EP1284946A1 - Verfahren zum betreiben eines antriebes - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines antriebes

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EP1284946A1
EP1284946A1 EP01933628A EP01933628A EP1284946A1 EP 1284946 A1 EP1284946 A1 EP 1284946A1 EP 01933628 A EP01933628 A EP 01933628A EP 01933628 A EP01933628 A EP 01933628A EP 1284946 A1 EP1284946 A1 EP 1284946A1
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EP
European Patent Office
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silicon
reaction
compounds
nitrogen
subgroup element
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Withdrawn
Application number
EP01933628A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Norbert Auner
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Original Assignee
Individual
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06B—EXPLOSIVES OR THERMIC COMPOSITIONS; MANUFACTURE THEREOF; USE OF SINGLE SUBSTANCES AS EXPLOSIVES
    • C06B47/00—Compositions in which the components are separately stored until the moment of burning or explosion, e.g. "Sprengel"-type explosives; Suspensions of solid component in a normally non-explosive liquid phase, including a thickened aqueous phase
    • C06B47/02—Compositions in which the components are separately stored until the moment of burning or explosion, e.g. "Sprengel"-type explosives; Suspensions of solid component in a normally non-explosive liquid phase, including a thickened aqueous phase the components comprising a binary propellant
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06B—EXPLOSIVES OR THERMIC COMPOSITIONS; MANUFACTURE THEREOF; USE OF SINGLE SUBSTANCES AS EXPLOSIVES
    • C06B45/00—Compositions or products which are defined by structure or arrangement of component of product
    • C06B45/18—Compositions or products which are defined by structure or arrangement of component of product comprising a coated component
    • C06B45/30—Compositions or products which are defined by structure or arrangement of component of product comprising a coated component the component base containing an inorganic explosive or an inorganic thermic component
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06D—MEANS FOR GENERATING SMOKE OR MIST; GAS-ATTACK COMPOSITIONS; GENERATION OF GAS FOR BLASTING OR PROPULSION (CHEMICAL PART)
    • C06D5/00—Generation of pressure gas, e.g. for blasting cartridges, starting cartridges, rockets
    • C06D5/08—Generation of pressure gas, e.g. for blasting cartridges, starting cartridges, rockets by reaction of two or more liquids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06D—MEANS FOR GENERATING SMOKE OR MIST; GAS-ATTACK COMPOSITIONS; GENERATION OF GAS FOR BLASTING OR PROPULSION (CHEMICAL PART)
    • C06D5/00—Generation of pressure gas, e.g. for blasting cartridges, starting cartridges, rockets
    • C06D5/10—Generation of pressure gas, e.g. for blasting cartridges, starting cartridges, rockets by reaction of solids with liquids

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a drive, in particular a missile drive or shaft drive, in which nitrogen and / or nitrogen compounds are reacted with silicon and / or silicon compounds in a reaction chamber to form silicon nitride, and the energy released in the process is used Operating the drive is used.
  • silicon nitride (Si 3 N 4 ) predominantly formed by the Stic material burning process is a much higher molecule lar weight than the carbon dioxide generated in jet turbines, a particularly good efficiency of the drive is achieved.
  • Nitrogen is also available in large quantities, so that overall there is a high degree of efficiency at low costs.
  • Nitrogen is considered an inert gas and only reacts with silicon powder above 1100 ° C according to the following equation
  • Si 3 N 4 It is also known to produce Si 3 N 4 by heating silicon powder to 1250-1450 ° C. in a nitrogen atmosphere.
  • the present invention has for its object to provide a method of the type described, which delivers a particularly high energy yield with a simple and rapid process.
  • This object is achieved according to the invention in a process of the type specified in that the nitrogen in the air and / or nitrogen compounds supplied are reacted with silicon and / or silicon compounds in a reaction chamber with the aid of a subgroup element or subgroup element oxide and silicon nitride is released and the resulting mixture is released Energy is used to operate the drive.
  • Subgroup elements here mean the corresponding elements of the subgroups of the periodic table of the elements.
