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Hydrazin

Hydrazin

Hydrazin ist eine Stickstoff-Verbindung mit der Molekülformel N₂H₄. Es ist eine farblose, ölige, ammoniakalisch riechende Flüssigkeit. Hydrazin ist giftig und im Tierversuch krebsauslösend (karzinogen). Hydrazin verbrennt mit einer kaum sichtbaren Flamme.

Synthese

Technisch gibt es mehrere Wege zur Synthese von Hydrazin. Entweder durch Einwirkenlassen von konzentrierter Ammoniaklösung oder gasförmigem Ammoniak NH₃ auf Natriumhypochlorit(Raschig-Verfahren) NaClO oder durch Ammoniak oder Harnstoff in Gegenwart von Aceton (Acetonverfahren). Die Oxidation von Ammoniak mit Wasserstoffperoxid H₂O₂ in Gegenwart von Ketonen wird verstärkt technisch eingesetzt.

Eigenschaften und Verwendung

Hydrazin weist eine dynamische Viskosität von 0,9·10^-3 Pa·s auf.
Das 100%ige Hydrazin ist im Handel nicht erhältlich, sondern nur die verdünnte Lösung. Konzentrierte Lösungen sind in Verbindung mit anderen Oxidationsmitteln hoch explosiv, teilweise hypergol. Man verwendet Hydrazin deshalb vor allem in Raketentreibstoffen und zur elektrochemischen Stromerzeugung in Sekundärzellen. Ferner werden verdünnte Lösungen auch als Reagenzien im Labor sowie zur Konditionierung von Kesselspeisewasser in Großkraftwerken mit Betriebsdrücken über 125 bar und bei Schiffsrümpfen als Korrosionsinhibitoren verwendet. Desweiteren wurde Hydrazin in Alkalischen Brennstoffzellen vor allem in der Raumfahrt, U-Booten und anderer Militärtechnik verwendet.

Wiki/Weblinks

Siehe auch:
- 1,1-Dimethylhydrazin (UDMH)
- Monomethylhydrazin (MMH)

Sicherheitsdatenblätter

von [http://www.siri.org/ SIRI] gespeicherte MSDS:
- [http://www.siri.org/msds/mf/cards/file/0281.html WHO/IPCS/ILO International Chemical Safety Cards]
- [http://www.siri.org/msds/f2/byg/bygzw.html ALEXANDER MFG CO.]
- [http://www.siri.org/msds/f2/bwc/bwcjc.html INTERNATIONAL PAINT INC] Kategorie:Chemische Verbindung Kategorie:Gift ja:ヒドラジン

Stickstoff

Der Name Stickstoff bezeichnet das chemische Element aus dem Periodensystem der Elemente mit dem Symbol N und der Ordnungszahl 7. Man spricht auch von atomarem Stickstoff. Elementar tritt Stickstoff jedoch nur in Form eines kovalenten Homodimers, einer chemischen Verbindung aus zwei Stickstoff-Atomen, auf (→ molekularer Stickstoff, auch Distickstoff (vgl. Disauerstoff), Summenformel N₂). Molekularer Stickstoff ist ein Hauptbestandteil der Luft. Er ist in der Umwelt ein wichtiger Dünger, der durch Stickstofffixierung auf natürlichem Wege im Humus angereichert wird. In atomarer Form ist er als Baustein der Proteine ein wichtiges Hauptnährelement aller Organismen. Stickstoff ist ein zentrales Element im Stickstoffkreislauf der Ökosysteme und wurde, da es in Mineralien relativ selten auftritt, auf der Erdoberfläche und im Wasser fast ausschließlich biotisch angereichert. Das Elementsymbol N leitet sich von der lateinischen Bezeichnung nitrogenium (von altgriech. νιτρον „Laugensalz“ und altgriech. γενος „Herkunft“) ab. Die deutsche Bezeichnung Stickstoff erinnert daran, dass molekularer Stickstoff Flammen löscht („erstickt“).

Geschichte

Nitrate und Ammoniumsalze wurden schon von Alchemisten verwendet. Carl Wilhelm Scheele wies 1771 Stickstoff als Bestandteil der Luft nach. Erstmals im Jahr 1774 wurde Ammoniak von Joseph Priestley dargestellt. Durch die Einführung des Frank-Caro-Verfahrens (Kalkstickstofferzeugung nach Adolf Frank und Heinrich Caro) wurde der Luftstickstoff erstmals Anfang des 20. Jh. nutzbar gemacht. Ebenfalls Anfang des 20. Jahrhunderts wurden weitere wichtige Verfahren großtechnisch verfügbar. Zu diesen Verfahren zählen unter anderem die Gewinnung von Salpetersäure (Birkeland-Eyde-Verfahren, nach Kristian Birkeland und Sam Eyde), die katalytische Ammoniakverbrennung nach Wilhelm Ostwald sowie die Ammoniaksynthese nach Fritz Haber und Carl Bosch. 1906 gelang es dem niederländischen Physiker Heike Kamerlingh Onnes erstmals flüssigen Stickstoff mit -195,80 °C herzustellen.

Vorkommen

In der Erdatmosphäre sind 75,5 Massen-Prozent oder 78,7 Volumen-Prozent Stickstoff enthalten. In der Erdkruste kommt Stickstoff nur zu 0,03 % vor. Stickstoffhaltige Mineralien sind relativ selten. In der Natur gibt es zahlreiche wichtige organische Stickstoffverbindungen, wie beispielsweise Eiweiße und Nukleinsäuren. In Form der anorganischen Nitrate und Ammoniumverbindungen erfolgt die Aufnahme bei Pflanzen über die Wurzeln. Umgekehrt werden beim Abbau organischen Materials (beispielsweise durch Verwesung) diese Verbindungen wieder frei gesetzt und stehen dem Stoffkreislauf wieder zur Verfügung (Stickstoffkreislauf).

Gewinnung/Darstellung

Primär wird Stickstoff heute durch die fraktionierte Destillation verflüssigter Luft gewonnen. Dieser ist aber meistens noch durch Sauerstoff und Edelgase verunreinigt. Für das Entfernen des verbliebenen Sauerstoffs gibt es eine biologische Methode unter Verwendung von Reis-Keimlingen. Großtechnisch erfolgt die Herstellung von Stickstoff im Rahmen des Haber-Bosch-Verfahrens zur Ammoniak-Synthese. Eine andere Möglichkeit ist das Binden des Luftsauerstoffs unter Erhitzen an Kohle und das anschließende Auswaschen des entstandenen Kohlendioxids. Der Luftsauerstoff kann auch durch das Überleiten der Luft über glühendes Kupfer oder durch eine alkalische Pyrogallol- bzw. Natriumdithionit-Lösung entfernt werden. Im Labor kann reiner Stickstoff durch Erhitzen auf einer wässrigen Ammoniumnitrit-Lösung oder einer Lösung des Gemisches Ammoniumchlorid/Natriumnitrit etwa 70 °C dargestellt werden:

\mathrmT\mathrm

Alternativ ist eine Thermolyse von Natriumazid möglich, die zur Darstellung von spektroskopisch reinem Stickstoff verwendet wird.

\mathrmT\mathrm

Eigenschaften

Molekularer Stickstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas, welches bei tiefen Temperaturen zu einer farblosen Flüssigkeit kondensiert. Stickstoff ist in Wasser wenig löslich (2,33 ml Stickstoff in 100 ml Wasser bei 0 °C). Stickstoff geht in seinen Verbindungen vorzugsweise kovalente Bindungen ein. In der 2s²p³ Elektronenkonfiguration führt die Bildung von drei Kovalenzen zur Oktettkomplettierung. Verbindungen, in denen dieser Bindungstypus vorkommt, sind beispielsweise:
- Ammoniak
- Amine
- Hydrazin
- Hydroxylamin Diesen Verbindungen ist allen eine trigonale pyramidale Struktur und ein freies Elektronenpaar zu eigen. Über dieses freie Elektronenpaar können diese Verbindungen als Nukleophile und als Basen agieren. Der in der Natur vorkommende molekulare Distickstoff N₂ ist durch die im Stickstoffmolekül vorhandene stabile Dreifachbindung und die damit verbundene hohe Bindungsdissoziationsenergie von 942 kJ/mol sehr reaktionsträge. Entsprechend hoch ist die erforderlichen Aktivierungsenergie, die gegebenenfalls durch geeignete Katalysatoren verringert werden kann. In einer Veröffentlichung im August 2004 gaben Forscher vom Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz bekannt, dass sie unter Drücken von über 110 G Pa bei einer Temperatur von über 2000 K eine neue kristalline Form, sogenannten polymeren Stickstoff mit Einfachbindungen erzeugt haben [http://www.mpg.de/bilderBerichteDokumente/dokumentation/pressemitteilungen/2004/pressemitteilung200408022/index.html].

Isotope

Neben den beiden natürlichen Isotopen ¹⁴N und ¹⁵N gibt es künstliche Isotope mit Massenzahlen von 12 bis 19. Deren Halbwertszeit beträgt zwischen 9,97 Minuten und 11 Millisekunden.

