Chemie auf dem Mars

Kohlenstoffdioxid als Treibstoff

Hier auf der Erde verwenden wir als Treibstoff für Fahrzeuge in der Regel Benzin. Benzin wird aus Erdöl hergestellt, eine komplizierte Mischung vor allem gesättigter Kohlenwasserstoffe.

Kohlenwasserstoff-Moleküle enthalten nur Kohlenstoff und Wasserstoff. Sie werden je nach Bindungsart und Struktur eingeteilt in

Eine weitere Gliederung erfolgt in offenkettige (acyclische) und in ringförmige (cyclische) Verbindungen. [1]

Gesättigte Kohlenwasserstoffe:

Alkane treten als gerade (n-Alkane) oder verzweigte Ketten (Isoalkane) sowie als Ringstrukturen (Cycloalkane) auf. Die C-Atome sind durch Einfachbindungen verknüpft. Beispiele:

Abb.1: Namen und Formeln der Anfangsglieder der Alkane [2]

Die Alkane sind farblose Substanzen, deren flüssige Vertreter benzin- oder petroleumartig riechen. Bei Normaltemperatur sind sie bis zum Butan gasförmig, dann flüssig und ab C₁₇ fest (eigentliche Paraffine). Die Schmelz- und Siedepunkte der verzweigten Alkane liegen im allgemeinen unter denen der entsprechenden n-Alkane, die der Cycloalkane darüber. Sie sind nichtpolarisierte Moleküle und lösen sich daher gut in unpolarem Lösungsmitteln wie z.B. Ether, Chloroform, Benzol und Tetrachlormethan. In stark polaren Flüssigkeiten wie z.B. Wasser sind sie schlecht löslich.

Ungesättigte Kohlenwasserstoffe:

Alkene weisen eine oder mehrere Doppelbindungen im Molekül auf. Es gibt gerade (n-Alkene) oder verzweigte (Isoalkene) Ketten sowie auch Ringstrukturen (Cycloalkene). Beispiele:

Abb.2: Namen und Formeln der Anfangsglieder der Alkene [3]

Die Alkene unterscheiden sich in ihren physikalischen Eigenschaften nur wenig von den Alkanen. Die Schmelz- und Siedepunkte liegen etwas niedriger als die der entsprechenden Alkane. Sie lösen sich nur schlecht in Wasser, jedoch gut in Alkohol und Ether. Chemisch sind die Alkene aufgrund der weniger stabilen Doppelbindungen reaktionsfreudiger als die Alkane.

Alkine sind ebenfalls ungesättigte Kohlenwasserstoffe und weisen eine oder mehrere Dreifachbindungen auf. Im selben Molekül können auch Doppelbindungen vorkommen. Es gibt gerade (n-Alkine) oder verzweigte Ketten. Stabile Ringstrukturen treten wegen den Dreifachbindungen erst bei acht Ringgliedern auf. Beispiele:

Abb.3: Namen und Formeln der Anfangsglieder der Alkine [4]

Auch sie unterscheiden sich in ihren physikalischen Eigenschaften nur wenig von den Alkanen und Alkenen. Aufgrund der Dreifachbindung sind die Alkine recht reaktionsfreudig. Sie lösen sich nur schlecht in Wasser, jedoch gut in Alkohol, Ether und unpolaren organischen Lösungsmitteln.

Aromatische Kohlenwasserstoffe:

Eigentlich gehören Aromaten auch zu den ungesättigten Kohlenwasserstoffen, sind jedoch konjugierte, homo- oder heterocyclische Verbindungen. Sie bilden ringförmige Moleküle und weisen besonders hohe Stabilisierungsenergie auf. [5] Beispiele:

Abb.4: Einteilung, Namen und Nummerierung von Aromaten [5]

Rohes Erdöl ist eine braune, meist grünlich fluoreszierende Flüssigkeit. In Raffinerien wird das Rohöl zunächst bei Atmosphärendruck destilliert. Der über 350°C siedende Rückstand wird durch Vakuumdestillation weiter aufgetrennt, wobei schweres Gasöl, Heizöle und Schmieröle erhalten werden. [6] Die in hohem Anteil vorhandenen höheren Kohlenwasserstoffe werden durch Crack-Prozesse in niedrigere Kohlenwasserstoffe umgewandelt. Dabei werden je nach Bedingungen Gemische aus Alkanen, Alkenen und aromatischen Kohlenwasserstoffen erhalten. Durch Isomerisierung an Katalysatoren werden geradkettige Alkane zu verzweigten Alkanen umgewandelt, weil diese besser als Treibstoffe geeignet sind. Sie besitzen eine höhere Klopffestigkeit, d.h. sie entzünden sich nicht vorzeitig bei der Kompression des Benzin-Luft-Gemisches im Motor. [7]

Da es auf dem Mars an dieser Art von Treibstoffen mangelt, könnte dort theoretisch das in der Atmosphäre vorhandene Kohlenstoffdioxid, CO₂, genutzt werden. Spaltet man nämlich CO₂ in Kohlenmonoxid, CO, und Sauerstoff, O₂, so kann die Verbrennung eines Gemisches aus CO und O₂ z.B. eine Rakete antreiben:

2CO2 + Energie -----> 2CO + O2

2CO + O2 -----> 2CO2

So erhält man zwar nicht so viel Energie wie durch herkömmliche Raketentreibstoffe, aber es ist eine der wenigen Energiequellen auf dem Mars und zusätzlich kommt es zu keinem essentiellen Verlust des Materials, da sich der Ausgangsgrundstoff CO₂ durch die Reaktion selbst erneuert.

Auf der Erde könnte diese Art des Treibstoffes jedoch nicht genutzt werden, da es durch die Photosynthese der grünen Pflanzen nicht zu einer Anhäufung von CO₂ in der Atmosphäre kommt.