  • Subgroup element oxides are the oxides of it. Particularly good results can be achieved here with the elements of the subgroup of group I, namely Cu, Ag, Au, the use of copper or copper oxide (CuO) leading to particularly good results.
  • subgroup element or subgroup element oxide used acts as an initiator, activator or catalyst.
  • the presence of the subgroup element or subgroup element oxide leads to a reaction of the silicon or the silicon compound with nitrogen to give silicon nitride, this reaction being associated with a rapid rise in temperature (exothermic reaction sequence), which leads to the desired particularly high energy yield.
  • a rapid rise in temperature in the reaction chamber to 1000 ° C. and more was observed.
  • the subgroup element or subgroup element oxide is also preferably used in powder form, expediently as a mixture with the powder of silicon and / or the silicon compound.
  • the silicon and / or the silicon compounds are fertilized as with the sub-group element or sub-group Powder coated with element oxide.
  • a powder of silicon and / or a silicon compound with an activated surface is expediently used.
  • the reaction with the subgroup element or subgroup element oxide is initiated in a first stage, in particular by external heating and / or by carrying out an exothermic pre-reaction.
  • a preliminary reaction can be carried out with chloromethane, the reaction of silicon and chloromethane generating sufficient adiabatic heat to start the reaction of silicon with the subgroup element or subgroup element oxide.
  • a mixture of silicon and / or a silicon compound and the subgroup element or subgroup element oxide is used only as an ignition mixture in the reactor, since the reaction of silicon with N 2 generates sufficient heat to be self-sustaining.
  • the powder mixture used is largely impermeable to gas due to the small particle size, so that the nitrogen introduced into the reaction chamber is only pressed on as a gas and a reaction front runs through the reaction chamber.
  • Another variant of the process according to the invention provides that the reaction mixture is made available (prepared) in porous form and the nitrogen gas is passed through the mixture (bed). This procedure has advantages in reactor cooling and enables the use of gas mixtures (nitrogen and inert gas) to control the heat generated by the reaction.
  • Nitrogen gas is preferably used in the method according to the invention.
  • very low initial temperatures approximately 100-300 ° C.
  • nitrogen-containing mixtures or nitrogen compounds can also be used if the desired course of the reaction with silicon is thereby achieved under the initiating, activating or catalyzing action of the added sub-group element or sub-group element oxide.
  • Copper or copper oxide is preferably used as the sub-group element or sub-group element oxide, copper oxide (CuO) being particularly preferred.
  • silanes When using silicon compounds, preference is given to using silicon hydrogen compounds, in particular silanes, especially silane oils, preferably those with a chain length of Si 5 H 12 to S1QH 2Q .
  • silanes have the consistency of paraffin oils and can be manufactured on an industrial scale. They can be pumped so that they can be fed to a suitable reaction chamber without problems.
  • the hydrogen of the silicon-hydrogen compounds is expediently burned to water in order to generate high temperatures in the presence of an oxygen-supplying oxidizing agent, whereupon the reaction of the nitrogen with the silicon takes place with the aid of the sub-group element or sub-group element oxide.
  • Silicides can also be used as silicon compounds.
  • silanes In order to allow the nitrogen to react with the silicon of silicon hydride compounds, in particular silanes, it can be advantageous to add elemental silicon to the silicon hydride compound used, which is also reacted with the nitrogen with the aid of the element or oxide used. In addition to elemental silicon, silicides can also be added for this purpose.
  • Si and / or Si compounds with high energy yield can thus be converted to silicon nitride in an accelerated manner.
  • the energy released in this reaction can be used to operate drives, for example missile drives, such as rocket drives, shaft drives, etc.
  • drives are described in the prior art mentioned at the outset and are no longer discussed in detail here. The disclosure of this prior art is hereby fully incorporated into the present application.
  • the effect of the subgroup element or oxide can be increased by promoters, such as zinc, zinc compounds.
  • promoters such as zinc, zinc compounds.