Verbindungen

Verbindungen, in denen Stickstoff vorkommt:
- Stickstoffmonoxid
- Stickstoffdioxid
- Stickstofftetroxid
- Distickstoffoxid
- Aminosäuren
- Peptide
- Proteine
- Spermin
- Jodstickstoff
- Farbstoffe
- Nitrate, Nitrite, Nitride

Verwendung

Technisch wird Stickstoff zur Synthese von Ammoniak und Kalkstickstoff sowie als Schutzgas beim Schweißen, als Lampenfüllung und bei chemischen Reaktionen verwendet. Darüber hinaus finden Stickstoffverbindungen mannigfaltige Anwendungen im Bereich der organischen Chemie und dienen als Düngemittel. Stickstoff wird auch zur Füllung von Autoreifen angeboten. Es ist bisher nicht nachgewiesen, dass dies für Fahrzeugreifen im Straßenverkehr irgendeinen Vorteil bewirkt. Kritiker vermuten, dass es sich lediglich um eine PR-Masche der Anbieter handelt. Aufgrund der geringen Siedetemperatur wird flüssiger Stickstoff als Kältemedium in der Kryotechnik eingesetzt. Der Stickstoff entzieht dabei dem Kühlgut die nötige Verdampfungswärme. Vorteilhaft gegenüber der Verwendung von flüssigem Sauerstoff bei ähnlichem Siedepunkt sind die inerten Eigenschaften des Stickstoffs. Flüssiger Stickstoff wird zur Kühlung von Hochtemperatursupraleitern sowie zur Lagerung biologischer und medizinischer Proben verwendet. Im Tiefbau wird er zur Bodenvereisung eingesetzt.

Nachweis

Stickstoff, der in organisch gebundener Form vorliegt, kann qualitativ mittels Lassaignesche Probe und quantitativ mittels der Kjeldahlsche Stickstoffbestimmung oder Elementaranalyse erfasst werden.

Weblinks

Kategorie:Gruppe-15-Element Kategorie:Periode-2-Element Kategorie:Nichtmetall Kategorie:Löschmittel Kategorie:Gas ja:窒素 ko:질소 simple:Nitrogen th:ไนโตรเจน

Ammoniak

Ammoniak (nach dem Ammonssalz [NH₄Cl = Ammoniumchlorid] aus der Ammonsoase, heute Oase Siwa) ist ein stark stechend riechendes, farbloses und giftiges Gas, das zu Tränen reizt und erstickend wirkt. Die Dichte von Ammoniakgas ist geringer als die Dichte der Luft.

Weitere Eigenschaften

- kritische Temperatur: 132,5 °C
- kritischer Druck: etwa 11,3 MPa (Megapascal) Ammoniak ist sehr gut wasserlöslich, bei 0 °C lösen sich in 100 ml Wasser 90,7 g. Diese Ammoniaklösung heißt Salmiakgeist (Ammoniumhydroxid). Sie reagiert alkalisch . Ammoniak-Luft-Gemische sind im Bereich von 15,5 bis 30 Vol.-% Ammoniak an einer heißen Oberfläche von 630 °C explosionsfähig (Gefahr allerdings eher in geschlossenen Räumen). Eine Zündquelle kann in großtechnischen Anlagen auch Wasserstoff darstellen, so dass auch unter 630 °C die Möglichkeit einer Explosion besteht. Es verbrennt schnell und vollständig, so dass anschließend kein NH₃ mehr wahrnehmbar ist. Ammoniak wirkt auf Haut und Schleimhäute (insbesondere auch auf die Augen) ätzend. Geschluckt ruft es blutiges Erbrechen mit heftigen Schmerzen und Lungenschäden hervor, unter Umständen mit tödlichem Ausgang. Ein Ammoniakgehalt der Luft von 1,5 bis 2,5 g/m³ wirkt nach 30 bis 60 Minuten tödlich.

Nachweis

- Klassische Verfahren: Vorsichtige Geruchsprobe reicht meist aus. Geringe Gasmengen können beispielsweise mit angefeuchtetem Indikatorpapier nachgewiesen werden, welches auf die bei der Reaktion von Ammoniak und Wasser entstehenden OH^- Ionen mit Färbung reagiert.
- Spektroskopische Verfahren: Ammoniak bildet mit Hypochlorit-Ionen Chloramin. Dieses bildet mit Phenolen farbige Indophenole. Dieser Nachweis wird Indophenolreaktion oder Berthelot-Reaktion genannt.

Herstellung

Die Herstellung geschieht heute im industriellen Maßsstab zum weitaus größten Teil (ca. 90% der Welterzeugung) aus Wasserstoff und Stickstoff nach dem Haber-Bosch-Verfahren. Alternative Herstellungsverfahren sind die Gewinnung aus Kalkstickstoff (Kalkstickstoffverfahren von Rothe-Frank-Caro) oder durch Hydrolyse von Nitriden (Serpek-Verfahren)

CaCN_2 + 3 H_2 \rightarrow CaCO_3 + 2 NH_3

2 AlN + 3 H_2 O \rightarrow Al_2 O_3 + 2 NH_3

Beide Verfahren haben keine nennenswerte technische Bedeutung, da die Synthese nach dem Haber-Bosch-Verfahren billiger ist. Ein weiterer Weg der NH₃ -Erzeugung ist die Reduktion von Stickstoffmonoxid (NO) mit Wasserstoff (H₂)

2 NO + 10 H_2 \rightarrow 2 NH_3 + 2 H_2 O

Verwendung

Ammoniak ist eines der wichtigsten und häufigsten Produkte der chemischen Industrie. Heute beträgt die Weltproduktion von Ammoniak etwa 125 Millionen Tonnen. Circa 3% der weltweit täglich produzierten Energie wird für die Herstellung von Ammoniak aufgebraucht. Der Großteil dieser Produktion wird als Ausgangstoff für Stickstoffdünger verwendet. Daneben wird:
- flüssiges Ammoniak wegen seiner hohen Verdampfungswärme in Kältemaschinen eingesetzt (Kältemittelbezeichnung R717).
- In der Textilveredlung, zum Plastifizieren von Holz und als nichtwässeriges Lösungsmittel wird Ammoniak gebraucht
- Gasförmiges Ammoniak wird als Destraktions-Mittel verwendet.
- In der Metall-Industrie wird Ammoniak als Ammoniak-Spaltgas zur Nitrierhärtung und als Schutzgas zur Wärmebehandlung, auch zum Blankglühen, verwendet.
- Ammoniakwasser findet Verwendung zu Reinigungs- und Beizzwecken. Auch wird es zum Unschädlichmachen von Chlor u. Formaldehyd nach Desinfektionsmaßnahmen eingesetzt.
- Ammoniak kann auch zur Entschwefelung von Rauchgas verwendet werden. Hierbei bildet sich Ammoniumsulfat, das als Düngemittel verwertet wird.
- Sowohl bei der Rauchgasreinigung von Kraftwerken wie auch bei der Abgasreinigung von Dieselmotoren wird Ammoniak zur Entstickung eingesetzt (SCR-Verfahren).
- Ammoniak wird auch zur Herstellung von Arzneimittel und Sprengstoff eingesetzt.
- Ammoniakwasser wird in Chlorgasanlagen zur Dichtigkeitsprüfung eingesetzt. An Lecks kommt es zur Nebelbildung, aufgrund entstehenden Ammoniumchlorids [NH₄Cl]
- erlangt in flüssiger und überkritischer Form immer mehr Bedeutung als nicht oxidatives Lösemittel, unter anderem wegen seiner physikalisch-chemischen Ähnlichkeit zu Wasser (Wasserstoffbrückenbindungen, Eigendissoziation NH₄⁺ + NH₂^- -> 2NH₃, usw.)
- Ammoniak ist eine der bedeutendsten Grundchemikalien der chemischen Industrie. Aus ihm werden zahlreiche weitere Vorprodukte hergestellt. Hierbei sind besonders zu nennen: Ammoniak ____|_____________________________________ | | | Oxidation | | sämtlicher | (NH₂)₂CO (Harnstoff) weiterer | / | organischer Salpetersäure Kunstharze | und / / | \ Düngemittel anorganischer Nitrate / | \ Stickstoff / | \ / / | \ Düngemittel | \ Hydroxylamin / | Nitrile | \ / | Adipinsäure Nitroaromaten Amine Hydrazin beispielsweise Anilin

Literatur

- Robert Schlögl: Katalytische Ammoniaksynthese - eine "unendliche Geschichte"? Angewandte Chemie 115(18), S. 2050 - 2055 (2003),

Weblinks

- [http://www.bayern.de/lfu/umwberat/data/chem/stoff/ammoniak_2004.pdf Umweltberatung: Ammoniak und Ammonium] Kategorie:Chemische Verbindung Kategorie:Gift ja:アンモニア ms:Ammonia simple:Ammonia

Karzinogen

Karzinogen (auch carcinogen, kanzerogen oder cancerogen) heißt Krebs erzeugend und setzt sich aus Karzinom und Genese zusammen. Ein Karzinogen ist folglich eine Krebs fördernde Substanz oder Strahlung. Nicht zu verwechseln ist der Begriff karzinogen mit dem Wort Onkogen = Krebsgen.

Einteilung der Karzinogene

- Chemische Karzinogene, z.B.
- Benzpyren
- Acrylamid
- Aflatoxine
- Benzol
- Tamoxifen
- Nitrofuran
- karzinogene Strahlung
- Radioaktivität
- UV-Strahlen
- Röntgenstrahlen
- karzinogene Viren (= Tumorviren), z.B.
- HI Viren
- Epstein-Barr-Viren

Kategorien

Die Einstufung nach § 1.4.2.3 GefStoffV Anhang 1 entspricht der Richtlinie 67/548/EWG und ist damit eine europäische Festlegung. Es bedeuten:

Kategorie 1

Stoffe der Kategorie 1 wirken beim Menschen bekanntermaßen krebserzeugend. Es sind hinreichende Anhaltspunkte für einen Kausalzusammenhang zwischen der Exposition eines Menschen gegenüber dem Stoff und der Entstehung von Krebs vorhanden.

Kategorie 2

Stoffe der Kategorie 2 sollten für den Menschen als krebserzeugend angesehen werden. Es bestehen hinreichende Anhaltspunkte zu der begründeten Annahme, dass die Exposition eines Menschen gegenüber dem Stoff Krebs erzeugen kann. Diese Annahme beruht im allgemeinen auf Langzeitversuchen und/oder sonstigen relevanten Informationen.

