Letzte Änderung: 23.3.2025
Geschichtliches
Das Birkeland-Eyde-Verfahren basiert auf einer Methode von Henry Cavendish, die dieser in seiner 1785 veröffentlichten Arbeit „Experiments on Air“ beschrieb. Zur Darstellung einer winzigen Menge salpetrige Säure bzw. Salpetersäure benutze Cavendish ein gebogenes Glasrohr, das mit Quecksilber gefüllt war. Die beiden offenen Enden wurden in zwei Gefäße mit Quecksilber getaucht. Mit einer ausgeklügelten Methode wurde nun Luft in das Rohr eingebracht und an der Biegung gesammelt, wo er sie elektrischen Funken aussetzte. Er stellte fest, dass dephlogistierte Luft allein nur eine sehr geringe und phlogistierte Luft allein überhaupt keine Volumenverringerung erfuhr, eine Mischung der beiden Luftarten jedoch immer. Wenn die Mischung aus fünf Teilen dephlogistierter Luft und drei Teilen gewöhnlicher Luft bestand, verschwand fast die gesamte Luft und hinterließ salpetrige Säure. Cavendish schloss aus den Experimenten mit dem elektrischen Funken, dass dephlogistierte Luft und phlogistierte Luft „eine chemische Kombination bilden“. Auf Säure getestet wurde damals noch mit der Zunge.
1903 begannen dann der norwegische Industrielle und Wissenschaftler Kristian Birkeland und sein Geschäftspartner Sam Eyde Cavendishs Methode industriell umzusetzen. Zwischen zwei koaxialen kühlwasserdurchspülten Kupferrohren, die als Elektroden dienten, wurde mit einem Hochspannungs- wechselstrom von 5 kV bei 50 Hz ein elektrischer Lichtbogen betrieben. Ein starkes statisches Elektromagnetfeld verformte den Lichtbogen durch die Lorentzkraft zu einer dünnen Scheibe, um die Oberfläche des Lichtbogens zu erhöhen.
Die Plasmatemperatur dieses Lichtbogens betrug in etwa 3000 °C. Durch diesen Lichtbogen wurde Luft geleitet, wobei Stickstoff und Sauerstoff zu Stickstoffmonoxid reagierten. Bei optimaler Steuerung des Lichtbogens und des Volumenstroms wurden Ausbeuten von 4 bis 5 % an Stickoxid erzielt. Um eine Tonne 40-50%ige Salpetersäure zu erzeugen, war eine elektrische Energie von 16 MWh notwendig, die man aus einem Wasserkraftwerk bezog. In den 1910er- und 1920er-Jahren wurde das relativ ineffiziente Birkeland-Eyde-Verfahren in Norwegen schrittweise durch das Haber-Bosch- und Ostwald-Verfahren ersetzt.
Zunächst einmal beschäftigen wir uns mit dem Lichtbogen. Ein Lichtbogen ist ein elektrischer Durchschlag eines Gases, der eine lang anhaltende elektrische Entladung erzeugt. Der Strom durch ein normalerweise nicht leitendes Medium wie Luft erzeugt ein Plasma, dessen Emissionsspektrum teilweise im sichtbaren Bereich liegen kann. Eine Lichtbogenentladung wird entweder durch thermionische Emission (Edison-Richardson-Effekt) oder durch Feldemission ausgelöst. Charakteristisch für Plasmen ist ihr typisches Leuchten, das durch Strahlungsemission angeregter Gasatome/-moleküle, oder Ionen verursacht wird. Der Lichtbogen beim Birkeland-Eyde-Verfahren ist ähnlich dem beim Elektroschweißen. Beim Elektroschweißen wird jedoch mit niedriger Spannung und großer Stromstärke gearbeit. Zum Entzünden des Lichtbogens muss daher das Werkstück mit der Schweißelektrode berührt werden, um durch einen Kurzschluss die notwendige Temperatur zu erreichen. Beim beim Birkeland-Eyde-Verfahren ist es genau andersherum. Hier wird mit Hochspannung und niedrigerer Stromstärke gearbeitet. Durch die Hochspannung kommt es zuerst zu einem Funkenüberschlag, der zum Zünden des Lichtbogens ausreicht.
ZVS Hochspannungsgenerator
Die Abkürzung ZVS leitet sich aus dem englischen Begriff Zero Voltage Switching her. Damit bezeichnet man das Schalten von Schalttransistoren in elektronischen Schaltungen zu einem Zeitpunkt, an der die an ihnen anliegende Spannung Null ist. Bei der ZVS-Schaltung handelt es sich um einen sehr effizienten Oszillatorschaltkreis, mit dem beispielsweise wie in unserem Fall ein Zeilentrafo mit einer hochfrequenten Wechselspannung (in der Regel im Bereich von 15 kHz bis 50 kHz) und hoher Stromstärke betrieben werden kann. An der Sekundärspule des Transformators können so Hochspannungen bis zum tausenfachen der Eingangsspannung auftreten.
