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Der Chemiekonzern BASF baut für eine nicht genannte Summe eine neue Citralanlage in Zhanjiang, China, und Anlagen zur Weiterverarbeitung von Menthol und Linalool in Ludwigshafen. Die Anlagen sollen ab dem Jahr 2026 produzieren (<link href="#nadc20234134073-fig-0001">Foto). Dadurch steigt beispielsweise die Jahreskapazität für den Duftstoff Citral von etwa 78 000 Tonnen auf 118 000 Tonnen.<figure xml:id="nadc20234134073-fig-0001"><label>1</label><h2 type="figureName">Abb.</h2><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/9FkdySUTEyXwjguikM2Q">BASF baut Anlagen für Citral (zitronenähnlicher Geruch), Menthol (natürliches Vorkommen in Minzölen) und Linalool (etwa in Lavendel). Foto: BASF</figure>

Meldung

BASF investiert in Duft- und Riechstoffe

Der Chemiekonzern BASF baut für eine nicht genannte Summe eine neue Citralanlage in Zhanjiang, China, und Anlagen zur Weiterverarbeitung von Menthol und Linalool in Ludwigshafen. Die Anlagen sollen ab dem Jahr 2026 produzieren (Foto). Dadurch steigt beispielsweise die Jahreskapazität für den Duft...

Schlaglichtthema: Chemie im Weltraum

Hervorgegangen aus milit&auml;rischen Entwicklungen sind Komposittreibstoffe die am h&auml;ufigsten eingesetzten festen Raketentreibstoffe. Daf&uuml;r m&uuml;ssen Binderpolymere, Oxidationsmittel, Brennstoffe und Additive zusammen hohen Schub erzeugen.
Anfang des Jahres fand im bayerischen Aschau am Inn eine Premiere statt: Nach sechs Jahren Entwicklungsarbeit wurde eine der weltweit gr&ouml;&szlig;ten Feststoffraketen auf deutschem Boden hergestellt. Der &bdquo;Red Kite&ldquo; genannte Raketenmotor soll k&uuml;nftig bis zu 200 Kilogramm wissenschaftliche Nutzlasten auf eine H&ouml;he von zirka 240 Kilometer bringen, um Experimente in der Schwerelosigkeit durchzuf&uuml;hren. So lassen sich beispielsweise Erkenntnisse zur Physik und Chemie verschiedener Atmosph&auml;renschichten gewinnen oder biologische Ph&auml;nomene in der Schwerelosigkeit erforschen. Nach einem Testflug kommenden September sollen damit regelm&auml;&szlig;ig Forschungsmissionen laufen. Das energetische Kernst&uuml;ck von &bdquo;Red Kite&ldquo; besteht aus &uuml;ber 900 Kilogramm Komposit-Festtreibstoff, wie er in anderen zivilen und milit&auml;rischen Systemen zum Einsatz kommt.
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<figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/xLz97ba0Tl6CWkwG5E8J" />
<figcaption><label>Abb.1: </label>Brennender Festtreibstoff.</figcaption>
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<h2 type="main">Polymeres Grundger&uuml;st als Basis</h2>
Komposit-Festtreibstoffe bestehen aus einem polymeren Netzwerk, in das kristalline Oxidationsmittel und, je nach Rezeptur, pulverf&ouml;rmige Metalle sowie weitere Additive eingearbeitet sind. Die polymere Matrix, der Binder, dient dabei gleichzeitig als Reduktions- und Bindemittel, das die Festigkeit und Elastizit&auml;t sicherstellt. Die Konsistenz dieser Mischung ist der eines handels&uuml;blichen Radiergummis &auml;hnlich (Foto rechts oben).
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<figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/6myasl9Q6GR5BvN4Kmyi" />
<figcaption><label>Abb.2: </label>Probe eines typischen, ausgeh&auml;rteten Komposittreibstoffs. Die hellen Partikel sind grobk&ouml;rniges Ammoniumperchlorat, die Bindermatrix ist durch fein verteiltes Eisenoxid rot gef&auml;rbt. Alle Fotos: Bayern-Chemie</figcaption>
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Basis des Binders sind langkettige, fl&uuml;ssige Pr&auml;polymere, die mit Vernetzern, den H&auml;rtern, zu einem quervernetzten Netzwerk aush&auml;rten. Die am h&auml;ufigsten verwendeten Vertreter dieser Binderpolymere sind Polybutadiene (PB), zum Beispiel hydroxylterminiertes PB (HTPB, Grafik).