Kategorie 3

Stoffe der Kategorie 3 geben wegen möglicher krebserzeugender Wirkung beim Menschen Anlass zur Besorgnis. Genügend Informationen für eine befriedigende Beurteilung liegen jedoch nicht vor. Aus geeigneten Tierversuchen liegen einige Anhaltspunkte vor, die jedoch nicht ausreichen, um den Stoff in Kategorie 2 einzustufen.

Weblinks

- [http://www.hvbg.de/d/bia/fac/kmr/ Liste der krebserzeugenden, erbgutverändernden oder fortpflanzungsgefährdenden Stoffe des BIA]
- [http://potency.berkeley.edu/ The Carcinogenic Potency Database - Einschätzung von 1.451 Chemikalien auf ihre karzinogene Potenz nach Auswertung von über 6.000 Experimenten (engl.)]
- [http://ehp.niehs.nih.gov/roc/toc10.html National Institute of Environmental Health Sciences: 10th Report on Carcinogens]
- [http://www-cie.iarc.fr/ IARC Monographs Programme on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans]
- [http://eagle.westnet.gr/~aesclep/carcinog.htm IARC and NTP carcinogen list]
- [http://ntp.niehs.nih.gov/index.cfm?objectid=03CA718C-ECD1-2105-0A1DC35A33453296 Tamoxifen als Karzinogen] Kategorie:Krebserkrankung ms:Karsinogen

Ammoniak

Weitere Eigenschaften

Nachweis

Herstellung

CaCN_2 + 3 H_2 \rightarrow CaCO_3 + 2 NH_3

2 AlN + 3 H_2 O \rightarrow Al_2 O_3 + 2 NH_3

2 NO + 10 H_2 \rightarrow 2 NH_3 + 2 H_2 O

Verwendung

Literatur

- Robert Schlögl: Katalytische Ammoniaksynthese - eine "unendliche Geschichte"? Angewandte Chemie 115(18), S. 2050 - 2055 (2003),

Weblinks

Harnstoff

Harnstoff (Kohlensäurediamid, lat. Urea Pura) ist eine organische Verbindung, die von vielen Landtieren als ein Endprodukt des Stoffwechsels von Stickstoffverbindungen (z.B. Aminosäuren) im sogenannten Harnstoffzyklus produziert und anschließend im Urin ausgeschieden wird. Reiner Harnstoff ist ein weißer, kristalliner, geruchloser, ungiftiger und hygienisch unbedenklicher Feststoff. In der menschlichen Haut ist Harnstoff, durch seine Wasserbindungsfähigkeit, der wichtigste unter den natürlichen Feuchtigkeitsfaktoren; Harnstoff ist daher häufig in Kosmetika enthalten. In der Pharmazie kennt man Harnstoff als Keratolytikum. Diese Eigenschaft macht man sich in verschiedenen Rezepturen zu nutze. Beispielsweise hoch konzentriert (40%) in Pasten zusammen mit einem Antimykotikum (Anti-Pilz-Mittel) gegen Nagelpilz (Onychomykose), wobei der Harnstoff den Nagel so weich macht, dass man die infizierte Nagelsubstanz Stück für Stück abtragen kann. Harnstoff wurde 1773 von Hilaire Rouelle entdeckt und 1828 als erste organische Verbindung künstlich synthetisiert. Friedrich Wöhler führte die Synthese als Reaktion von Kaliumcyanat und Ammoniumsulfat durch. Dies widerlegte die damals verbreitete Theorie, dass organische Substanzen grundsätzlich nur von Lebewesen durch die so genannte "vis vitalis" (Lebenskraft) hergestellt werden könnten, und ebnete den Weg für die organische Chemie.

Eigenschaften

Harnstoff zerfällt beim Schmelzen unter Abspaltung von Ammoniak – NH₃ – zu Biuret. Es ist schwach wassergefährdend und hat daher die Wassergefährdungsklasse 1.

Industrielle Herstellung

Harnstoff wird in großen Mengen industriell hergestellt (2004: 127 Mio t weltweit) und dient z.B. als Stickstoffdünger oder als NO_x-Reduktionsmittel beim SNCR-Verfahren. In Ländern mit großen Erdgasvorkommen, die früher oft einfach abgefackelt wurden, wird Erdgas heute in Harnstoff umgewandelt. Dazu dienen große Chemieanlagen, die aus Erdgas, Luft und Wasser in den Prozessschritten Wasserstoffherstellung -> Ammoniakherstellung -> Harnstoffsynthese Harnstoff herstellen. Dabei wird das bei der Wasserstoffherstellung anfallende CO₂ in den Harnstoff eingebunden, es wird nicht in die Atmosphäre freigesetzt. Der in Lösung anfallende Harnstoff wird schließlich durch einen Granulierungsprozess in Granulat umgewandelt (sogenannter "geprillter" Harnstoff = Kügelchen mit Durchmesser im mm-Bereich), und dieses wird in Säcken oder auch lose vertrieben. Die größten Anlagen der Welt produzieren ca. 4.000 t Harnstoff am Tag. Eine industrielle Weiterverwendung von Harnstoff ist die Herstellung von Melamin (welches z.B. mit Formaldehyd zu Kunstharzen verarbeitet wird) und Harnstoff-Formaldehyd-Harzen (sogenannte UF-Harze), die z.B. zur Produktion von Spanplatten eingesetzt werden.

Siehe auch

- AdBlue Kategorie:Chemische Verbindung Kategorie:Dünger ja:尿素

Aceton

Aceton ist der Trivialname für Propanon oder auch Dimethylketon, dem einfachsten Alkanon (Keton) mit drei C-Atomen. Es wird durch die Summenformel CH₃(CO)CH₃ beschrieben. Aceton wird als Lösungsmittel verwendet. Es ist eine süßlich riechende, farblose, leichtentzündliche- und brennbare Flüssigkeit. Sein charakteristisches Strukturmerkmal ist die Carbonylgruppe, die mit zwei Methylgruppen verbunden ist.

Eigenschaften

Aceton ist eine farblose, niedrigviskose Flüssigkeit mit charakteristischem (fruchtartigen/süßlichen) Geruch, leichtentzündlich und bildet mit Luft ein explosives Gemisch. Es ist in jedem Verhältnis mit Wasser und den meisten organischen Lösungsmitteln mischbar. Das Acetonmolekül zeigt Keto-Enol-Tautomerie.

Herstellung

Das wichtigste Herstellungsverfahren von Aceton ist das Cumolhydroperoxidverfahren: 350px Hier werden Benzol und Propen zunächst durch eine Friedel-Crafts-Alkylierung im Sauren in 1-Methethylbenzol überführt, dieses wird auch Cumol genannt, daher der Name der Reaktion. Dieses Cumol wird dann mit Luftsauerstoff oxidiert, wobei ein Hydroperoxid entsteht. Durch saure Aufarbeitung entstehen nun als Kuppelprodukte Phenol und Aceton. Als weiteres Herstellungsverfahren wird die Dehydrierung bzw. Oxidehydrierung von Isopropanol durchgeführt.

Verwendung

Aceton wird als gängiges Lösungs- und Extraktionsmittel für Harze, Fette und Öle, Kolophonium, Celluloseacetat sowie als Nagellackentferner eingesetzt. Es löst ein Vielfaches seines Volumens an Acetylen (Dissousgas). Aceton wird in vielen Reaktionen (Aldoladditionen und Aldolkondensationen) der organischen Chemie benutzt und ist in der Lehre oft ein Standardmolekül für Beispiele zur Carbonylchemie. Lässt man je zwei Acetonmoleküle unter dem Einfluss basischer Reagenzien aldolartig dimerisieren, so entsteht Diacetonalkohol.

Biochemie

Aceton ist ein Ketonkörper, der aber nicht in nennenswertem Umfang verstoffwechselt werden kann. Er wird deshalb über die Lunge oder im Ausnahmefall über den Harn abgegeben (Acetonurie, Symptom von Diabetes). Andere Ketonkörper sind Acetoaceton und Hydroxymethylbutyrat. Diese können im Stoffwechsel verarbeitet werden.

Komplexchemie

Aceton kann aufgrund seiner polaren Carbonylgruppe mit Kationen auch Komplexverbindungen bilden.

Aktuelle Entwicklungen

Eine Forschergruppe um Rusi Taleyarkhan hat in zwei wissenschaftlichen Artikeln Experimente beschrieben, die nach ihrer Ansicht Hinweise auf die Möglichkeit einer Kernfusion in Aceton liefern. Die Forschergruppe hatte bereits 2002 eine modifizierte Acetonlösung, deren Wasserstoff durch Deuterium ersetzt worden war, mit schnellen Neutronen und Schallwellen beschossen, woraufhin sich schnell kollabierende Bläschen formten und für eine Kernfusion typische Neutronenemmissionen sowie Sonolumineszenz auftraten. Die detektierte Neutronenausbeute ist jedoch so gering, dass andere Wissenschaftler diese Interpretation anzweifeln. Darüberhinaus konnten die Ergebnisse von anderen Forschern nicht reproduziert werden, auch nicht im selben Labor. Siehe hierzu auch [http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/295/5561/1808]. Im Januar 2005 meldetete sich Taleyarkhan wieder zu Wort und legte Ergebnisse seiner überarbeiteten Experimente vor. Anderen Labors ist jedoch eine Wiederholung der Experimente bislang nicht gelungen.

