DE4032326A1 - Verfahren zur verminderung der konzentration freier halogene in der oberen atmosphaere - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung der Konzentra­ tion freier Halogene in der oberen Atmosphäre.

In der oberen Atmosphäre, oberhalb der Tropopause in etwa 15 km bis 30 km über der Erdoberfläche ist bei äußerst geringer Dichte eine Zone, in der aus dort vorhandenem molekularen Sauerstoff Ozon gebil­ det ist, das unter der Einwirkung energiereicher, im mittleren bis fernen UV-Bereich liegende Sonnenstrahlung ein Sauerstoffatom ab­ spaltet und dabei Strahlungsenergie aus diesem Spektralbereich ab­ sorbiert. Die so abgespaltenen Sauerstoffatome stehen zur erneuten Ozonbildung durch Reaktion mit Sauerstoffmolekülen zur Verfügung. Diese Ozonschicht ist für das Leben von eminenter Bedeutung, verhin­ dert sie doch aufgrund des Lichtabsorptionsvermögens des Ozonmole­ küls im mittleren und fernen Ultraviolett, daß die im Sonnenlicht reichlich vorhandene harte Ultraviolettstrahlung bis zur Erdoberflä­ che durchdringt und dort vorhandenes Leben schädigt. Dabei ist zum einen die allgemeine Beeinflussung in Flora und Fauna darunter zu verstehen, die besonders im Bereich niederer Pflanzen und Tiere er­ höhten Mutationsraten, und damit Mutanten, die im Ökosystem unkon­ trollierbare Folgen hervorrufen können. Zum anderen kann durch die bei einem Anstieg derartiger Strahlung am Erdboden der Mensch direkt geschädigt werden, da diese Strahlung als auslösendes Agens z. B. für Melanome anzusehen ist.

Eine derartige Schwächung der Absorption harter ultravioletter Strah­ lungsbestandteile tritt ein, wenn in der Ozonschicht die Ozonkonzen­ tration gesenkt wird. Dies erfolgt beispielsweise durch Halogene, die aus halogenhaltigen Stoffen, etwa den Halogen-Kohlenwasserstof­ fen aus anthropogenen Quellen (z. B. aus Reinigungsprozessen oder in Verbindung mit Aerosol-Sprühgeräten), die in die obere Atmosphäre gelangen, freigesetzt werden. Dabei spielt insbesondere Chlor aus chlorhaltigen Halogen-Kohlenwasserstoffen mit mindestens einem Chlor­ atom (CHKW) bezüglich des Ozonabbaues eine besondere Rolle. Dieses Chlor wird bei Spaltung der Halogen-Kohlenwasserstoffe durch sonnen­ lichtbedingte Photoprozesse frei gesetzt und zwar als freies Chlor (oder freies Halogen, wobei für Brom eine zwar schwächere, aber doch vorhandene Wirkung festgestellt ist). Bei mono-Fluor-tri-Chlor- Methan ist oberhalb der Tropopause eine nahezu vollständige Abspal­ tung des Chlors anzunehmen. Diese freigesetzten Chlor- (bzw. andere Halogen-)atome fliegen aufgrund der thermischen Wärmebewegung frei und stoßen mit mittleren freien Weglängen von (wegen der äußerst geringen Dichte der dort vorhandenen Atmosphäre) mit vorhandenen Molekülen zusammen, wobei auch Stöße mit Ozonmolekülen vorkommen, bei denen die Ozonmoleküle zerfallen, und zwar in ein Sauerstoffmo­ lekül und ein Sauerstoffatom, letzteres lagert sich an das Chloratom an. Die Sauerstoffmoleküle stoßen nach einer gewissen Zeit wieder (bei Zweier-Stößen) mit einem freien Sauerstoffatom zusammen und bilden mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit ein neues Ozonmolekül. Da das in der Ozonschicht freigesetzte Chlor abgespaltene Sauer­ stoffatome zumindest für eine gewisse Zeit bindet, wird durch das Chlor deren Konzentration verringert und so auch die Wahrschein­ lichkeit der Neubildung von Ozonmolekülen. Die Chlor- (oder anderen Halogen-)atome haben in dieser Schicht der oberen Atmosphäre eine lange Lebensdauer, und sie können daher mit einer Vielzahl von Ozon- Molekülen in Wechselwirkung treten und so genügen (verhältnismäßig) wenige Chloratome, um die Ozonschicht nachhaltig zu schädigen.