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<figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/SFs3TZa9RBSOlodsxYlz" />
<figcaption><label>Abb.3: </label>Strukturen g&auml;ngiger Treibstoffkomponenten.</figcaption>
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Hydroxygruppen an Kettenende und Seitenketten des Pr&auml;polymers reagieren w&auml;hrend der Aush&auml;rtung mit Isocyanaten der H&auml;rterkomponente, wodurch ein dreidimensional additionsvernetztes Polyurethan entsteht. In den meisten F&auml;llen greift man dabei auf aliphatische Isocyanate zur&uuml;ck, ein typischer Vertreter ist Isophorondiisocyanat (IPDI, Grafik). Seltener werden Polymere verwendet, die durch Vernetzung von Carbons&auml;uren mit Aziridinen und/oder Epoxiden entstehen. Aus toxikologischer Sicht ist es g&uuml;nstiger, Polyurethane statt dieses Grundger&uuml;sts zu verwenden.
In Spezialanwendungen gibt es Azidpolymere wie Glycidylazidpolymer (GAP, Grafik): Zersetzen sich die Azidgruppen zu molekularem Stickstoff, entstehen viel Energie und gro&szlig;e Gasvolumina.1) Angewendet wird das beispielsweise f&uuml;r ein Rettungssystem in U-Booten: Der Treibstoff soll dort keinen Schub erzeugen, sondern &auml;hnlich wie bei einem Kfz-Airbag in kurzer Zeit eine gro&szlig;e Menge inerter Gase freisetzen. Diese dr&uuml;cken Wasser aus den Ballasttanks und erm&ouml;glichen im Notfall ein schnelles Auftauchen des U-Boots. Je nach Zusammensetzung sind Treibstoffe mit GAP empfindlicher in der Handhabung als andere.
<h2 type="main">Hauptbestandteil: Oxidator</h2>
Mit bis zu 85 Prozent den gr&ouml;&szlig;ten Anteil an Festtreibstoffen hat das Oxidationsmittel. Hier kommt oft Ammoniumperchlorat (APC) zum Einsatz. APC bringt hohe Leistung, ist preisg&uuml;nstig, und Treibstoffeigenschaften wie Abbrandgeschwindigkeit und Verarbeitungsviskosit&auml;t lassen sich &uuml;ber Korngr&ouml;&szlig;en&auml;nderungen oder auf APC ausgerichtete Katalysatoren einstellen. Das Perchlorat bildet beim Abbrand Salzs&auml;ure : Zirka 30 Massenprozent der Abbrandprodukte eines klassischen Komposittriebwerks bestehen daraus. Nicht nur aus &ouml;kologischer Sicht ist das bedenklich &ndash; in der milit&auml;rischen Verwendung sorgt die am Abgasstrahl kondensierende Luftfeuchtigkeit f&uuml;r einen Nebel (Foto rechts). So lassen sich Startplattform und Flugk&ouml;rper schnell aufkl&auml;ren und bek&auml;mpfen.
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<figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/lAk2QVnLTIqXE0Wc4kBg" />
<figcaption><label>Abb.4: </label>Abbrand eines Testmotors am Raketenpr&uuml;fstand. Pro Sekunde setzt der Motor zirka 100 Kilogramm Treibstoff um; es entstehen Rauch und Nebel.</figcaption>
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Aus diesen Gr&uuml;nden wird seit Jahren an alternativen Oxidatoren geforscht. Einen Stoff zu finden, der alle Anforderungen &auml;hnlich gut wie APC erf&uuml;llt, ist allerdings schwierig. Strontium- oder Ammoniumnitrat (AN) kommen in manchen Spezialanwendungen zum Einsatz. Sie erreichen jedoch einen geringeren Schub. Zudem st&ouml;ren Effekte wie die Phasen&uuml;berg&auml;nge in NH4NO3.