  • the above-described reaction of silicon hydrides with nitrogen can also be carried out with substituted silanes.
  • the technically easily produced tetramethylsilane (CH 3 ) 4 Si could be reacted with nitrogen.
  • Silicon or silicon hydride compounds can also be admixed with or incorporated into other conventional fuels in order to contribute to an increase in performance through the reaction with nitrogen described above.
  • silicon atoms can be built into the chemical molecular structure of the carbon gasoline, for which the above-mentioned tetramethylsilane could be used.
  • Silicon-containing (silane-containing) gasolines can also be used in ceramic engines with high operating temperatures.
  • their inner walls and mechanical elements may even with silicon nitride, silicon carbide or the like coated, the liquid / gaseous combustion product silicon nitride could function as a lubricant, which gets into the system through the combustion itself and is therefore always sufficiently available.
  • Nitrogen gas is preferably used to carry out the method according to the invention.
  • mixtures of nitrogen and other gases can also be used, with air (atmospheric air) naturally being particularly preferred because of its availability.
  • air atmospheric air
  • ferrosilicon can also be used.
  • shaft drive is intended to cover any motors, turbines, etc., for example also Stirling engines and turbine engines.
  • the "missile engines” include in particular rocket engines.
  • An important aspect of the process according to the invention is that the process is essentially C0 2 - and NO ⁇ - free, since essentially only silicon nitride is obtained as the starting product.
  • the process works with a particularly high degree of efficiency.
  • the current environmental problems that are caused by conventional drive methods are therefore eliminated with the method according to the invention.
  • Another advantage of the method according to the invention is that the silicon nitride obtained can be used as a starting product for further processes.
  • the subgroup element or subgroup element oxide used activates the silicon. However, it cannot be ruled out that this element or oxide instead or additionally causes an activation of the nitrogen so that it can react appropriately with the silicon. In any case, the invention includes both options. The invention is explained in detail below on the basis of an exemplary embodiment.
  • Silicon powder (grain size 15-25 ⁇ m) with an activated surface is mixed with 30% CuO in a metal or
  • the upstream reaction with chloromethane can be replaced by intensive external heating, since it only supplies heat that can start the reaction with copper oxide. This happens with activated silicon at 190 ° C

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebes, insbesondere Flugkörperantriebes oder Wellenantriebes, beschrieben. Bei diesem Verfahren werden Stickstoff und/oder Stickstoffverbindungen mit Hilfe eines Nebengruppenelementes oder Nebengruppenelementoxides mit Silicium und/oder Siliciumverbindungen in einer Reaktionskammer unter Bildung von Siliciumnitrid umgesetzt und die dabei freiwerdende Energie wird zum Betreiben des Antriebes verwendet.

Description

Verfahren zum Betreiben eines Antriebes
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebes, insbesondere Flugkörperantriebes oder Wellenantriebes, bei dem Stickstoff und/oder Stick- Stoffverbindungen mit Silicium und/oder Siliciumverbindun- gen in einer Reaktionskammer unter Bildung von Silicium- nitrid umgesetzt werden und die dabei freiwerdende Energie zum Betreiben des Antriebes verwendet wird.
Aus der DE 44 37 524 AI ist ein Verfahren zum Betreiben eines nach dem Rückstoßprinzip arbeitenden Antriebes eines Flugkörpers bekannt, bei dem der Wasserstoff von Silicium- wasserstoffverbindungen zur Erzeugung hoher Temperaturen in Gegenwart eines Sauerstoff liefernden Oxidationsmittels zu Wasser verbrannt wird, worauf bei den sich bei der Wasserbildung einstellenden hohen Temperaturen der Stickstoff der Luft und/oder mitgeführter StickstoffVerbindungen mit dem Silicium der Siliciumwasserstoffverbindungen unter Bildung von Siliciumnitrid umgesetzt wird. Bei diesem Verfahren wird vorzugsweise der Stickstoff der Erdatmosphäre für die Reaktion eingesetzt. Als Siliciumwasserstoffverbindungen finden vorzugsweise Silanöle (höhere Silane) Verwendung.