Weblinks

- [http://www.dr-o-schneider.de/media/Zinkaceton~Scannen0005.jpg Zinkacetonkomplex]

Sicherheitsdatenblätter

- [http://search.be.acros.com/msds?for=acros&sup=acros&lang=DE&search=17680&button=Show Acros ]
- [http://www.alfa-chemcat.com/daten_msds/D/30698_-_Acetone_(D).pdf Alfa Aesar]
- [http://www.carl-roth.de/jsp/de/sdpdf/5025.PDF?lang=de&catId.de/ Carl+Roth]
- [http://www.jtbaker.com/europe/msds/pdf05/D/MSDS_5356_Aceton_(D).pdf Mallinckrodt Baker]
- [http://chemdat.merck.de/documents/sds/emd/deu/de/1000/100014.pdf Merck] Kategorie:Keton Kategorie:Chemische Verbindung ja:アセトン nb:Aceton

Dynamische Viskosität

Unter der Viskosität versteht man die „Zähigkeit“ einer Flüssigkeit oder eines Gases. Sie resultiert aus den zwischenmolekularen Kräften in einem Fluid, ist also abhängig von der Kohäsion zwischen den Molekülen oder Teilchen. Man spricht daher auch von der inneren Reibung. Bei Feststoffen verwendet man stattdessen die Begriffe der Duktilität, Sprödigkeit und Plastizität. Der Begriff Viskosität leitet sich von dem lateinischen Wort für Mistel "viscum" her, aus deren Beeren ein zäher Vogelleim hergestellt wurde.

Viskosität von Flüssigkeiten

Spricht man von Viskosität, soll in der Regel das Fließverhalten einer Flüssigkeit charakterisiert werden. Je höher die Viskosität dabei ist, desto dickflüssiger ist die Substanz. Diesen Effekt kann man sich vereinfacht durch die Bewegung zweier übereinander liegender, verzahnter Molekülschichten vorstellen (siehe Abb. Punkt 1). Beim Fließen gleiten die Moleküle aneinander vorbei, und um die Verzahnung zu überwinden benötigt man eine gewisse Kraft. Den Zusammenhang zwischen dieser Kraft und den Eigenschaften des vorliegenden Fluids definiert die Viskosität. Erkennbar wird dieser Zusammenhang besonders gut an der homologen Reihe der Alkane (kettenförmige Kohlenwasserstoffen), hier steigt die Viskosität mit der Kettenlänge und damit den zunehmenden intermolekular wirkenden van-der-Waals-Kräften kontinuierlich an. Bei den mittleren Alkanen (ab Nonan, neun C-Atome) hat sie bereits einen Wert ähnlich dem von Wasser. Nonan Sehr gut veranschaulichen kann man sich die Viskosität auch an folgendem Beispiel: gleitet Wind über das Wasser eines Ozeans, erzeugt dies eine Bewegung der Wasserschicht an der Oberfläche. Je tiefer man nun taucht, desto ruhiger wird das Wasser, bis man einen Punkt erreicht, wo keine Strömung herrscht. Die einzelnen Flüssigkeitsschichten bewegen sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit (Korkenzieherströmung), es entsteht ein Geschwindigkeitsgradient (siehe Abb. Punkt 2): :

\frac

Weht kein Wind mehr, bricht die Strömung zusammen, das Wasser ruht auch wieder an der Oberfläche. Dass die Flüssigkeit auch in tieferen Schichten trotz Wind an der Oberfläche praktisch ruht, ist Folge der inneren Reibung in der Flüssigkeit. Die Viskosität der meisten Flüssigkeiten nimmt mit steigender Temperatur ab, oft ist sie proportional zu

e^

(

A

= flüssigkeitsspezifische Konstante,

T

= Temperatur).

Definition der Viskosität

Korkenzieherströmung Man stelle sich zwei im Abstand x angeordnete Platten der Fläche A vor. Zwischen diesen Platten befindet sich eine Flüssigkeit, die an beiden Platten haftet. In unserer Vorstellung soll der Raum mit der Flüssigkeit in Schichten unterteilt sein. Wird nun Platte 2 mit der Geschwindigkeit v bewegt, so bewegt sich die Schicht, in unmittelbarer Nachbarschaft zu Platte 2 auf Grund der Haftung ebenfallfs mit der Geschwindigkeit v. Da Platte 1 ruht, ruht auch ihre Nachbarschicht. Die innenliegenden Flüssigkeitsschichten gleiten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aneinander vorbei. Die Geschwindigkeit nimmt von der ruhenden Platte zur bewegten zu. Im einfachsten Fall besteht eine lineare Abhängigkeit (siehe Abbildung). Von der obersten, an der Platte haftenden Schicht, geht eine Tangentialkraft auf die darunterliegende Schicht aus. Diese bewegt sich folglich mit der Geschwindigkeit v₁. Diese Schicht wirkt wiederum auf die darunterliegende Schicht und bewegt sie mit der Geschwindigkeit v₂. Im Experiment lässt sich zeigen, dass die Kraft F, die nötig ist, um Platte 2 zu bewegen direkt proportional zu ihrer Fläche A, ihrer Geschwindigkeit v und antiproportional zu dem Abstand der Platten x ist: :

F \sim A

und

F \sim v

und

F \sim \frac.

Hieraus ergibt sich :

F\sim\frac

und als Gleichung :

F= \eta\frac.

Die Proportionalitätskonstante

\eta

ist die dynamische Viskosität. Häufig wird sie auch nur als Viskosität bezeichnet. Ein Stoff hat also die Viskosität 1 Ns/m², wenn bei einer Größe der Platten von 1 m² und einem Plattenabstand von 1 m eine Kraft von 1 N benötigt wird, um die Platten mit einer Geschwindigkeit von 1 m/s gegeneinander zu verschieben. Für die physikalische Einheit gilt:

1=[\eta] \cdot\left(\frac\right) \Rightarrow [\eta] = \frac.

Ist

\eta

unabhängig von der Geschwindigkeit v, so wird die Flüssigkeit als Newtonsche Flüssigkeit bezeichnet. Für diese Flüssigkeiten stellte sich das in Abbildung 2 gezeigte, lineare Geschwindigkeitsprofil ein. Ist

\eta

nicht von v unabhängig, so bezeichnet man die Flüssigkeit als nicht-Newtonsch.

Newtonsche Flüssigkeiten

Im folgenden wird der vereinfachte Zusammenhang gemäß dem Newtonschen Viskositätsgesetz dargestellt, es wird dabei stets laminare Strömung sowie Temperatur- und Druckunabhängigkeit der Flüssigkeitseigenschaften angenommen. Außerdem unterstellte Newton eine lineare Abhängigkeit des oben erläuterten Geschwindigkeitsgradienten, der auch Schergefälle

\dot\gamma

(manchmal auch mit

D

bezeichnet) genannt wird: :

\dot\gamma = \frac

Schergefälle Verknüpft man dies mit der Schubspannung, erhält man folgenden Zusammenhang für die dynamische Viskosität: :

\tau=\eta \frac \Rightarrow \eta = \frac

Die Schubspannung

\tau

ergibt sich aus der die Strömung bewirkenden Kraft bezogen auf die betroffene Angriffsfläche, die sich mit maximaler Geschwindigkeit bewegt.

\eta

wird bei Newtonschen Flüssigkeiten als Konstante angesehen. Viele Substanzen folgen diesem Gesetz jedoch nicht. Dabei unterscheidet man verschiedene Arten der Abweichung:
- Strukturviskosität / Dilatanz, dabei ist die Viskosität

\eta

keine Konstante, sondern ändert sich mit dem Schergefälle

\dot\gamma

- Thixotropie / Rheopexie, hierbei zeigen sich zeitabhängige Strukturveränderungen, so dass je nach Zeitdauer seit der letzten Fließbewegung andere Viskositätswerte zu finden sind
- Fließgrenze, es muss erst eine gewisse Mindestschubspannung vorhanden sein, um ein Fließen zu erreichen (plastisches Fließen). Diese Art Fluid wird auch als Bingham-Fluid bezeichnet. Derartige Fluide bezeichnet man als Nichtnewtonsche Fluide. Im allgemeinen Fall muss das Schergefälle

\dot\gamma

aus dem Schwerwinkel in der Flüssigkeit berechnet werden und nicht über den Geschwindigkeitsgradienten. Darüber hinaus wird das Verhältnis zwischen der dynamischen Viskosität

\eta

und der Dichte

\rho

definiert als kinematische Viskosität: :

\nu = \frac

SI-Einheit

Die SI-Einheit der : dynamischen Viskosität:

[\eta] = \frac =  \cdot  = \frac

: kinematischen Viskosität:

[\nu] = \frac

Im CGS-System wird für die dynamische Viskosität Poise (P) verwendet, 10 P = 1 Pa s, für die kinematische Viskosität das Stokes (St), 1 m²/s = 10⁴ St.

Typische Viskositätswerte

(η in [mPa s] bei 20 °C) Petroleum 0,65 Pentan 0,232 Olivenöl ~ 10² Wasser (hier) 1,0 Hexan 0,320 Honig ~ 10⁴ Quecksilber 1,5 Heptan 0,410 Sirup ~ 10⁵ Traubensaft 2-5 Oktan 0,538 Polymerschmelzen ~ 10³ bis 10⁶ Blut (37 °C) 4-25 Nonan 0,710 Bitumen ~ 10¹¹ Kaffeesahne ~10 Dekan 0,920 Glas (fest) ~ 10²³ Asphalt 100000 Ethanol 1,19 Glas (Verarbeitungstemp.) ~ 10² bis 10⁴ Paraffinöl 110–230

Viskosität von Gasen

Auch für Gase lässt sich eine Viskosität definieren:
:

\eta = \frac\,n\,m\,v\,l

, mit der freien Weglänge

l

für die Gasteilchen, der Masse der Gasteilchen

m

, der mittleren Teilchengeschwindigkeit

v

und der Teilchenzahldichte

n

. Die Viskosität von Gasen ist unabhängig vom Druck. Dies gilt solange, wie die freie Weglänge klein gegenüber den Gefäßabmessungen und groß gegenüber den Molekülabmessungen ist. Mit anderen Worten: für ein sehr dünnes oder ein sehr dichtes Gas wird die Viskosität doch wieder vom Druck beziehungsweise der Dichte des Gases abhängig. Grundsätzlich abhängig ist die Viskosität aber von der Temperatur, da hier

v

mit der Temperatur zunimmt. Dieses Verhalten ist bei den meisten Flüssigkeiten genau entgegengesetzt. Für Luft liegen die Grenzen in der Größenordnung von einigen mm bis zu cm (zum Beispiel Lungenautomat beim Tauchen) und 0,4 nm (Moleküldurchmesser). Die folgende Tabelle listet zu einigen Gasen die Viskositäten und freien Weglängen auf. Tauchen Die Abnahme der Viskosität mit der Temperatur nutzt man bei Experimenten in Windkanälen. Die Verkleinerung der Messmodelle reduziert die Reynolds-Zahl, die sich durch Kühlung kompensieren lässt.