Verh&auml;ltnism&auml;&szlig;ig neu ist Ammoniumdinitramid (ADN, Grafik) als Oxidator &ndash; diverse H&uuml;rden durch die Kristallform und mechanischen Eigenschaften machen einen Einsatz schwierig. Forschungs- und Entwicklungsarbeiten haben Fortschritte hin zur kommerziellen Anwendung gebracht (Fotos, S, 24).
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<figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/btVSLMwSReSTKX7M4wi5" />
<figcaption><label>Abb.5: </label>Oben: Ein lose brennendes Komposittreibstoffst&uuml;ck mit Ammoniumperchlorat; wei&szlig;e Funken stammen von brennenden Aluminiumpartikeln. Unten: Treibstoffst&uuml;ck, auf Ammoniumdinitramid basierend.</figcaption>
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<h2 type="main">Kneten, Gie&szlig;en, H&auml;rten</h2>
Neben der chemischen Zusammensetzung beeinflusst das Herstellverfahren die sp&auml;teren Eigenschaften. Angefangen wird meist mit Vorlegen der fl&uuml;ssigen Komponenten (au&szlig;er dem H&auml;rter), in die dann schrittweise alle Feststoffe eingearbeitet werden. Damit sich die Komponenten gut durchmischen, werden industrielle Kneter verwendet, die hohe Scherkr&auml;fte aufbauen (Foto, S. 25).
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<figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/1qG6JnVURImCj32NmViY" />
<figcaption><label>Abb.6: </label>Einblick in die gro&szlig;technische Treibstoffherstellung. Ineinandergreifende Mischerschaufeln liefern homogene Mischergebnisse.</figcaption>
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Prozessparameter wie Dosierrate oder Mischzeiten k&ouml;nnen die sp&auml;teren mechanischen und ballistischen Eigenschaften beeinflussen, also die Abbrandgeschwindigkeit und deren Abh&auml;ngigkeit von Druck und Temperatur. Hier m&uuml;ssen Treibstoffchemiker und Prozessingenieure eng zusammenarbeiten.
Im letzten Prozessschritt wird der fl&uuml;ssige H&auml;rter eingemischt, und die z&auml;hfl&uuml;ssige Masse kann schlie&szlig;lich in die Brennkammer gegossen werden. Bei Temperaturen von 40 bis 80 &deg;C h&auml;rten die Treibstoffe f&uuml;r zirka f&uuml;nf bis zehn Tage aus; nach Demontage der Gie&szlig;werkzeuge ist der Treibstoff fertig.
Durch die Kombination reaktiver Oxidations- und Reduktionsmittel sind Raketentreibstoffe klassische Explosivstoffe. Alle Maschinen, Geb&auml;ude und Werkzeuge in der Herstellung und Bearbeitung m&uuml;ssen daher besonderen Anforderungen entsprechen. Neben gro&szlig;en Sicherheitsabst&auml;nden ist das Arbeiten &bdquo;unter Sicherheit&ldquo; zentraler Bestandteil: M&ouml;glichst viele Prozesse werden ferngesteuert ohne direkt anwesende Mitarbeiter durchgef&uuml;hrt. Bei Explosion oder ungewollter Entz&uuml;ndung ist so lediglich mit Sachsch&auml;den, aber nicht mit Verletzten oder gar Toten zu rechnen.
<h2 type="main">Sicherheit und Funktionalit&auml;t</h2>
Als Explosivstoff m&uuml;ssen Treibstoffe sicher im Umgang sein: Die Empfindlichkeit gegen mechanische und thermische Lasten darf von den ersten Herstellschritten bis zum Abbrand nie zu gro&szlig; werden.
Ein Treibstoff muss Schub erzeugen. Gemessen wird der im spezifischen Impuls Isp [N&middot;s&middot;kg&ndash;1], der angibt, wie viel Schub in Ns pro kg Treibstoffmasse sich erreichen lassen. Der Isp h&auml;ngt direkt ab von der Brennkammertemperatur beim Abbrand &ndash; je exothermer die Verbrennungsreaktion, desto h&ouml;her der Schub. Umgekehrt verh&auml;lt es sich mit der mittleren Molmasse der Abbrandprodukte Mw: Je kleiner Mw, desto mehr Schub.2)
Wichtig sind zudem die mechanischen Eigenschaften: Das Kompositmaterial muss hohe Anspr&uuml;che an Dehnf&auml;higkeit, Spannung und Elastizit&auml;tsmodul erf&uuml;llen, damit w&auml;hrend des gesamten Lebenszyklus weder Risse noch Verformungen entstehen. Speziell im milit&auml;rischen Bereich ist das eine hohe H&uuml;rde, weil diese Anforderungen in einem Temperaturband von &ndash;54 bis +71 &deg;C und auch nach jahrelanger Alterung erf&uuml;llt werden m&uuml;ssen. Im selben Temperaturband m&uuml;ssen die ballistischen Eigenschaften passen (Grafik).