Da das durch die Stic StoffVer rennung überwiegend gebil- dete Siliciumnitrid (Si3N4) ein wesentlich höheres Moleku- largewicht als das bei Strahlturbinen entstehende Kohlendioxid besitzt, wird ein besonders guter Wirkungsgrad des Antriebes erreicht. Ferner steht Stickstoff in großen Mengen zur Verfügung, so daß sich insgesamt ein hoher Wir- kungsgrad bei niedrigen Kosten ergibt .
Aus der DE 196 12 507 AI ist ein Verfahren zum Antreiben einer Welle bekannt, bei dem ebenfalls Siliciumwasserstoffe mit LuftStickstoff verbrannt werden. Um bei diesem Verfah- ren Kosten zu sparen, aber auch um eine Silicium/Sauer- stoffverbrennung völlig auszuschließen, werden den Siliciumwasserstoffen vorzugsweise pulverförmiges Silicium oder Metallsilicide, beispielsweise Magnesiumsilicid, zugesetzt. Auf diese Weise wird der 80-prozentige Stickstoffanteil der Luft stöchiometrisch umgesetzt.
Stickstoff gilt als inertes Gas und reagiert erst oberhalb von 1100 °C mit Siliciumpulver nach folgender Gleichung zu
Siliciumnitrid Si3N4 :
3Si+2N2→Si3N4+750kJ
Bei der Verbrennung von Siliciumwasserstof fverbindungen, insbesondere Silanölen, mit komprimierter Luft reagiert der Sauerstof fanteil der Luft mit dem Wasserstoff der Silan- kette nach der Gleichung
4H+02=2H20 .
Bei dieser Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung werden Temperaturen von ca. 3000 °C erreicht. Diese Temperatur ist ausreichend, um das N2-Molekül, das durch die Zufuhr der komprimierten Luft zur Verfügung gestellt wird, zu spalten.
Nach der Gleichung 4N+3Si=Si3N4
greifen die Stickstoffradikale nun mit extremer Heftigkeit die freien Siliciumatome an. Es bildet sich Siliciumnitrid. Die geschilderte Reaktion läuft nur bei entsprechend hohen Temperaturen ab. Mit anderen Worten, bei hinreichend hoher Temperatur werden die Siliciumwasserstoffverbindungen letztlich in Si+H thermisch zerlegt.
Es ist ferner bekannt, Si3N4 durch Erhitzen von Silicium- pulver auf 1250-1450 °C in einer Stickstoff-Atmosphäre herzustellen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs geschilderten Art zu schaffen, das bei einem einfachen und raschen Ablauf eine besonders hohe Energieausbeute liefert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der angegebenen Art dadurch gelöst, daß der Stickstoff der Luft und/oder von zugeführten Stickstoffverbindungen mit Hilfe eines Nebengruppenelementes oder Nebengruppenelementoxides mit Silicium und/oder Siliciümverbindungen in einer Reakti- onskammer unter Bildung von Siliciumnitrid umgesetzt und die dabei freiwerdende Energie zum Betreiben des Antriebes verwendet wird.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß durch den Einsatz des Nebengruppenelementes oder Nebengruppenelementoxides das Silicium so aktiviert wird, daß die N2-Spaltung und damit die Reaktion von Silicium mit Stickstoff initiiert bzw. beschleunigt wird. Mit Nebengruppenelementen sind hierbei die entsprechenden Elemente der Nebengruppen des Perioden- systemes der Elemente gemeint. Nebengruppenelementoxide sind die Oxide hiervon. Besonders gute Ergebnisse lassen sich hierbei mit den Elementen der Nebengruppe der Gruppe I, nämlich Cu, Ag, Au, erzielen, wobei der Einsatz von Kupfer oder Kupferoxid (CuO) zu besonders guten Ergebnissen führt .