Kinetische Gastheorie

Nach Hirschfelder kann die Viskosität reiner Gase mit Hilfe der kinetischen Gastheorie in einem großen Temperaturbereich (etwa von 200 bis 3000 Kelvin) berechnet werden. :

\eta = \frac

Hierbei ist

m

die Molekülmasse,

k_

die Boltzmann-Konstante,

T

die Temperatur,

\sigma

der Lennard-Jones-Stoßdurchmesser und

\Omega^

das reduzierte Stoßintegral, dass von reduzierten Temperatur

T^ = k_ T / \epsilon

abhängt.

\epsilon

ist die Energie des Lennard-Jones-Potenzials. Werte für die Lennard-Jones-Parameter und das reduzierte Stoßintegral sind in Lienhards Lehrbuch zur Wärmeübertragung in Kapitel 11 aufgeführt.

Fluidität

Der Kehrwert der Viskosität ist die Fluidität

\eta^

mit der Einheit

[\eta^]=\frac

Siehe auch

- Gesetz von Stokes
- Gesetz von Hagen-Poiseuille
- Engler-Grad
- Visco-Kupplung
- Rheologie

Literatur

- Joseph O. Hirschfelder, Charles F. Curtiss, und Robert Byron Bird: Molecular Theory of Gases and Liquids, Wiley, 1964, ISBN 0-471-40065-3
- John H. Lienhard IV und John H. Lienhard V, [http://web.mit.edu/lienhard/www/ahtt.html A Heat Transfer Textbook], Phlogiston Cambridge, 3. Auflage, 2005

Weblinks

- [http://www.heise.de/tp/deutsch/inhalt/lis/18310/1.html Pechtropfenexperiment]
- [http://getkrafted.de/upload/viskosit%E4t.pdf Facharbeit zum Thema Viskosität] Kategorie:Physikalische Größe Kategorie:Weiche Materie Kategorie:Strömungslehre ja:粘度 ms:Kelikatan

Hypergol

Hypergol bezeichnet aus Komponenten bestehende Raketentreibstoffe, deren Komponenten spontan miteinander reagieren, wenn sie in Kontakt gebracht oder vermischt werden. Der Begriff stammt aus dem angloamerikanischen Sprachraum. Die Komponenten hypergoler Treibstoffe sind meist starke Oxidations- bzw. Reduktionsmittel, die sich bei Berührung explosionsartig entzünden. Diese Treibstoffe verhindern jedoch, dass ein Raketentriebwerk explosiv zündet und die Rakete dabei zerstört. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist, dass die Zündung auf jeden Fall erfolgt, was beispielsweise für Waffensystemen wie Interkontinentalraketen wesentlich ist. Allerdings sind solche Treibstoffe meist giftig und auch instabil, was sie schlecht lagerfähig macht. Bei größeren Waffensystemen ist man daher zu Feststoffboostern übergegangen und verwendet hypergole Treibstoffe nur zur Zündung. Hydrazinderivate mit Distickstofftetroxid sind heute die einzigen hypergolen Treibstoffe die noch eingesetzt werden. Sie sind zwar giftig, aber da sie ohne Kühlung problemlos lange Zeit lagerfähig sind, werden sie von Satelliten und Raumsonden für ihre Triebwerke verwendet. Auch in manchen Weltraumraketen (hauptsächlich Oberstufen) werden sie verwendet. Bemannte Raumschiffe (z.B. Space Shuttle) werwenden sie ebenfalls meistens für ihre Korrekturtriebwerke. Beispiel hypergoler Treibstoffe sind
- Salpetersäure und Hydrazin (giftig aber stabil)
- Salpetersäure und Anilin (nicht stabil, explosiv)
- Wasserstoffperoxid und Anilin (explosiv)
- UDMH und Distickstofftetroxid (das am weitesten verbreitete Hypergol)
- Monomethylhydrazin und Distickstofftetroxid (z. B. in der Oberstufe der Ariane 5 verwendet)

Links

- [http://www.bernd-leitenberger.de/raktreib1.html Chemie und Impulserzeugung verschiedener Verbindungen]
- [http://www.bernd-leitenberger.de/raktreib2.html Praktisch eingesetzte Chemische Raketentreibstoffe]

Siehe auch:

Raketentreibstoff Kategorie:Sonstiges (Raumfahrt)

Sekundärzelle

Sekundärzellen sind Bestandteile von Akkumulatoren (z.B. Autobatterien) in denen die dauerhafte Speicherung von elektrischer Energie mit Hilfe chemischer Reaktionen durch Anlegen einer äußeren Spannung möglich wird. Im Gegensatz zu Primärzellen (nicht wiederaufladbare Batterien) ist in ihnen direkt nach der Herstellung noch keine elektrische Energie enthalten. Kategorie:Elektrische Energie Kategorie:Energiespeicher

Alkaline Fuel Cell

Die Alkaline Fuel Cell (alkalische Brennstoffzelle) ist die "Standardform" der Brennstoffzelle und fällt in den Niedertemperatur-Bereich. Wässrige Lösungen von Natrium- oder Kaliumhydroxid werden als Elektrolyt benutzt. Da diese Lösungen alkalisch sind, erhält die Zelle ihren Namen. Als Brennstoff wird eigentlich immer Wasserstoff an der Anode benutzt, der durch Oxidation mit Sauerstoff an der Kathode umgesetzt wird. An der Anode entsteht dabei als Reaktionsprodukt Wasser, das ständig abgeführt werden muss. Dieser Zellentyp wird eigentlich nie über 100 °C betrieben. Die alkalische Brennstoffzelle dient der Stromherstellung beispielsweise in der Raumfahrt (US Space Shuttle). Die der Kathode zugeführte Luft muss CO₂-frei sein, da dieses sonst mit der Lauge zu einem Karbonat reagiert. Dieses ist dann ein Feststoff (weißer Niederschlag, nicht mehr gelöst), welcher die porösen Elektroden verstopfen kann. Im Vergleich zur PEMFC hat die AFC eine geringere Leistungsdichte bei jedoch leicht besserem Brennstoffzellen-Wirkungsgrad aufgrund einer höheren Zellenspannung, erreicht jedoch zur Zeit nicht die hohen Stromdichten wie die PEMFC. Der Elektrolyt dient gleichzeitig zur Temperaturregelung des Stacks, womit kein weiterer Kühlkreislauf notwendig ist. Siehe auch: Brennstoffzelle Kategorie:Energietechnik Kategorie:Elektrische Energie

Raumfahrt

Als Raumfahrt bezeichnet man Reisen oder Transporte in oder durch den Weltraum. Der Übergang zwischen Erde und Weltraum ist fließend und wurde durch die FAI auf eine Grenzhöhe von 100 Kilometern festgelegt. Ein Raumfahrzeug muss zusätzlich auch noch die erste kosmische Geschwindigkeit von rund 7,9 km/s erreichen, um zu einem Erdsatelliten zu werden. Die klassische Trennung zwischen Luft- und Raumfahrt wird zunehmend durch die technische Entwicklung der Raumfahrzeuge aufgeweicht. Man unterscheidet zwischen
- bemannter Raumfahrt, bei der Menschen die Reise in den Weltraum antreten - zu ihr sind derzeit die USA, Russland und die Volksrepublik China in der Lage.
- unbemannter Raumfahrt, die das Befördern und den Betrieb von Satelliten und Sonden im Weltraum umfasst. Zu unbemannten Starts von eigenen Trägerraketen sind derzeit etwa zehn Länder und die ESA befähigt (siehe unten). ESA

Geschichte

Ein chronologische Liste der bisherigen Raumfahrtmissionen ist hier erreichbar:
- Liste der unbemannten Raumfahrtmissionen
- Liste der bemannten Raumfahrtmissionen
- Siehe auch Geschichte der Raumfahrt.

Allgemeines

Obwohl schon lange die Vorstellung von Reisen zum Mond oder anderen Planeten und Sternen bestand, wurde erst im 20. Jahrhundert mit der Entwicklung der Raketentechnik eine brauchbare und die bisher einzige Methode gefunden, die ausreichend lange so hohe Beschleunigung ermöglicht, dass ein dauerhaftes Verlassen des Planeten möglich wird.

Theoretische Grundlagen und Raketen-Pioniere

Die Theorie der Raumfahrt wurde unter anderem vom Russen Konstantin Ziolkowski (1857-1935) untersucht, der 1898 die mathematischen Grundprinzipien des Raketenantriebs formulierte (siehe Raketengrundgleichung). Auch der Siebenbürger Deutsche Hermann Oberth (1894-1989) stellte 1923 die Grundgleichung der Raketentechnik auf und zeigte wie Ziolkowski mit dem Konzept der Stufenrakete, wie man große Nutzlasten energetisch günstig in die gewünschte Flugbahn bringen kann. Von den ersten Ingenieuren und experimentellen Wissenschaftlern sei der Amerikaner R. H. Goddard (1882-1945) erwähnt, der ab etwa 1910 kleine Raketenmotoren entwickelte. 1926 gelang ihm der Start der ersten Flüssigkeitsrakete. Noch früher tätig war hierin der Südtiroler Astronom und Raketenpionier Max Valier (1895-1930). Er wagte als erster Europäer Experimente mit flüssigen Treibstoffen und baute u.a. ein Raketenauto (heute Deutsches Museum). Bei einem Labortest in Berlin explodierte ein Aggregat und ein Metallsplitter tötete den nur 35-Jährigen. Diese Grundlagenforschung enthusiastischer Einzelpersonen bis Anfang der 30er Jahre war Grundstock für die Entwicklung zur Hochtechnologie, die nur in Symbiose mit militärischen Interessen und staatlicher Finanzierung möglich war. Einen großen Anteil an solchen Weiterentwicklungen hatte Wernher von Braun (1912-1977) - von Peenemünde 1934 und der A4 (dem Vorbild vieler russischer und US-Raketen) bis zur Saturn V der Mondlandungen 1969-1972.

