Effizientere Gewinnung von Deuterium mit Hilfe eines Quantensiebs

7. Dezember 2012, 16:43
  • Die Kristalle der metallorganischen Verbindung unter dem Rasterelektronenmikroskop in mehr als 6000-facher 
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    Die Kristalle der metallorganischen Verbindung unter dem Rasterelektronenmikroskop in mehr als 6000-facher Vergrößerung.

Neuartige metallorganische Gerüstverbindung nimmt das schwere Wasserstoff-Isotop schneller auf als gewöhnlichen Wasserstoff

Augsburg/MPG/KPP - Das Wasserstoff-Isotop Deuterium, auch bekannt als "Schwerer Wasserstoff", dient als wichtiges Hilfsmittel, um etwa die Struktur unbekannter Stoffe zu bestimmen. Mit ihm untersuchen Chemiker aber auch, wie Reaktionen ablaufen, an denen Wasserstoff beteiligt ist. Biologen analysieren mit Deuterium unter anderem Stoffwechselprozesse. Deutschen Wissenschaftern ist es mit Hilfe einer neuen Methode nun gelungen, Wasserstoff und Deuterium effizienter als bisher zu trennen. Die Forscher nutzten dafür den Mechanismus des sogenannten Quantensiebens.

Das Forscherteam aus Stuttgart, Bremen und Augsburg konnte feststellen, dass eine bestimmte metallorganische Gerüstverbindung, kurz MOF für "metalorganic framework", bei Temperaturen unter minus 200 Grad Celsius leichter Deuterium als gewöhnlichen Wasserstoff aufnimmt. Diese spezielle Gerüstverbindung MFU-4 wurde von Chemikern um Dirk Volkmer am Lehrstuhl für Festkörperchemie der Universität Augsburg synthetisiert. Sie besteht aus Zinkionen, die mit organischen Molekülen vernetzt sind, und weist käfigartige Hohlräume auf, die durch besonders enge Öffnungen miteinander verbunden sind.

Stabile poröse Materialien

Metallorganische Gerüstverbindungen werden in einem Baukastensystem erzeugt, in dem sich poröse Materialien für spezielle Anwendungen gezielt herstellen lassen. "Es gibt inzwischen Tausende derartiger Verbindungen, von denen die meisten allerdings den hohen technischen Anforderungen an die Stabilität nicht genügen. Mit MFU-4 haben wir jetzt eine Familie von porösen Materialien entwickelt, die auch für industrielle Anwendungen attraktiv wäre", erläutert Volkmer.

Bei Experimenten am Stuttgarter Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme wurde MFU-4 bei minus 223 Grad Celsius für wenige Minuten einem Gasgemisch aus gleichen Teilen Wasserstoff und Deuterium ausgesetzt und anschließend auf über minus 200 Grad erwärmt. Dabei zeigte sich, dass das schwerere Deuterium schneller in die Poren einzudringen vermag als sein leichterer Bruder Wasserstoff.

Sieben nach der Masse

Mit Unterstützung des theoretischen Physikers Thomas Heine von der Jacobs University Bremen kam das Forscherteam dem Grund dieses Phänomens auf die Spur: MFU-4 trennt die Wasserstoff-Isotope durch den Mechanismus des sogennanten Quantensiebens, bei dem die winzigen Teilchen nicht nach ihrer nicht mehr zu unterscheidenden Größe, sondern nach ihrer Masse sortiert werden. Und hier haben die Deuterium-Moleküle bei einer Abkühlung unter minus 200 Grad die besseren Startbedingungen, um in die MFU-4 Poren einzudringen.

"Damit haben wir erstmals experimentell gezeigt, dass Quantensieben eine sehr effektive Methode ist, um Gasgemische zu trennen und Deuterium zu gewinnen", sagt Michael Hirscher vom Stuttgarter MPI für Intelligente Systeme.