Hier setzt die Erfindung an, die eine Lösung für das technische Problem angeben will, die Konzentration freier Halogene in der obe­ ren Atmosphäre zu vermindern, um die Beeinträchtigung der Ozon­ schicht zu reduzieren.

Als Lösung wird nach der Erfindung vorgeschlagen, daß in den Bereich dieser oberhalb der Tropopause liegenden Schicht der Atmosphäre, der Stratosphäre, aus einem dorthin verbrachten Verteilmodul Alkali- oder Erdalkalimetall freigesetzt wird, wobei das Freisetzen derart erfolgt, daß das freigesetzte Alkali- bzw. das Erdalkalimetall ato­ mar oder zumindest nahezu atomar dispergiert vorliegt, und wobei bei der Freisetzung eine Verteilung der freigesetzten Alkali- bzw. Erd­ alkalimetallatome wolkenartig über einen weiten Bereich erfolgt. Durch diese Maßnahme wird eine Möglichkeit geschaffen, freie Halo­ genatome beim Stoß einzufangen und chemisch zu binden. Die dabei entstehenden Salze, die zunächst molekular dispergiert vorliegen, formen im Laufe der Zeit ein Aerosol, das mit einer gewissen Ver­ weildauer in der oberen Atmosphäre verbleibt und schließlich in un­ tere Stockwerke der Atmosphäre gelangend vom Wettergeschehen erfaßt und mit der Selbstreinigung der Atmosphäre "ausgewaschen" wird. Dies gilt auch für nicht verbrauchte Anteile der Alkali- bzw. Erdalkali­ metallatome, die, in die unteren Stockwerke der Atmosphäre gelangen, mit Wasserdampf und Kohlendioxid reagieren und so letztendlich als ökologisch unschädliche Endprodukte zur Erdoberfläche zurückkehren.

In einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, daß die atomare Disper­ gierung der Alkali- bzw. der Erdalkalimetalle thermisch erfolgt und der ausgestoßene Dampf als Strahl zum einen Antriebsenergie für das Verteilmodul liefert und zum anderen der Strahl derart aufgespalten wird, daß die räumlich breite Verteilung erfolgt, wobei vorteilhaft die thermische Dispergierung in einer Brennkammer vorgenommen wird, deren Abgas zum einen Antriebsmittel für das Modul und zum anderen Trägermittel für die Alkali- bzw. Erdalkaliatome ist. Dadurch kann das Verteilmodul selbst über zumindest gewisse Strecken bewegen, was in Verbindung mit der räumlichen Strahlaufweitung für die Aus­ bildung eines mit Alkali- bzw. Erdalkaliatomen durchsetzten Korri­ dors Sorge trägt. Dabei spielt es zunächst keine Rolle, ob das Ver­ teilmodul als Flugkörper direkt in sein Zielgebiet geflogen ist, ob es mit Hilfe einer Rakete vom Erdboden gestartet wurde, oder ob es satellitenartig in diese Höhe gebracht wird, ggf. von einem Shuttle oder einem Höhen-Hochleistungsflugzeug, das in der dort vorhandenen Atmosphäre geringer Dichte noch flugfähig ist. Das Verteilmodul be­ wegt sich dann selbst in der dortigen Atmosphäre, wobei der deren Dichte bestimmende Luftdruck an der unteren Grenze etwa 150 hPa und an der oberen Grenze etwa 15 hPa beträgt und so im Mittel bei etwa 4% bis 6% des Bodendruckes liegt, so daß zumindest im niederen Be­ reichen noch hinreichend Auftrieb aerodynamisch erzeugt werden kann.