Unter Photosynthese versteht man denjenigen biologischen Prozess, bei dem die elektromagnetische Energie von Lichtquanten durch Pigmente der Chloroplasten (grüner Blattfarbstoff) oder ähnlicher Zellstrukturen absorbiert und in chemisch gebundene Energie transformiert wird. [8] Dabei entstehen sog. Kohlenhydrate (z.B. Glucose).

Der Name dieser Naturstoffe rührt davon her, dass sie neben Kohlenstoff noch Wasserstoff und Sauerstoff enthalten, und zwar meist im Atomverhältnis 2:1. Gewöhnlich rechnet man zu den eigentlichen Kohlenhydraten die Zuckerarten, Stärke, Glykogen, Cellulose und ihre Derivate.

Kohlenhydrate dienen den Organismen in erster Linie als Energiequelle. Pflanzen und Tiere gewinnen die zum "Leben", d.h. zum Aufbau der Lebenssubstanzen und zur Aufrechterhaltung der Lebensvorgänge notwendige Energie durch Abbau von Kohlenhydraten, in erster Linie von Traubenzucker (Glucose). Biologisch entsteht Traubenzucker, wie oben schon erwähnt, durch die Photosynthese, d.h. durch die CO₂-Assimilation unter dem Einfluss von Licht unter Mitwirkung von Chlorophyll.

Stärke und Glykogen, zwei hochmolekulare, aus Glucose aufgebaute Kohlenhydrate, sind wichtige Reservestoffe. Cellulose, ein ebenfalls aus Glucose aufgebautes hochmolekulares Kohlenhydrat, ist der wichtigste pflanzliche Gerüststoff und die mengenmäßig wohl häufigste organische Verbindung. Nach der Molekülgröße unterscheidet man innerhalb der Gruppe der Kohlenhydrate Monosaccharide, Oligosaccharide und Polysaccharide. Und je nach der Anzahl der C-Atome unterscheidet man bei den Monosacchariden Tetrosen, Pentosen, Hexosen usw. Monosaccharide, die eine Aldehydgruppe (CHO) enthalten, werden als Aldosen, solche, die eine Ketogruppe (CO) enthalten, als Ketosen bezeichnet. [9]

 Monosaccharide sind einfache Zucker und tragen durchweg Trivialnamen. Sie sind farb- und geruchlose, kristalline Verbindungen. Beim Erwärmen zersetzen sie sich unter Dunkelfärbung, meist bevor der Schmelzpunkt erreicht ist. Sie lösen sich leicht in Wasser, schwer in Alkohol und sind unlöslich in Ether, Benzol und Chloroform.

Oligosaccharide sind Polymere der Saccharide, die durch Hydrolyse in zwei bis acht Monosaccharide zerlegt werden. Disaccharide sind bei weitem die häufigsten Oligosaccharide.

Abb.7: Struktur einiger Oligosaccharide [11]

Die Oligosaccharide sind wasserlösliche, farb- und geruchlose, kristalline Substanzen. Sie schmecken süß und ihre Eigenschaften ähneln weitgehend denen der Monosaccharide.

Polysaccharide sind Polymere aus mehr als acht Monosacchariden. Die natürlichen Polysaccharide - wie Stärke und Cellulose - enthlaten zwischen 100 und 3000 Untereinheiten, in erster Linie Pentosen und Hexosen.

Abb.8: Zwei Polysaccharide in vereinfachter Darstellung [11]

Sie unterscheiden sich erheblich von den Mono- und Oligosacchariden. Mit wachsender Molekülgröße sinken Wasserlöslichkeit, Reduktionsvermögen, Kristallisationsfähigkeit und Süßkraft. Die gykosidische Bindung der Einheiten untereinander führt überwiegend zu linearen Strukturen; es gibt aber auch viele verzweigte und cyclische Polysaccharide. [11]

Da also deshalb auf der Erde viel weniger CO₂ in der Atmosphäre vorhanden ist als auf dem Mars, müssen wir hier auf Fossile Energieträger zurückgreifen, die jedoch nicht in allzu ferner Zukunft aufgebraucht sein werden. Deshalb ist es an der Zeit, andere Methoden der Energiebeschaffung in den Vordergrund zu stellen, die nicht limitiert sind, wie etwa Sonnen- oder Windenergie.

Literatur:

[1] Latscha/Klein, Organische Chemie, Springer Verlag, 3. Auflage, 1993, S. 33

[2] dtv-Atlas zur Chemie, Band 2, 5. Auflage, 1992, S. 318ff.

[3] dtv-Atlas zur Chemie, Band 2, 5. Auflage, 1992, S. 3 326

[4] dtv-Atlas zur Chemie, Band 2, 5. Auflage, 1992, S. 332

[5] dtv-Atlas zur Chemie, Band 2, 5. Auflage, 1992, S. 340ff.

[6] Christen/Vögtle, Grundlagen der Organischen Chemie, Salle und Sauerländer Verlag, 1. Auflage, 1989, S. 56

[7] Mortimer, Chemie, Thieme-Verlag, 5. Auflage, 1987, S. 499

[8] Czihak/Langer/Ziegler, Biologie, Spriner Verlag, 5. Auflage, 1992, S.113

[9] Christen/Vögtle, Grundlagen der Organischen Chemie, Salle und Sauerländer Verlag, 1. Auflage, 1989, S. 736

[10] dtv-Atlas zur Chemie, Band 2, 5. Auflage, 1992, S. 415ff.

[11] dtv-Atlas zur Chemie, Band 2, 5. Auflage, 1992, S. 422ff.

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Erstellt von: Stefanie Montag, 1999; E-Mail an: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de