Hoffnung günstige Gewinnung von Helium-3

"Technische Trennprozesse wie das Quantensieben setzen voraus, dass sich poröse Materialien mit Hohlräumen einer gewünschten Größe gezielt herstellen lassen, und genau diese Bedingung erfüllt die MFU-4-Familie", erläutert Volkmer. Darauf aufbauend soll nun untersucht werden, ob sich andere metallorganische Gerüstverbindungen, deren Hohlräume und Öffnungen größer oder kleiner sind, vielleicht sogar besser als Quantensiebe für Deuterium eignen und ob sich darüber hinaus mit dieser neuen Methode unter Umständen auch das extrem seltene Helium-3 von Helium-4 trennen und anreichern lassen könnte - als von der Wissenschaft begehrtes Kühlmittel und als Brennstoff der Kernfusion, der noch einmal deutlich weniger radioaktives Material produzieren würde, als die Kernfusion mit Deuterium entsteht. Die aktuellen Forschungsergebnisse wurden im Journal "Advanced Materials" veröffentlicht. (red, derStandard.at, 7.12.2012)

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22 Postings

Hallo Warpantrieb, wir kommen!

Da muss du dich leider ans CERN wenden

Der Warpkern führt eine Materie/Antimaterie reaktion durch...

Aber das ist den Wissenschaftlern in CERN auch schon gelungen - Antimaterie herzustellen und für ein paar Nanosekunden zu konservieren...

Mit den Nanosekunden liegen Sie falsch, In Atomfallen kann

Antiwasserstoff relativ lange (einige Sekunden) gehalten werden. Da wirs dann das Absorptionsspektrum vermessen, cpt-Symmetrie und so

Danke...

... für die Information!

Man lernt halt nie aus ;)

stellt sich nur noch die frage ob es sich energetisch auszahlen würde auf diese art und weise d2 anzureichern oder ob konventionelle methoden weniger energie benötigen.

ach freu ich mich schon auf den ersten funktionsfähigen tokamak :D

Was mir nicht ganz klar ist:
Wo will man das Tritium zum Betreiben eines Tokamak hernehmen? Deuterium ist, von der Menge her, wohl nicht das Problem, aber die Deckung des Tritiumbedrafs wird noch kniffelig werden.

Wird aus 6Li mittels der entstehenden Neutronen im Mantel

erbrütet. 6Li + n > 4He + T, war auch der Grund warum Castel Bravo die doppelte Sprengkraft wie erwartet hatte.

Du willst hoffentlich nicht ernsthaft vorschlagen, man solle ein paar Wasserstoffbomben zünden um das notwendige Tritium zum Betreiben eines Tokamak-Kraftwerks zu bekommen?
;)

Sorry missverständlich ausgedrückt, im Mantel eines Tokamaks

wird aus 6Li mittels der bei der Fusion freiwerdenden Neutronen Tritium erbrütet. Der selbe Prozess spielt sich im LiD einer thermonuklearen Bombe ab und führt zu einer höheren Fusionsrate als in den ersten Berechnungen angenommen. Ists jetzt verständlich?

Puh, Danke, ich dachte schon...!

Ich denke jetzt hab' ich's verstanden:
In einem Tokamak werden D und T fusioniert und die dabei freiwerdenden Neutronen bilden im LiD-Mantel neues Tritium, das dann wieder als "Brennstoff" Verwendung findet.

D+T --> 4He+n (wenn ich's jetzt richtig im Kopf hab')

Damit das ohne weitere Tritium-Zufuhr funktionieren kann, müßte man davon ausgehen, daß 100% aller freiwerdenden Neutronen mit einem D-Isotop reagieren?! Kann mir irgendwie nicht vorstellen, daß man ohne externe Tritiumquelle auskommt.

Du hast das richtig erkannt daher kommt im Blanket

auch 9Be zum Einsatz. 9Be + n > 2*4He + 2 n ist eine Reahtion zur Vermehrung der Neutronen, des weiteren liegt auch 7Li vor und reagiert nach 7Li + n > 4 He + T + n also "ohne Neutronen zu verbrauchen" (ist aber stark endotherm) in Summe mit dem Be-Prozess sollte es sich ausgehen.