Die thermische Dispergierung kann dabei auch mit einem Antrieb des Moduls gekoppelt sein, so daß der gesamte Gasausstoß dem Vortrieb dient und dabei das ausgestoßene Gas die Alkali- bzw. Erdalkaliatome mit sich trägt. Dies ist sowohl bei einem Hochleistungs-Höhenflug­ zeug mit Düsenantrieb als auch bei einer Rakete mit Brennkammer möglich, wobei in beiden Fällen das zu verdampfende Alkali- oder Erdalkalimetall in die Brennkammer eingegeben wird. Die Eingabe kann dabei so erfolgen, daß unter der Hitzeentwicklung in der Brennkammer das Metall geschmolzen und flüssig eingedüst wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird im Bereich der Flugbahn des Verteilmoduls mittels vom Erdboden ausgehender Strahlung eines geeigneten Lasers, die derart abgestimmt ist, daß die Halogen-Koh­ lenwasserstoffe aufgebrochen werden, für eine Anreicherung mit frei­ em Halogen gesorgt. Durch diese Weiterbildung wird eine Halogenab­ scheidung bewirkt, die auch Halogen-Kohlenwasserstoffe mit umfaßt, da deren Moleküle mit hinreichender Wahrscheinlichkeit aufgebrochen werden, wodurch das in ihnen ursprünglich gebundene Halogen freige­ setzt und so zur Abscheidung bereitgestellt wird.

Die Konzentration der freigesetzten Alkali- bzw. Erdalkalidämpfe kann mit Hilfe spektroskopischer Überwachung bestimmt und geregelt werden. Dazu ist das Verteilmodul mit einer Bodenstation in Verbin­ dung, wobei die Bodenstation ihrerseits mit ggf. auf Restlicht abge­ stellte Überwachungseinrichtungen, die auf die von den verdampften Alkali- bzw. Erdalkalimetallatome, die von der in dieser Höhe herr­ schenden energiereichen Strahlung sowie durch dort vorhandene freie Elektronen angeregt werden, und die die aufgenommene Energie unter Ausstrahlung ihrer charakteristischen Spektrallinien abgeben, emi­ tierten Hauptspektrallinien abgestellt sind. Dadurch ist es in ein­ facher Weise möglich, den Dampfausstoß den Gegebenheiten anzupassen und so den begrenzten Metallvorrat sparsam zu verteilen.

Als besonders vorteilhaft bieten sich für das Verfahren das Alkali­ metall "Natrium" und das Erdalkalimetall "Magnesium" an; beide wer­ den im technischen Maßstab metallisch gewonnen, beide Metalle sind daher kostengünstig. Beide Metalle reagieren mit Halogenen, wobei die entstehenden Salze wasserlöslich sind, beide sind im Ökokreis­ lauf vorhanden, eine negative Wirkung auf das Ökosystem ist daher nicht zu erwarten. Schließlich haben beide Metalle einen nicht zu hohen Dampfdruck, so daß ihr Verdampfen (relativ) leicht ist; im Ge­ gensatz zu den Metallen haben die Halegonide einen (relativ) niede­ ren Dampfdruck und sie sind gegenüber Temperatureinwirkung weitge­ hend stabil.

Ein theoretisches Verfahrensbeispiel soll den Grundgedanken der Er­ findung näher erläutern: Ein in eine niedere Bahn von etwa 20 km Hö­ he gebrachtes Hochleistungs-Höhenflugzeug als Verteilmodul stoße Treibstoffabgas aus, das in einer Brennkammer bei etwa 2000 K erzeugt wird. Dieser Ausstoß erfolge mit (relativ) geringer Geschwindigkeit, also mit (relativ) geringem Schub. Dieser Schub reiche gerade aus, um den noch vorhandenen Luftwiderstand der in dieser Höhe noch vor­ handenen Atmosphäre zu kompensieren und den Auftrieb zu erzeugen, der das Verteilmodul auf der Umlaufbahn hält. Dieses Abgas wird in der Brennkammer, in deren Austrittsquerschnitt oder in der Auslaß­ düse der Brennkammer mit Natrium angereichert. Entsprechend dem sehr hohen Dampfdruck des Natrium bei 2000 K wird daher ein dampfförmiger Ausstoß von Natrium erreicht, dessen Massendurchsatz im wesentlichen durch die Natrium-Zuführung gegeben ist. Wird dieser bei 200 g pro Kilogramm Treibstoffabgas gehalten, und wird eine Brenndauer von 1 Stunde unterstellt, ergibt sich - bezogen auf einen Treibstoffab­ gas-Ausstoß von 1 kg/s - ein notwendiger Treibstoff-Vorrat von 3600 kg und eine Natrium-Zuladung von 720 kg. Derartige Massen lassen sich jedoch ohne weiteres in die fragliche Höhe befördern, wobei auch ein Mehrfaches davon z. B. bei Flugzeugtransport (was wegen der Wieder-Verwendbarkeit zu bevorzugen ist) befördert werden kann.