Militär und Industrie entdecken die Raumfahrt

Dieser Prozess setzte zunächst im Deutschen Reich ein, das in der neuen Technologie eine Möglichkeit erkannte, die Bestimmungen des Versailler Vertrags zu umgehen. Bis zum Ausbruch des Zweiten Weltkrieges entstand so der Forschungs- und Produktionskomplex Peenemünde unter Wernher von Braun, der schließlich die A4/V2-Rakete hervorbrachte. Diese erste Großrakete der Welt wurde als verheerende Fernwaffe vor allem gegen London und Antwerpen eingesetzt. Augrund der relativen Treffungenauigkeit und dem ausserordentlich schlechten Verhältnis aus Kosten und Zerstörungswirkung war dieser Raketenyp militärökonomisch eine Fehlentscheidung. Die Militärstrategen und Politiker der Sowjetunion und der USA erkannten das Potential der Raketentechnik, das vor allem darin lag, dass Raketen praktisch nicht abgefangen werden konnten und versuchten, aus dem besetzten Deutschland nicht nur Geräte und Blaupausen, sondern auch Know-How zu erbeuten. Damit begann bereits in den letzten Tagen des Zweiten Weltkrieges ein Wettlauf zwischen den beiden Staaten, der Jahrzehnte andauern sollte. Nach dem Krieg wurden sowohl vollständige Raketen, wie Produktionsanlagen und zahlreiche Wissenschaftler und Techniker in die USA und die Sowjetunion verbracht und bildeten dort die Grundlage der Raketenentwicklung für die nächsten Jahrzehnte.

Der Wettlauf ins Weltall im Kalten Krieg

Know-How Im nun einsetzenden Kalten Krieg kam der Raumfahrt vor allem eine massenpsychologische und propagandistische Bedeutung zu. Neben dem offensichtlichen militärischen Wert wurde sie von den Zeitgenossen als Messlatte für die Leistungsfähigkeit und Fortschrittlichkeit der beiden konkurrierenden Systeme wahrgenommen. Als Folge des so genannten Sputnikschocks im Oktober 1957 wurde der amerikanischen Öffentlichkeit schlagartig bewusst, dass die Sowjetunion den technologischen Rückstand fast vollständig aufgeholt hatte. Von diesem Zeitpunkt an wurde die Raumfahrt auch in den USA nach Kräften gefördert, und es kam zu einem regelrechten Wettlauf. Die sowjetische Raumfahrt erbrachte dabei zahlreiche bedeutende Erstleistungen. Sie brachten einen Monat nach dem Start von Sputnik 1 das erste Lebewesen, die Hündin Laika in den Weltraum. Am 12. April 1961 umkreiste Juri Alexejewitsch Gagarin als erster Mensch im Weltall die Erde und die Sonden Lunik 2 und Luna 9 führten 1959 und 1966 erstmals auf dem Mond eine harte bzw. weiche Landung durch. Dagegen konzentrierten sich die Anstrengungen der USA unter Präsident Kennedy auf die bemannte Mondlandung, die am 20. Juli 1969 mit einer halben Milliarde TV-Zuschauern das vielleicht größte Medienereignis zur Zeit des Kalten Krieges war. Obwohl die zivile Raumfahrtbehörde NASA im Mittelpunkt der Öffentlichkeit stand und steht, wurde die Entwicklung der Raumfahrt abseits der öffentlichkeitswirksamen Prestigeprojekte ausschließlich von militärischen Erwägungen bestimmt. Etwa drei Viertel aller Satellitenstarts bis heute dienten militärischen Zwecken. Die USA verfügten seit 1959 über Aufklärungssatelliten, seit 1960 über Wetter-, Navigations- und Frühwarnsatelliten. Das beiderseits stetig anwachsende Atomwaffenarsenal mündete schließlich im nuklearen Patt. Dieser höchst bedrohliche Aspekt der Raumfahrt, der sich ab den 70er Jahren auch in einer immer stärker werdenden Friedensbewegung niederschlug, hatte eine Reihe von Abrüstungsverträgen (START-Verträge) und Abkommen zur Begrenzung strategischer Waffensysteme (ABM-Vertrag) zur Folge. Die Sowjetunion führte ihre bereits in den 60er Jahren begonnenen Forschungen an Kopplungsmanövern, Langzeitflügen und Weltraumausstiegen von Kosmonauten über die erste Raumstation "Saljut 1" weiter bis zu gemeinsamen Kopplungsmanövern mit den USA 1975 und schließlich zur permanent bemannten Raumstation Mir. Ab den 70er Jahren spielte die Kommerzialisierung der Raumfahrt bzw. aus der Raumfahrtforschung hervorgegangener Technologien eine immer größere Rolle. Beispiele sind Nachrichten- und TV-Satelliten, CD-Spieler und zahllose mikroelektronische und informatische Anwendungen bis hin zu GPS und Digitalfotografie.

Kooperation und Globalisierung der Raumfahrt

Digitalfotografie Schon während der MIR-Ära konnte man eine verstärkte Kooperationsbereitschaft zwischen den USA und Russland beobachten. So dockte der Space Shuttle mehrmals an der alternden Raumstation an und trug damit wesentlich zum Erhalt bei. Die gemeinsamen Bemühungen mündeten schließlich in der Planung und dem Bau der Internationalen Weltraumstation (ISS). Nach dem Absturz der Raumfähre Columbia und einer Strategieänderung bei der NASA ist die Zukunft der ISS nach 2010 aber nicht mehr gesichert, da man in den USA ab diesem Zeitpunkt mit dem Space Shuttle die ISS nicht mehr bedienen will. Und so beschleunigt Russland nun den Bau des neuen Allround-Raumschiffes Kliper. Es soll vorbehaltlich der Finanzierung etwa im Jahr 2012 fertig sein. Russlands neuer Kosmosagentur-Chef Anatoli Perminow hat deshalb die europäische Weltraumorganisation ESA aufgefordert, sich an dem nach eigenen Angaben 350-Millionen-Dollar-Projekt zu beteiligen.

Weitere Raumfahrtnationen

Als Raumfahrtnation bezeichnet man ein Land, das in der Lage ist mit eigenen Trägerraketen eigene Satelliten in den Weltraum zu befördern. Zusätzlich werden hier Länder aufgeführt, die an Projekten eigener Trägerraketen arbeiten, jedoch bisher nicht erfolgreich waren (z.B. Brasilien).

Brasilien

Auch Brasilien versucht im Weltraum Fuß zu fassen. Bisher jedoch mit wenig Glück. 1997 stürzte die erste brasilianische Trägerrakete VLS-1 kurz nach dem Start in den Atlantik. 1999 musste eine Rakete kurz nach dem Abschuss zerstört werden und am 23. August 2003 forderte eine Explosion der Rakete VLS-1 auf dem Stützpunkt Alcântara im Bundesstaat Maranhao 21 Menschenleben. Bei einem Jahresetat von 30 Millionen US-Dollar ist selbst das Ziel, im Jahr 2006 wieder einen Satelliten aus eigener Kraft zu starten, nur schwer erreichbar, alleine die Reorganisation nach dem Unfall kostet 100 Millionen US-Dollar.

China

Seit längerem fördert die Volksrepublik China die Raumfahrt in verstärktem Maße. Am 15. Oktober 2003 hat es den ersten Taikonauten (Bezeichnung aus der englischen Presse für einen chin. Raumfahrer) mit einem Shenzhou-Raumschiff in die Erdumlaufbahn geschickt. Neben Russland und den USA ist China somit als drittes Land in der Lage, bemannte Raumflüge durchzuführen. Der Schwerpunkt des Landes liegt momentan auf der weiteren Entwicklung des Shenzhou-Programms. Geplant sind auch eine eigene Raumstation und eine unbemannte Mondlandemission bis zum Jahr 2020, der erste Start einer unbemannten Mondsonde mit dem Namen Chang'e 1 soll noch im Jahr 2006 stattfinden. Zum zweiten bemannten chinesischen Raumflug sind am 12. Oktober 2005 zwei Taikonauten vom Raumfahrtbahnhof Jiuquan in der Wüste Gobi gestartet und erfolgreich zurückgekehrt.

Europa

Europa hat mit der Ariane-Rakete eine marktbeherrschende Stellung beim Transport von kommerziellen Satelliten in den Weltraum eingenommen, nachdem zuvor in den 1960er und 1970er Jahren die Entwicklung einer eigenen Trägerrakete Europa erfolglos blieb. Nachdem die ESA in den 1980er Jahren sehr eng mit den USA zusammenarbeitete, beispielsweise mit dem Spacelab-Projekt, ergaben sich nach dem Fall des Eisernen Vorhangs auch andere Kooperationsmöglichkeiten. Erste Schritte wurden durch den Besuch von europäischen Astronauten auf der Raumstation Mir vollzogen.