Es ist momentan noch unklar, ob das eingesetzte Nebengruppenelement oder Nebengruppenelementoxid als Initiator, Aktivator oder Katalysator wirkt. Fest steht jedenfalls, daß durch die Anwesenheit des Nebengruppenelementes oder Nebengruppenelementoxides eine Umsetzung des Siliciums oder der Siliciu verbindung mit Stickstoff zu Siliciumnitrid erfolgt, wobei diese Umsetzung mit einem raschen Temperaturanstieg verbunden ist (exothermer Reaktionsablauf) , der zu der gewünschten besonders hohen Energieausbeute führt . So wurde ein rascher Temperaturanstieg in der Reaktionskammer auf 1000 °C und mehr beobachtet.
Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn ein Pulver aus Silicium und/oder einer Siliciumverbindung verwendet wird. Besonders bevorzugt wird ein Pulver mit einer Korngröße von etwa 15-25 μm verwendet. Wenn davon ausgegangen wird, daß das verwendete Nebengruppenelement oder Nebengruppenelementoxid die gewünschte exotherme Reaktion des Siliciums mit dem Stickstoff initiiert, dann ist offensichtlich die Initialtemperatur um so niedriger, je geringer die Partikelgröße des Silicums oder der Siliciumverbindung ist.
Auch das Nebengruppenelement oder Nebengruppenelementoxid wird vorzugsweise in Pulverform verwendet, zweckmäßiger- weise als Gemisch mit dem Pulver aus Silicium und/oder der Siliciumverbindung. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden das Silicium und/oder die Siliciumverbin- düngen als mit dem Nebengruppenelement oder Nebengruppen- elementoxid beschichtetes Pulver umgesetzt.
Zweckmäßigerweise wird ein Pulver aus Silicum und/oder einer Siliciumverbindung mit aktivierter Oberfläche ver- wendet .
Bei einer speziellen Verfahrensvariante wird in einer ersten Stufe, insbesondere durch externes Heizen und/oder Durchführen einer exothermen Vorreaktion, die Reaktion mit dem Nebengruppenelement oder Nebengruppenelementoxid initiiert. Beispielsweise kann eine solche Vorreaktion mit Chlormethan durchgeführt werden, wobei aus der Reaktion von Silicium und Chlormethan genügend adiabatische Wärme erzeugt wird, um die Reaktion von Silicium mit dem Nebengrup- penelement oder Nebengruppenelementoxid anspringen zu lassen.
Bei einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Gemisch aus Silicium und/oder einer Silicium- Verbindung und dem Nebengruppenelement oder Nebengruppenelementoxid nur als Zündmischung im Reaktor verwendet, da die Umsetzung von Silicium mit N2 genügend Wärme erzeugt, um selbsterhaltend zu sein. Die verwendete Pulvermischung ist aufgrund der geringen Teilchengröße weitgehend gasun- durchlässig, so daß der in die Reaktionskammer eingeführte Stickstoff als Gas nur aufgepreßt wird und eine Reaktions- front durch die Reaktionskammer läuft. Eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß das Reaktionsgemisch in poröser Form zur Verfügung gestellt (aufbereitet) wird und das Stickstoffgas durch das Gemisch (Schüttung) geleitet wird. Diese Vorgehensweise hat Vorteile bei der Reaktorkühlung und ermöglicht den Einsatz von Gasgemischen (Stickstoff und Inertgas) , um die Wärmeentwicklung durch die Reaktion zu kontrollieren. Ferner er- folgt die Wärmeentwicklung im Reaktor örtlich homogener. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorzugsweise Stickstoffgas verwendet. Im Gegensatz zu dem bekannten Verfahren zur Herstellung von Siliciumnitrid durch Erhitzen von Siliciumpulver auf 1250-1450 °C in einer Stickstoff- Atmosphäre sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sehr niedrige Initialtemperaturen (etwa 100-300 °C) erforderlich, um die Reaktion exotherm ablaufen zu lassen. Natürlich können auch stickstoffenthaltende Gemische oder Stick- stoffverbindungen zur Anwendung gelangen, wenn hierdurch der gewünschte Reaktionsablauf mit Silicium unter der initiierenden, aktivierenden oder katalysierenden Wirkung des zugesetzten Nebengruppenelementes oder Nebengruppenelementoxides erreicht wird.