Als Laie (wie meine Wenigkeit) stellt man sich das immer recht einfach vor:
"Nimm Deuterium und Tritium, laß beides fusionieren und nutz' die dabei freiwerdende Energie."
Dabei ist es schon unheimlich komplex überhaupt erst an das "Rohmaterial" zu kommen; ganz zu schweigen vom ganzen Rest...

Ich frage mich dabei immer, wie man das ganze technisch umsetzen will. Kann mir nicht vorstellen, wie man solche Prozesse überwachen und steuern wird können mit geeigneten Materialien und Computerunterstützungen.

Da muss man gar nicht bis zur Fusion gehen, dass es

sehr komplex wird. Ein Common-rail Dieselmotor reicht. Versuch mal für so ein Ding ein Service in Uganda zu kriegen. Solche Dinge sind außerhalb der hochentwickelten Welt unbrauchbar. Das reißt die Kluft immer weiter auf.

Wie bereits weiter unten angemerkt halte ich das Wegkommen

von den 0,015% D im H für unpraktikabel da bleiben H2S oder NH3 die Methoden der Wahl. Für eine Endreinigung kann das schon Sinn machen anstelle H2O HDO und D2O durch Destillation zu trennen.

vorfreude ist ja bekanntlich die schönste freude

Meines Wissens ist das größte Einsatzgebiet von D schweres Wasser

als Kühlmittel in Reaktoren. Bei diesem Experiment wurde ein Gemisch aus 50% H2 und 50% D2 verwendet. Wenn man von den 0,015% D im Wasserstoff mal auf 50% ist ist der Rest ein Spaziergang. Der Girdler H2S Prozess wird wohl noch geraume Zeit betrieben werden. Und kühlen auf -230°C braucht auch mächtig Energie wenn man bedenkt, dass zu Beginn 99,985% H gekühlt werden muss.

Ich bin jeder sachlichen Kritik an meinen Argumenten zugänglich

Einfach Rotstricheln ohne Argumente passt nicht in ein Wissenschaftsforum.

Ich vermute mal, der kleine "Rotlauf" oben liegt daran, daß die meisten nicht ganz verstehen, was Du meinst.
Aber lassen wir das, ich hab' ein paar Fragen:

Ich dachte über einen 'Girdler-Sulfid-Prozess' kann man Deuterium nur bis zu 20% anreichern und den Rest muß man über eine Vakuum-Destillation machen?

Was spricht dagegen, daß man die neue Methode (ebenso wie den Girdler-Prozess) sozusagen "in Serie schaltet" und damit die Anreicherung erhöht?

Das Kühlen auf Temperaturen unter -200°C ist sicher energieaufwändig, aber spannend finde ich eine mögliche Variante mit der Helium-3 angereichert werden könnte.

Grundsätzlich ging es mit Girdler auch weiter aber Destillation

ist dann billiger (NH3 würde auch funktionieren). Möglicherweise bin ich zu sehr Verfahrenstechniker aber wenn ich für ein kg D2 60 t Wasser aufarbeiten muss (nicht durch Elektrolyse vorangereichert) denke ich an große Kolonnen und nicht an Adsorptionsmedien. Was He3 betrifft ein interessanter Gedanke aber wenn man He verflüssigt und noch etwas weiter runterkühlt (1K) werden 3He und 4He unmischbar und 3He schwimmt oben auf. Was die Mengen betrifft sprechen wir da auch über etwas andere Größenordnungen ob ich ein paar g 3He für die Fusion brauche oder ein paar 100 m^3 D2O für einen CANDU-Reaktor.

Danke!
Daß es bei He da sowieso eine Mischungslücke gibt wußte ich nicht.
Obwohl: 1K; das ist halt schon verd... kalt!
;)

Jedenfalls zu kalt für das Bierchen nach der Arbeit ;-)

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