Diese so ausgestoßene Wolke breitet sich, wie bei Versuchen zur Er­ forschung geophysikalischer Parameter mit von Raketen ausgestoßenem Bariumdampf in verschiedenen Höhen gezeigt werden konnte, wegen der Diffusion der ausgestoßenen Natriumatome aufgrund der hohen "Tempe­ ratur" (der Terminus "Temperatur" steht hier für die mittlere kine­ tische Energie der Atome, Ionen oder Elektronen) schnell auf erheb­ liche Durchmesser aus, wobei die Länge der Wolke von der Geschwin­ digkeit des Verteilmoduls in einer etwa in gleicher Höhe verlaufen­ den Umlaufbahn und von seiner Brenndauer gegeben ist. Das ausgesto­ ßene Natrium liegt bedingt durch die hohe Temperatur am Freiset­ zungsort atomar vor. Die Natrium-Atome werden unter dem Einfluß der in dieser Höhe vorhandenen Strahlung sowie der dort vorhandenen Elektronen mit ihrer (relativ) hohen Temperatur schnell ionisiert und bilden eine Wolke positiv geladener Natrium-Ionen, die im elek­ trischen (und wegen ihrer Eigenbewegung auch im magnetischen) Feld der Erde triften und die darüber hinaus auch im Konzentrationsgefäl­ le nach außen diffundieren, wobei von den vorhandenen Elektronen herrührende Raumladungen die zwischen den positiven Natrium-Ionen wirkenden, abstoßenden Kräfte mindern, die Diffusion wird ambipolar, sie bilden ein thermisches Plasma niederer Temperatur.

Die in die fraglichen Schichten gelangenden CHKW′s werden ebenfalls gespalten, und zwar unter Freisetzung von Halogen-Atomen, insbeson­ dere von Chlor-Atomen. Diese Chlor-Atome werden jedoch im Gegensatz zu den Natrium-Atomen durch Elektronen-Einfang negativ geladen und bilden negative Chlor-Ionen, die ebenfalls Bestandteile dieses Plas­ mas werden, wobei deren "Temperatur" gegenüber der herrschenden Elektronen-Temparatur ebenso niedrig ist, wie die der positiven Na­ trium-Ionen, die durch Stöße im Laufe der Zeit wesentliche Ener­ gieanteile verloren und sich somit "abgekühlt" haben. Zwischen den positiven Natrium-Ionen und den negativen Chlor-Ionen bestehen elek­ trische Anziehungskräfte, die Coulomb-Kräfte, die eine (ladungsmäßi­ ge) Rekombination begünstigen. Bei dieser Rekombination entsteht nun Natriumchlorid, eine auch als Kochsalz bekannte Verbindung, wobei die Bindungsenergie von so erheblicher Größe ist, daß die Dissozia­ tion in Natrium und Chlor unter den herrschenden Bedingungen un­ wahrscheinlich wird. Daher gelingt es mit der Anreicherung von Na­ trium in der kritischen Zone, daß dort vorhandenes freies Chlor "eingefangen" und so dem Zyklus des durch Chlor katalytisch begün­ stigten Ozon-Abbaues entzogen wird.