Vorzugsweise wird als Nebengruppenelement oder Nebengrup- penelementoxid Kupfer oder Kupferoxid verwendet, wobei Kupferoxid (CuO) besonders bevorzugt wird.
Bei der Verwendung von Siliciumverbindungen finden bevorzugt Siliciumwasserstoffverbindungen, insbesondere Silane, speziell Silanöle, Verwendung, bevorzugt solche mit einer Kettenlänge von Si5H12 bis S1QH2Q. Solche Silane besitzen die Konsistenz von Paraffinölen und sind großtechnisch her- zustellen. Sie sind pumpbar, so daß sie ohne Probleme einer geeigneten Reaktionskammer zugeführt werden können.
Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zweckmäßigerweise der Wasserstoff der Siliciumwasserstoff- Verbindungen zur Erzeugung hoher Temperaturen in Gegenwart eines Sauerstoffliefernden Oxidationsmittels zu Wasser verbrannt, worauf die Umsetzung des Stickstoffs mit dem Silicium mit Hilfe des Nebengruppenelementes oder Nebengruppenelementoxides erfolgt. Als Siliciumverbindungen können auch Silicide verwendet werden.
Um den Stickstoff mit dem Silicium von Siliciumwasserstoff- Verbindungen, insbesondere Silanen, reagieren zu lassen, kann es von Vorteil sein, der eingesetzten SiliciumwasserstoffVerbindung elementares Silicium zuzusetzen, das ebenfalls mit Hilfe des eingesetzten Elementes oder Oxides mit dem Stickstoff umgesetzt wird. Neben elementarem Silicium können zu diesem Zweck auch Silicide beigemengt werden.
Mit einem Heptasilan Si7H16 ergibt sich dann unter Einsatz der beschriebenen Maßnahmen (Katalysator) folgende stöchi- metrisch 100%-ige Verbrennung eines normalen Luftgemisches aus 20 % 02 und 80 % N2 :
16H+402→8H20
7Si+16N2 + zusätzlich 17 dispergierte, aktivierte
Si→8Si3N4.
Erfindungsgemäß lassen sich somit Si und/oder Si-Verbindun- gen mit hoher Energieausbeute beschleunigt zu Siliciumnitrid umsetzen. Die bei dieser Reaktion freiwerdende Energie läßt sich zum Betreiben von Antrieben einsetzen, beispiels- weise Flugkörperantrieben, wie Raketenantrieben, Wellenantrieben etc. Derartige Antriebe sind in dem eingangs aufgeführten Stand der Technik beschrieben und werden an dieser Stelle nicht mehr im einzelnen erörtert. Die Offenbarung dieses Standes der Technik soll hiermit vollständig in die vorliegende Anmeldung aufgenommen werden.
Die Wirkung des Nebengruppenelementes oder -oxides kann durch Promotoren, wie beispielsweise Zink, Zinkverbindungen, erhöht werden. Die vorstehend beschriebene Umsetzung von Siliciumwasser- stoffen mit Stickstoff läßt sich auch mit substituierten Silanen realisieren. Beispielsweise könnte hiermit das technisch leicht herstellbare Tetramethylsilan (CH3)4Si mit Stickstoff zur Reaktion gebracht werden.
Silicium oder Sillciumwassserstoffverbindungen (Silane) können auch anderen herkömmlichen Treibstoffen zugemischt oder in diese eingebaut werden, um durch die vorstehend beschriebene Reaktion mit Stickstoff zur Leistungssteigerung beizutragen. So können beispielsweise dem Kohlenstoff- benzin ein oder mehrere Siliciumatome in sein chemisches Molekülgerüst eingebaut werden, wofür beispielsweise das vorstehend erwähnte Tetramethylsilan in Frage käme.
