungsamplituden. Strahlt man zeitgleich eine elektromagnetische Welle mit einer bestimmten Frequenz und Leistung ein, so stimuliert die einlaufende Welle die H2O-Moleküle und führt zum Brechen der Wassermolekülbindung.
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Die Erfindung bietet durch den gezielten Eintrag von Energie auf Molekülebene bei der Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff geringere Umwandlungsverluste und kann dadurch als attraktives Energiespeichermedium in dezentrale und zentrale Energiesysteme und als Sekundärenergieträger für unterschiedlichste stationäre, portable und mobile Anwendungen angesehen werden. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung 1 erläutert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Reaktorkammer
- 2
- hochfrequente mechanische Schwingungsquelle
- 3
- Wasserbehälter
- 4
- erste Elektrode
- 5
- zweite Elektrode
- 6
- Anpassnetzwerk
- 7
- Frequenzgenerator
- 8
- Mechanismus für das Einleiten von Wasser und biologischen Molekülen
- 9
- Gasabzugsvorrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Sherbiny et al. 2010: Production of biodiesel using the microwave technique. J. Adv. Res., doi:10:1016/j [0002]
- Hemawan et al. 2009: Compact microwave re-entrant cavity applicator for plasma-assisted combustion. Rev. Sci. Instrum. 80, 053507 [0003]