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<figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/pOf0U07QAOAe7pNYYCWX" />
<figcaption><label>Abb.7: </label>Abbrandraten eines Treibstoffs bei verschiedenen Druck- und Temperaturniveaus. Bei Festtreibstoffen h&auml;ngen sie ma&szlig;geblich von der Temperatur des Treibstoffs und dem Druck in der Brennkammer ab.</figcaption>
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F&uuml;r den Herstellprozess soll die Treibstoffmasse direkt nach Mischende noch flie&szlig;f&auml;hig sein, darf danach aber weder zu schnell noch zu langsam aush&auml;rten. Erreicht werden diese und weitere Anforderungen durch Katalysatoren und Additive, die meist in mehrere Eigenschaften gleichzeitig eingreifen.
Nicht selten wird bei kleinen &Auml;nderungen ein Parameter verbessert, w&auml;hrend ein anderer dabei deutlich schlechter wird. F&uuml;r jedes System hier die richtige Balance zu finden, ist die Kunst des Treibstoffchemikers. Aus milit&auml;rischer Sicht sollte ein Raketenmotor zus&auml;tzlich die Eigenschaften als insensitive Munition (IM) erf&uuml;llen, darf also beispielsweise bei Beschuss nicht detonieren.
<h2 type="main">Festtreibstoffe im Weltraum</h2>
Nicht nur auf dem Weg dorthin, sondern auch direkt im Weltraum kommen Feststoffmotoren zum Einsatz. Das Material muss dann etwa die enorme, teilweise jahrelange Belastung mit ionisierender Strahlung und den Einschlag hochenergetischer Mikrometeoriten aushalten. Zusammen mit der Europ&auml;ischen Raumfahrtagentur ESA hat der Raketenhersteller Bayern-Chemie in einem Forschungs- und Entwicklungsprogramm experimentell nachgewiesen, dass die harschen Weltraumbedingungen selbst nach langer Zeit Qualit&auml;t und Leistung von Feststoffantrieben nur wenig beeintr&auml;chtigen.
Geplant ist eine Anwendung vor allem an Bord von Satelliten: Mit einem Feststoffraketenmotor k&ouml;nnen Satelliten am Ende ihrer Lebensdauer kontrolliert zum Absturz gebracht werden. Dies verhindert Weltraumschrott im Orbit, der sonst gef&auml;hrlich f&uuml;r bestehende und k&uuml;nftige Missionen ist.4)
<h2 type="main">Fest, fl&uuml;ssig oder beides?</h2>
Raketenantriebe lassen sich je nach Bauart in Systeme mit fl&uuml;ssigen, festen oder hybriden Treibstoffen unterteilen. Fl&uuml;ssige Antriebssysteme liefern pro Masseneinheit Treibstoff sehr hohen Schub: die Kombination aus fl&uuml;ssigem Sauerstoff (Lox) und Wasserstoff LH2 zirka 4700 Ns&middot;kg&ndash;1. Allerdings muss die Rakete spezielle Tanks und ein komplexes System aus F&ouml;rderleitungen und Spezialpumpen mit sich f&uuml;hren. Die Leistung von Fl&uuml;ssigantrieben ist regelbar. Viele der Oxidator-Brennstoffkombinationen sind dabei entweder extrem tiefgek&uuml;hlt, etwa Lox/LH2, oder es sind aggressive, toxische Verbindungen notwendig wie Hydrazin und rauchende Salpeters&auml;ure.