Weiterhin können siliciumhaltige (silanhaltige) Benzine in Keramikmotoren mit hohen Betriebstemperaturen zur Anwendung kommen. In Brennkammern, deren Innenwände und mechanische Elemente u.U. selbst mit Siliciumnitrid, Siliciumcarbid o.a. beschichtet sind, könnte das bei den hohen Temperaturen flüssige/gasförmige Verbrennungsprodukt Siliciumnitrid als Schmiermittel fungieren, das durch die Verbrennung selbst in das System gelangt und so immer ausreichend vorhanden ist .
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorzugsweise Stickstoffgas verwendet. Es können jedoch auch Gemische aus Stickstoff und anderen Gasen Verwendung finden, wobei naturgemäß Luft (atmosphärische Luft) wegen ih- rer Verfügbarkeit besonders bevorzugt wird. Neben reinem Silicium kann auch Ferrosilicium Verwendung finden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können beliebige Antriebe betrieben werden. Der Begriff "Wellenantrieb" soll beliebige Motoren, Turbinen etc. abdecken, beispielsweise auch Stirling-Motoren und Turbinenmotoren. Zu den "Flugkörperantrieben" zählen insbesondere Raketenantriebe.
Ein wesentlicher Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß das Verfahren im wesentlichen C02- und NOχ-frei ist, da als Ausgangsprodukt im wesentlichen nur Siliciumnitrid anfällt. Das Verfahren arbeitet mit einem besonders hohen Wirkungsgrad. Die jetzigen Umweltprobleme, die durch herkömmliche Antriebsverfahren verur- sacht werden, werden daher mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beseitigt.
Wenn bei dem erfindungsgemäßen Verfahren statt Stickstoff- gas Luft zugeführt wird, versteht es sich, daß auch der Sauerstoff der Luft mit dem Silicium reagieren wird, so daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Si02 in einer gewissen Menge anfällt. Durch Steuerung der Luftzufuhr kann der Oxidationsanteil variiert werden, um, je nach Wunsch, die beabsichtigte StickstoffVerbrennung zu erreichen. Die optimale Einstellung der Reaktion bleibt hierbei dem Fachmann überlassen.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß das gewonnene Siliciumnitrid als Ausgangs- produkt für weitere Prozesse verwendet werden kann.
Im vorhergehenden Text wurde immer davon ausgegangen, daß das verwendete Nebengruppenelement oder Nebengruppenele- mentoxid eine Aktivierung des Siliciums bewirkt. Es ist je- doch nicht auszuschließen, daß dieses Element oder Oxid statt dessen oder zusätzlich eine Aktivierung des Stickstoffes verursacht, so daß dieser die entsprechende Reaktion mit dem Silicium eingehen kann. Die Erfindung schließt jedenfalls beide Möglichkeiten ein. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei- spieles im einzelnen erläutert.
Siliciumpulver (Korngröße 15-25 μm) mit aktivierter Ober- fläche wird mit 30 % CuO gemischt in einen Metall- oder
Glasreaktor gegeben. Chlormethan wird eingeleitet und der Reaktor von außen beheizt (etwa 150 °C) . Nach kurzer Zeit (einige Minuten) liefert die Reaktion von Silicium und Chlormethan genügend adiabatische Wärme, um die Reaktion von Silicium mit Kupferoxid anspringen zu lassen, erkennbar an der Bildung eines Kupferspiegels an der Reaktorwandung. Stickstoff wird nun eingeleitet und reagiert mit dem Silicium zu Siliciumnitrid, wobei die Temperatur im Reaktor rasch auf 1000 °C ansteigt. Mit diesem Eduktverhältnis sind adiabatische Temperaturanstiege um etwa 6000 °C zu erwarten. Die verwendete Eduktmischung ist aufgrund der geringen Teilchengröße weitgehend gasundurchlässig, so daß Stickstoff nur aufgepreßt wird und eine Reaktionsfront durch den Reaktor läuft. Es ist denkbar, die Reaktionsmischung in po- röser Form aufzubereiten und das Stickstoffgas durch die
Schüttung hindurchzuleiten. Dies hätte Vorteile bei der Reaktorkühlung und würde den Einsatz von Gasgemischen (Stickstoff und Inertgas) ermöglichen, um die Wärmeentwicklung durch die Reaktion zu kontrollieren. Ebenso würde die Wärmeentwicklung im Reaktor örtlich homogener erfolgen.