Unabhängig von der Brenndauer kann festgestellt werden, daß bei ei­ ner Vortriebsgeschwindigkeit von Mach 2 in einer Stunde ein Korridor von etwa 2000 km Länge mit Natrium versorgt werden kann. Bei dem herrschenden Luftdruck von einigen Prozent des Bodendruckes werden freie Weglängen erreicht, die bereits im Centimeterbereich liegen, so daß die nach außen gerichtete Diffusion eine "Aufweitung" der ausgestoßenen Natrium-Wolke in den Kilometerbereich erwarten läßt. Dem entspricht eine Basisfläche von um 1 km² und somit ein Volumen (bezogen auf eine stunde Flugdauer) von um 2000 km³.

Die Natrium-Konzentration ist daher im Mittel bei 4.10² pg/m³ zu erwarten; bei einem Atomgewicht des Natrium von 23 bedeutet dies ei­ ne Atomkonzentration von ca. 10¹⁰ Natrium-Ionen pro Kubikmeter (vollständige Ionisation vorausgesetzt). Das Volumenmischungsver­ hältnis kann ausgehend von eine atomaren Verteilung bei den Druck­ verhältnissen, die mit 5% des Bodendruckes angenommen werden, mit 10^-14 angesetzt werden. Demgegenüber liegt die Ozonkonzentration in mäßig belasteten, und somit als (nahezu normal anzusehenden) Berei­ chen, ausgedrückt in Volumenmischungsverhältnis, bei 10^-10 bis 10^-12. Die die Ozonschicht störende Chlorkonzentration muß bereits jetzt in belasteten Gebieten mit 10^-12 bis 10^-13 angesetzt werden, also etwa zwei Größenordnungen niedriger als die Ozonkonzentration. Wegen des dauerhaften Einfanges der Chloratome durch das Natrium wird auch durch die nochmals um eine Größenordnung niedrigere Na­ trium-Konzentration (die durch andere Zumischungen auch noch gestei­ gert werden kann) die katalytische Wirkung des freien Chlor wirksam herabgesetzt, so daß in dem von dem Verteilmodul überstrichenen Schlauch mit hinreichender Wahrscheinlichkeit ein Großteil des frei­ en Chlors eleminiert wird. Dieses Verfahrensbeispiel zeigt die Wirk­ samkeit des erfindungsgemäßen Vorgehens.

Claims (4)

1. Verfahren zur Verringerung der Konzentration freier Halo­ gene in der oberen Atmosphäre, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bereich dieser oberen Atmosphäre aus einem dorthin verbrachten Verteilmodul Alkali- oder Erdalkalimetall freigesetzt wird, wobei das Freisetzen derart erfolgt, daß das freigesetzte Alkali- bzw. das Erdalkalimetall atomar oder zumindest nahezu atomar dispergiert vorliegt, und wo­ bei bei der Freisetzung eine Verteilung der freigesetzten Alkali- bzw-. Erdalkalimetallatome wolkenartig über einen weiten Bereich verteilt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichet, daß die atomare Dispergierung der Alkali- bzw. der Erdalkalimetal­ le thermisch erfolgt und der ausgestoßene Dampf als Strahl zum einen Antriebsenergie für das Verteilmodul liefert und zum anderen der Strahl derart aufgespalten wird, daß die räumlich breite Verteilung erfolgt, wobei vorteilhaft die thermische Dispergierung in einer Brennkammer vorgenommen thermische Dispergierung in einer Brennkammer vorgenommen wird, deren Abgas zum einen Antriebsmittel für das Modul und zum anderen Trägermittel für die Alkali- bzw. Erdalka­ liatome ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Flugbahn des Verteilmoduls mittels vom Erdboden ausgehender Strahlung eines geeigneten Lasers, der derart abgestimmt ist, daß die Halogen-Kohlenwasser­ stoffe aufgebrochen werden mit dem Ziel, für eine Anrei­ cherung mit freiem Halogen im Bereich des Flugkorridors zu sorgen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das charakteristische Spektrum des aus­ gestoßenen Alkali- bzw. Erdalkalimetalls von der Erdober­ fläche aus gemessen und der Ausstoß von Alkali- bzw. Erd­ alkalimetall danach durch Fernübertragung zum Verteilmodul auf Optimum geregelt wird.