Indien

Auch Indien verstärkt seine Raumfahrtaktivitäten und kann bereits auf mehrere im eigenen Land gebaute Satelliten und Trägerraketen verweisen. Den ersten erfolgreichen Satellitenstart führte Indien am 18. Juli 1980 aus. Nun ist für 2007 der Start einer eigenen Mondsonde angekündigt. Die internationale Kooperation, vor allem mit den USA, spielt dabei in der Strategie eine große Rolle, so werden bei der unbemannten Mondmission auch zwei amerikanische Instrumente eingesetzt werden. Weitere Triebfeder der Entwicklung ist der jetzige Staatspräsident Abdul Kalam. Er war früher für die Entwicklung des Raketen- und Raumfahrtprogramms des Landes zuständig und gilt neben Vikram Sarabhai als Vater der indischen Raumfahrt.

Israel

Israel führte 1988 den ersten erfolgreichen Start seiner Trägerrakete Shavit durch. Weitere Starts mit militärischen Ofeq-Satelliten als Nutzlast folgten.

Japan

In Japan werden ebenfalls eigene Trägerraketen, Satelliten und Raumsonden entwickelt. Daneben beteiligt sich Japan mit dem Kibo-Modul auch an der Internationalen Raumstation. Die sehr visionär ausgerichtete Weltraumpolitik konnte aber bisher nicht vollständig in die Praxis umgesetzt werden. Immer wieder führten Rückschläge und Finanzprobleme zu Verzögerungen, obwohl die Bevölkerung im Gegensatz zu den Europäern den Projekten aufgeschlossener gegenüber steht.

Südkorea

Seit 2002 plante Südkorea auf der Basis der eigenständig entwickelten Höhenforschungsrakete KSR eine eigene Trägerrakete mit der Bezeichnung „KSLV-I“ zu bauen, um kleine bis zu 100 Kilogramm wiegende Satelliten in den Weltraum transportieren zu können. Doch schon bald entschied die südkoreanische Regierung, dass Südkorea bis 2015 zu den zehn führenden Raumfahrtnationen gehören soll. Um die ehrgeizigen Pläne zu verwirklichen, war das ursprüngliche KSLV-Programm zu limitiert. Daraufhin wurde Ende 2004 das russische Unternehmen „Khrunichev“ mit der Entwicklung der ersten Stufe des KSLV-I beautragt, die nun auf der weitaus größeren Angara basieren soll. Der erste Start der KSLV-I soll Ende 2007 von der auf der Insel Oenaro entstehenden Startanlage erfolgen. Südkorea will die Entwicklung weiterführen, um dann die stärkeren Nachfolgemodelle „KSLV-2“ und „KSLV-3“ zu bauen. Außerdem wird ein neues Weltraumzentrum gebaut, im Jahr 2007 ist der Flug eines südkoreanischen Astronauten zur ISS geplant.

Nichtstaatliche Raumfahrt

Am 21. Juni 2004 erreichte mit SpaceShipOne zum ersten mal ein ausschließlich von nichtstaatlichen Organisationen finanzierter bemannter Flugkörper die als Grenze zum Weltraum definierte Höhe von 100 Kilometern, ohne jedoch eine Erdumlaufbahn zu erreichen. Im Juli 2005 gründete der Entwickler Burt Rutan eine eigene private Raumfahrtorganisation.

Zukünftige Entwicklung

Technische Aspekte

Grundlagenforschung und die allgemeine technische Innovation produzieren immer neue Materialien oder Verfahren, auf der auch neue Konzepte beruhen. Kombinierte Luft- und Raumfahrzeuge oder der Weltraumlift sollen künftig die Startkosten weiter senken und der Raumfahrt zum wirtschaftlichen Erfolg verhelfen. Andere Techniken wie Ionentriebwerke, Lichtbogentriebwerk oder Sonnensegel sollen es ermöglichen, schnell den interplanetaren Raum zu erreichen und eines Tages vielleicht sogar in andere Sonnensysteme vorzustoßen.

Ökonomische Aspekte

Privatisierung

Große Erwartungen setzen Unternehmen der Raumfahrtindustrie in Entwicklungen wie den Weltraumtourismus und andere Privatisierungsversuche. Größere Umsätze aus dem Weltraumtourismus sind auf Grund der Entwicklungen in den letzten fünf Jahren wahrscheinlicher geworden. Dazu beigetragen haben vor allem die Flüge von Weltraumtouristen zur Internationalen Raumstation und des Ansari X-Prize, der von einem US-amerikanischen Unternehmen gewonnen wurde. Ab dem Jahr 2008 sollen von der Firma Space Adventures Oribitalflüge für 200.000 US-Dollar angeboten werden.

Hohe Kosten der bemannten Raumfahrt

Um Astronauten sicher in den Weltraum und wieder zurück zu transportieren, sind teure Sicherheits- und Lebenserhaltungssysteme notwendig. Aus diesem Grund streiten Raumfahrtexperten, ob der Schwerpunkt der weiteren Entwicklung - zumindest bei wissenschaftlichen Missionen - nicht eher auf unbemannte Systeme verlegt werden sollte. Auf der anderen Seite müssen bei unbemannten wissenschaftlichen Missionen die Experimente mit weit höherem Aufwand gegen eventuelle Fehler abgesichert oder auf unerwartete Ergebnisse vorbereitet werden als bei bemannten Missionen, da hier der Astronaut eingreifen kann.

Weitere Fernziele

Neben der Definition einer allgemeinen philosophischen Begründung definieren Wissenschaftler, Politiker und Philosophen Fernziele für zukünftige Raumfahrtaktivitäten. Solche Fernziele sind: Energiegewinnung im Weltraum, Rohstoffgewinnung außerhalb der Erde und die Kolonisierung anderer Planeten. Die Suche nach Leben außerhalb der Erde (siehe Exobiologie) rückte in den letzten Jahren immer mehr in den Fokus der Argumentationen.

Weiterführende Begriffe

- Allgemeine Begriffe: Bemannte Raumfahrt – Raumfähre – Raumfahrer – Raumflugzeug – Raumstation – Raumschiff – Satellit – Raumsonde – Rakete – Weltraumschrott
- Wichtige Raumfahrtprogramme/projekte: Apollo-Projekt – Ariane – Bemannter Marsflug – Cassini-Huygens – Galileo-Raumsonde – Gemini-Projekt – Hubble-Weltraumteleskop – Internationale Raumstation – Luna Mission – Mariner – Mars Exploration Rover: Spirit, Opportunity – Mars Express – Mars Global Surveyor – Mercury-Programm – Mars Pathfinder – Pioneer – Raumstation Mir – Sojus – Space Shuttle – SpaceShipOne – Sputnik – Surveyor – Venera-Mission – Viking – Voyager 1 – Voyager 2
- Wichtige Ereignisse: Katastrophen der Raumfahrt – Wettlauf ins All – Sputnik-Schock – Technik & Bahn der ersten Sputniks – Mondlandung
- Listen: Liste der Raketentypen – Liste der unbemannten Raumfahrtmissionen – Liste der bemannten Raumfahrtmissionen – Weltraumbahnhöfe
- Portal Astronomie & Raumfahrt

Raumfahrt-Agenturen

- Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
- Europäische Raumfahrtagentur (ESA)
- Europäischer Weltraumrat
- Französische Raumfahrtbehörde (CNES)
- Israelische Raumfahrtbehörde (ISA)
- Italienische Raumfahrtbehörde (ASI)
- Russische Luft- und Raumfahrtagentur (Roskosmos)
- Ukrainische Raumfahrtbehörde (NSAU)
- US-Raumfahrtagentur (NASA)
- Brasilianische Weltraumbehörde (INPE)
- Chinesische Raumfahrtagentur (CNSA)
- Indische Weltraumbehörde (ISRO)
- Japanische Weltraumagentur (JAXA)

Weblinks

- [http://www.wissenschaft.ag/Raumfahrt.php4 Täglicher Raumfahrt-Newsletter mit Presseschau] der Bremer AG Wissenschaft
- [http://www.deutsches-museum.de/ausstell/dauer/raum/raumf.htm Deutsches Museum], Raumfahrt- und Raketentechnik
- [http://www.raumfahrtgeschichte.de Raumfahrtgeschichte]
- [http://www.raumfahrer.net Raumfahrt-Nachrichten und -Artikel]
- [http://www.heise.de/tp/deutsch/special/raum/default.html Telepolis Weltraum]
- [http://www.hyaden.de Astronomie und Raumfahrt für Kinder]
- [http://www.cenap.alien.de/ CENAP]
- [http://www.astronautix.com/ Encyclopedia Astronautica] (engl.)
- [http://www.russianspaceweb.com/ Russische Raumfahrt] (engl.)
- [http://www.vfr.de/ Verein zur Förderung der Raumfahrt e.V.]
- [http://www.internationaleraumfahrt.de/ Internationaleraumfahrt.de]
- [http://www.raumfahrt24.de Tägliche News aus den Bereichen Raumfahrt und Astronomie] Kategorie:Raumfahrt

U-Boot

Ein U-Boot, die Kurzform für Unterseeboot (im militärischen Sprachgebrauch Uboot ohne Bindestrich), ist ein Boot, das für die Unterwasserfahrt gebaut wurde. Moderne große U-Boote, die ein Gewicht von bis zu 35.000 Tonnen haben können, werden auch U-Schiffe genannt. Der Begriff U-Boot bezeichnet speziell militärische Unterwassereinheiten. Zivile U-Boote, ob kommerziell oder für die Forschung, werden meist Tauchboote genannt. Auch die im Zweiten Weltkrieg eingesetzten U-Boote werden zur Unterscheidung gegenüber den heutigen U-Booten, die monatelang unter Wasser bleiben können, in der Fachliteratur eher als Tauchboote bezeichnet, da sie im Unterwassereinsatz eher leistungsschwach waren (zu kurze Tauchzeiten und -tiefen) und somit hauptsächlich aufgetaucht zum Einsatz kamen.