Aufwendige Architektur und komplexe Betankungsvorg&auml;nge gibt es bei Feststoffmotoren nicht. Einmal hergestellt, sind Feststoffantriebe im Prinzip jederzeit einsatzbereit. Ein Gro&szlig;teil der Masse und des Volumens des Feststoffantriebs besteht aus reinem Treibstoff, der auf die Masse bezogen jedoch weniger Schub liefert als im direkten Vergleich mit Fl&uuml;ssigantrieben. Eine Regelung oder Abschalten ist hier nicht m&ouml;glich: Einmal entz&uuml;ndet, brennt der Motor mit seinem vorgegebenen Schubprofil vollst&auml;ndig ab.
Gewisserma&szlig;en das Bindeglied zwischen beiden Antriebsarchitekturen sind Hybrid-Triebwerke: Hier wird ein fl&uuml;ssiger oder gasf&ouml;rmiger Oxidator wie hochkonzentriertes Wasserstoffperoxid oder Fl&uuml;ssigsauerstoff &uuml;ber eine feste Brennstoffoberfl&auml;che gef&uuml;hrt. Sie besteht aus Kohlenwasserstoffen wie Polyethylen oder Paraffin. Der Aufbau ist hier weniger komplex als in klassischen Fl&uuml;ssigantrieben, und die Leistung l&auml;sst sich regeln.
<h2 type="main">Weniger toxisch und 3-D-Druck</h2>
Der technische Grundstein der Komposittreibstoffe wurde in den 1960er und 1970er Jahren gelegt. Verbesserungen und Weiterentwicklungen haben sich seitdem ergeben, getrieben von zivilen und milit&auml;rischen Projekten.
Standen zun&auml;chst m&ouml;glichst viel Leistung und ein besseres Verst&auml;ndnis der viskoelastischen Eigenschaften im Vordergrund, legen Forschung und Entwicklung zunehmend den Schwerpunkt auf Umweltvertr&auml;glichkeit (weniger toxische Treibmittel mit h&ouml;herer Leistung, green propellants). Beispielsweise ergeben Oxidationsmittel wie ADN seit einigen Jahren v&ouml;llig neue Systeme. Neue Katalysatorkonzepte und Polymere werden ebenfalls getestet.
Nicht nur die chemische Zusammensetzung, auch f&uuml;r die Herstellverfahren gibt es neue Ans&auml;tze: Auf Akustik-Resonanz basierende Mischverfahren wie das Resonant Acoustic Mixing (RAM)5) sollen die Mischzeiten von Tagen auf wenige Minuten k&uuml;rzen. Additive Fertigungsverfahren werden erforscht: 3-D-Druck erm&ouml;glicht neue Geometrien und Treibstoffe mit variablen Zusammensetzungen. Nachdem dabei keine klassische Polyurethanchemie mehr stattfindet, muss die polymere Grundstruktur hierf&uuml;r neu erdacht und untersucht werden.
<h2 type="main">Der Autor</h2>
Marcel Holler ist Technical Expert Energetic Materials im Chemical Development, BCT2, bei Bayern-Chemie, einem Unternehmen f&uuml;r Lenkflugk&ouml;rper- und Raumfahrtantriebe in Aschau am Inn. Er ist Pyrotechniker und hat an der Ludwigs-Maximilians-Universit&auml;t M&uuml;nchen in Chemie promoviert.<img alt="image" src="https://media.graphassets.com/Tnd3qtU2RuC5cdVmDzsQ" />
<a href="https://www.bayern-chemie.com" target="_blank" rel="noopener">www.bayern-chemie.com</a>
<ul class="references" cited="no" xml:id="nadc20234135674-bibl-0001">
<li xml:id="nadc20234135674-bib-0001">1 A. Davenas, Solid Rocket Propulsion Technology, Elsevier Newnes, 2012</li>
<li xml:id="nadc20234135674-bib-0002">2 G. P. Sutton, O. Biblarz, Rocket Propulsion Elements, 9th ed., Wiley, 2016</li>
<li xml:id="nadc20234135674-bib-0003">3 S. Sims, S. Fischer, C. Tagliabue, Prop., Explos., Pyrotech. 2022, 47, e20220002</li>
<li xml:id="nadc20234135674-bib-0004">4 M. Holler et al., 8th Space Propulsion Conference, Estoril, Portugal, May 2022</li>
<li xml:id="nadc20234135674-bib-0005">5 P. C. Smith, J. P. Huf, C. A. Williams, Prop., Explos., Pyrotech. 2022, 47, e202100028</li>
</ul>

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