Die vorgeschaltete Reaktion mit Chlormethan läßt sich durch intensives externes Heizen ersetzen, da sie nur Wärme liefert, welche die Reaktion mit Kupferoxid anspringen läßt. Dies geschieht mit aktiviertem Silicium bei 190 °C
Es ist des weiteren denkbar, die Mischung aus CuO und Siliciumpulver nur als Zündmischung im Reaktor zu verwenden, da die Umsetzung von Silicium mit N2 genügend Wärme erzeugt, um selbsterhaltend zu sein. Bisher ist die Reaktionsfolge nur in unzureichend gekühlten Reaktoren durchgeführt worden, so daß die StickstoffUmsetzung durch Einleiten von Argon abgebrochen werden mußte, um ein Schmelzen des Reaktors zu verhindern. Trotzdem liegt die Reaktionsausbeute bei mehr als 80 % (23 % N im Reaktorinhalt; theoretisch: 0,7 x 40 % = 28 %). Bemerkung: 6 % 0 im Eduktgemisch, d.h. 3 % des Si reagieren mit 0.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Antriebes, insbesondere Flugkörperantriebes oder Wellenantriebes, bei dem der Stickstoff und/oder Stickstoffverbindungen mit Hilfe eines Nebengruppenelementes oder Nebengruppenelementoxides mit Silicium und/oder Siliciumverbindungen in einer Reaktionskammer unter Bildung von Siliciumnitrid umgesetzt und die dabei freiwerdende Energie zum Betreiben des Antriebes verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pulver aus Silicium und/oder einer Siliciumverbindung verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pulver mit einer Korngröße von etwa 15-25 μm verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich- net, daß ein Pulver des Nebengruppenelementes oder Nebengruppenelementoxides verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pulver aus Silicium und/oder einer Siliciumverbindung mit aktivierter Oberfläche verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer ersten Stufe, ins- besondere durch externes Heizen und/oder Durchführen einer Vorreaktion, die Reaktion mit dem Nebengruppenelement oder Nebengruppenelementoxid initiiert wird.
7. Vefahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung der Vorreaktion Chlormethan in die
Reaktionskammer eingeführt wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch aus Silicium und/oder einer Siliciumverbindung und dem Nebengruppenelement oder Nebengruppenelementoxid nur als Zündmischung im Reaktor verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgemisch in poröser Form zur Verfügung gestellt und das Stickstoff- gas durch das Gemisch geleitet wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, daß als Nebengruppenelement oder
Nebengruppenelementoxid Kupfer oder Kupferoxid verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, daß das Silicium und/oder die
Siliciumverbindungen als mit dem Nebengruppenelement oder Nebengruppenelementoxid beschichtetes oder vermischtes Pulver umgesetzt werden.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, daß als Siliciumverbindungen Siliciumwasserstoffverbindungen, insbesondere Silane, speziell Silanöle, verwendet werden.
13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoff der Siliciumwasserstoffverbindungen zur Erzeugung hoher Temperaturen in Gegenwart eines Sauerstoff liefernden Oxidationsmittels zu Wasser verbrannt wird, worauf die Umsetzung des Stickstoffes mit dem Silicium mit Hilfe des Nebengruppenelementes oder Nebengruppenelementoxides erfolgt.
14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, daß als Siliciumverbindungen Kohlenwasserstoffverbindungen mit eingebauten Sili- ciumatomen Verwendung finden.
EP01933628A 2000-04-26 2001-04-24 Verfahren zum betreiben eines antriebes Withdrawn EP1284946A1 (de)

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