Wird an die Schaltung Spannung angelegt, fließt der Strom zunächst über die Drossel zur Mittelanzapfung der beiden Primärwicklungen. Die Drossel dient vor allem dazu, den Strom beim Einschalten zu begrenzen und zu stabilisieren. Über die Widerstände R3 und R4 liegt nun eine Steuerspannung an den Gates der beiden n-Kanal-MOSFETs Q1 und Q2 an. Da es auch in der Halbleitertechnik Toleranzen gibt, schaltet einer der MOSFETs zuerst (Drain gegen Masse). Die Pull-Down-Widerstände R1 und R2 dienen dazu, überschüssige Gate-Ladung am MOSFET abbauen, da das Gate wie ein Kondensator wirkt. Die Zener-Dioden D1 und D2 begrenzen die Gate-Spannung auf 12 V. R3 und R4 sind Strombegrenzungswiderstände. Ist Drain des zuerst schaltenden MOSFETs nun mit der Masse verbunden, fließt nicht nur Strom durch die eine Hälfte der Primärspule nach Masse, sondern zieht durch eine der ultraschnell schaltenden Dioden D3 und D4 das Gate des anderen MOSFETs gegen Masse wodurch er sperrt. Da der Kondensator C1 parallel zur Primärwicklung geschaltet ist, entsteht ein LC-Schwingkreis. Da ein Kondensator parallel zur Spule geschaltet ist, entsteht ein Resonanzkreis. Die Resonanzfrequenz \(f_r\) lässt sich wie folgt berechnen:
\(\displaystyle f_r=\frac{1}{2\cdot\pi\cdot\sqrt{L\cdot C}},\)
wobei \(L\) für die Induktivität der Spule und \(C\) für die Kapazität des Kondensators stehen. Aufgrund dieser Resonanz schwankt die Spannung am Drain des anderen MOSFETs hin und her und erreicht schließlich 0 Volt. Sobald dieses Potential erreicht ist, entlädt sich die Gate-Ladung des eingeschalteten MOSFETs durch die entsprechende Diode in den Drain des anderen MOSFETs, wodurch dieser sperrt. Nun beginnt der Vorgang aufs neue.
Emissionsspektrum des Plasmas
Eine Untersuchung auf γ-Strahlung fiel negativ aus.
Zur Untersuchung des UV-Spektrums wurde zunächst angesäuertes Chinin verwendet, das bei Bestrahlung mit Ultraviolettstrahlung (315–380 nm) intensiv hellblau fluoresziert. Hierzu wurde die sich in einem Reagenzglas befindliche Chinin-Lösung in der Nähe des Reaktionskolben platziert. Es war jedoch keine Fluoreszenz zu beobachten.
Elektroden
Als Elektroden dienen bei unserer Versuchsanlage Wolfram-Schweißelektroden mit einem Durchmesser von 2,4 mm ohne Zusätze (Fa. Weldinger, grüne Farbmarkierung). Das Elektrodenmaterial wurde deshalb gewählt, weil Wolfram den höchsten Schmelzpunkt (3422 °C) aller chemischen Elemente hat. Wolfram mit Zusätzen ist extrem spröde. Im Vergleich zu Wolfram-Schweißelektroden mit grauer Markierung (enthalten 2 % Cer) sind die ohne Zusätze verformbar, während die mit grauer Markierung bereits bei geringer Biegespannung brechen. Das Ablängen der Wolfram-Schweißelektroden mit einer Säge ist aussichtslos. Am besten benutzt man dazu einen Dremel oder einen Winkelschleifer mit Metalltrennscheibe.
Zur elektrischen Isolierung verwendet man an den offenen Stellen der Elektroden keinen Schrumpfschlauch oder Isolierklebeband, sondern dickwandigen, enganliegenden Silikonschlauch, den man bis zum Stopfen schiebt, so dass es unmöglich ist, die Elektroden zu berühren. Beim Berühren der Elektroden im Betrieb besteht Lebensgefahr! Außer Betrieb werden die Elektroden immer erst kurzgeschlossen, bevor man sie berührt!
Der Elektrodenabstand im Reaktionsgefäss sollte etwa 30 mm betragen, damit der Lichtbogen auch im noch kalten Zustand sicher zündet. Der Elektrodenabstand lässt sich mit dem empirischen Paschen-Gesetz beschreiben:
\(\displaystyle U=pd\cdot {\frac {B}{\ln(pd\cdot A)-\ln {\Big (}\!\ln(1+\gamma ^{-1}){\Big )}}}\)
wobei
\(U\): Durchschlagspannung,
\(p\): Gasdruck,
\(d\): Elektrodenabstand,
\(\gamma\): 3. Townsend-Koeffizient
sowie \(A\) und \(B\) gasabhängige Konstanten sind.
Typische Werte für die Konstanten \(A\) und \(B\) einiger Gase finden sich auf der verlinkten Wikipedia-Seite.
Wenn nicht anders gekennzeichnet, ist jedes Bildmaterial selbst erstellt.
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Beide sind einfach genial.
. Natürlich aber nicht vergleichbar mit der nobelpreiswürdigen Dissertation "Über die Restfeuchte im Liebigkühler".