Geschichte

Der Wunsch des Menschen, länger und tiefer zu tauchen, als es die Atemluft zulässt, ist etwa genauso alt wie der Wunsch zu fliegen. Aus der Antike gibt es entsprechende Berichte von Aristoteles und Plinius dem Älteren. Selbst Alexander der Große soll bereits Tauchversuche im Mittelmeer unternommen haben. Das bekannteste und auch heute noch verbreitetste "Instrument" dafür ist ein Schnorchel in der richtigen Länge. Mit einem Schnorchel über 30 cm Länge zu tauchen ist lebensgefährlich, denn mit einem solchen würde man nur mehr seine eigene verbrauchte Luft einatmen; man spricht hier von "Pendelluft". Zudem kann ab einer Tiefe von etwa einem Meter die Atemmuskulatur den Wasserdruck nicht mehr überwinden, wodurch ein Einatmen ohne Überdruck-Luftversorgung unmöglich wird. Ebenfalls sehr alt sind Gewichtsgürtel, die es vor allem gut trainierten Tauchern (z. B. Schwamm- oder Perlentaucher) erleichterten, länger unter Wasser zu bleiben, ohne ständig gegen den Auftrieb ankämpfen zu müssen.

15. bis 18. Jahrhundert

Schnorchel Die Geschichte des technisch geprägten Tauchens begann mit dem 15. Jahrhundert. So entwarf 1405 der Nürnberger Kriegsbaumeister Konrad Kyeser in seinem Werk Bellifortis einen ersten Tauchanzug. Bereits 1515 konstruierte Leonardo da Vinci auf dem Reißbrett ein Ein-Mann-Tauchboot. Diese Ideen wurden weiter vorangetrieben, und 1604 fasste der Universitätsprofessor Magnus Pegel erstmalig in einem Buch die Grundgedanken zusammen und beschrieb darüberhinaus die technischen Voraussetzungen für den Bau eines Tauchbootes. Der niederländische Erfinder Cornelis Jacobszoon Drebbel ging schließlich als erster über die blanke Theorie hinaus und baute im Jahre 1620 das erste manövrierbare Unterwasserfahrzeug, wobei es sich um ein mit Leder überzogenes Holzruderboot handelte. Im Auftrag des Landgrafen von Hessen konstruierte 1691 der französische Physiker Denis Papin, der auch Professor an der Philipps-Universität Marburg war, ein Tauchboot, welches den anschließenden Test 1692 jedoch nicht überlebte und bei der ersten Tauchaktion zu Bruch ging. Dennoch hatte die Idee ein Unterwasserfahrzeug zu bauen inzwischen weltweit Tüftler motiviert, und führt 1772 dazu, dass im Steinhuder Meer das erste Tauchboot in Deutschland getestet wurde. Es war aus Holz und hatte die Form eines Fisches, weshalb es den Namen "Hecht" erhielt. Mit dem Boot wurde etwa 12 Minuten getaucht, während es von Segeln an der Wasseroberfläche angetrieben wurde. Der Amerikaner David Bushnell stellte1776 die "Turtle" ("Seeschildkröte") vor, eine Konstruktion aus Eisen und Eichenholz, die heute als erstes richtiges U-Boot gilt, da sie sich autark fortbewegen konnte. Ihr dienten als Antrieb zwei über Handkurbeln betriebene Schrauben, und sie wurde nicht wie alle Vorläufer durch ein Segel oder Ruderer an der Wasseroberfläche fortbewegt. 1799 beschrieb der Bergmeister Joseph von Baader eine Konstruktion für ein Zwei-Mann-U-Boot.

19. Jahrhundert

Der Amerikaner Robert Fulton entwarf 1801 das U-Boot "Nautilus". Es besaß einen Handkurbelantrieb für eine Schraube, neu hinzu kamen jedoch Ruder zur Seiten- und Tiefensteuerung sowie ein Druckluftsystem zur Versorgung der dreiköpfigen Besatzung mit Atemluft. Die "Nautilus" erregte sogar die Aufmerksamkeit Napoleons, galt aber schließlich für militärische Einsätze als zu langsam. 1850 ließ der bayerische Artillerie-Unteroffizier Wilhelm Bauer das erste von August Howaldt in Deutschland gebaute U-Boot zu Wasser, den so genannten "Brandtaucher". Da der Entwurf unter enormem Kostendruck gebaut wurde, verzichtete man sowohl auf Tauchzellen als auch auf verschiebbare Trimmgewichte. Der Tauchvorgang sollte durch das Fluten von Wasser in das Boot erfolgen. Beim ersten Tauchversuch am 1. Februar 1851 in der Kieler Innenförde verschob sich jedoch der Ballast nach achtern, wobei das geflutete Wasser ebenfalls ins Heck floss. Das Boot sackte daraufhin durch, und weiteres Wasser drang durch die Nähte der Außenhaut und das Einstiegsluk. Das Boot sank bis auf den Grund bei ca. 20 Metern Wassertiefe. Die dreiköpfige Besatzung, unter ihnen Wilhelm Bauer, wartete, bis der Innendruck so groß war wie der Außendruck, öffnete das Einstiegsluk und trieb an die Oberfläche, wo sie gerettet wurde. Der verunglückte "Brandtaucher" wurde erst im Jahr 1887 geborgen. Nach verschiedenen Museums-Stationen hat das älteste erhaltene Tauchboot der Welt nun seine Heimat im Militärhistorischen Museum der Bundeswehr in Dresden gefunden. Eine Kopie des Modells steht im Deutschen Museum für Technik in München. Deutschen Museum Mit dem ausgehenden 19. Jahrhundert beschleunigte sich die Weiterentwicklung von Tauchbooten auf Grund neuer technischer Errungenschaften zunehmend. So ließ am 2. Oktober 1864 Narcís Monturiol mit der Ictineo II das erste U-Boot mit einem maschinellen Antrieb zu Wasser. Das Boot bestand aus Holz - verstärkt durch Kupferzargen - und war außerdem komplett mit ca. 2 mm dicken Kupferplatten beschlagen. Es wurde durch einen Motor angetrieben, der Magnesiumperoxid, Zink und Kaliumchlorat verarbeitete. Um die Stabilität der Tauchboote zu erhöhen und um außerdem größere Tauchtiefen zu erzielen, ging man nun allgemein dazu über, den Rumpf der Tauchboote aus Metall zu bauen bzw. einen Holzrumpf durch Metallplatten zu verstärken. Während des amerikanischen Bürgerkrieges wurden 1864 mehrere handgetriebene U-Boote gebaut, u. a. die C.S.S. H. L. Hunley. Am 17. Februar 1864 versenkte diese das gegnerische Schiff U.S.S Housatonic und gilt somit als erstes U-Boot der Welt, das ein anderes Schiff zerstört hat. Bei dieser Aktion ging das U-Boot allerdings mitsamt seiner neunköpfigen Besatzung verloren. Erst am 4. Mai 1995 wurde die C.S.S. Hunley gefunden und geborgen. 1889 veranstaltete das amerikanische Marinedepartement einen Konstrukteurswettbewerb für U-Boote. Als Vorgaben wurden folgende Werte verlangt:
- Geschwindigkeit über Wasser: 15 Knoten
- Geschwindigkeit unter Wasser: 8 Knoten
- Tauchtiefe: ca. 45m (150 foot)
- ununterbrochene Betriebsdauer: 30 Stunden Als einziger Entwurf erfüllte das von dem Ingenieur John Philip Holland (1883 - 1924) gebaute Modell die gestellten Bedingungen, so dass es auch bald gebaut und erprobt werden konnte. In der Erprobung zeigte es jedoch noch zahlreiche Schwächen, so dass John P. Holland es ständig weiter verbesserte. Das siebente Modell erreichte dann endlich die Praxisreife. Nach seinem Konstrukteur wurde es Hollandboot genannt. Im Gegensatz zum ersten Modell, das noch mit reinem Dampfantrieb versehen war, besass es einen kombinierten Antrieb, für die Oberwasserfahrt Verbrennungsmotoren und unter Wasser Elektromotoren. Es war 15 Meter lang, der Maximaldurchmesser betrug 3 Meter. Die Höchstgeschwindigkeit über Wasser betrug 15 Knoten, unter Wasser 8 Knoten. Neben den USA war Frankreich um diese Zeit im U-Boot-Bau sehr erfolgreich. Der französische Ingenieur Gustave Zédé konstruierte 1888 das erste funktionstüchtige französische U-Boot "Gymnote". Es war 18 Metern lang, 1,80 Meter breit und wurde durch Elektromotoren angetrieben. Dies war dann auch der Schwachpunkt des U-Bootes, weil es so nur eine Geschwindigkeit von 2 Knoten erreichte. Nach dem Muster des "Gymnote" wurde dann ein zweites, grösseres und etwas schnelleres U-Boot gebaut, das nach dem ersten Konstrukteur "Gustave Zédé" genannt wurde. Aber auch hier war die durch die Elektromotoren erzielte Reichweite und Geschwindigkeit noch zu gering, so dass man beim nächsten U-Boot, dem "Narval", zu einem kombinierten Antrieb überging. Über Wasser wurde der "Narval" ganz konventionell mit Dampfkraft angetrieben und unter Wasser weiterhin mit Elektromotoren. Zur Erzielung grösserer Reichweiten trieb bei Überwasserfahrten die Dampfmaschine nicht nur die Schiffsschraube an, sondern auch einen Dynamo, der dann wiederum Akkumulatoren für die Unterwasserfahrt zumindest teilweise wieder auflud. Der Antrieb mittels Dampfkraft brachte es auch mit sich, dass der "Narval" einen kleinen Schornstein besass, der beim Tauchen umgeklappt und wasserdicht verschlossen wurde; ein kleines Kuriosum, das leider auch die Zeit zum Untertauchen sehr verlängerte. Die erzielte Reichweite betrug immerhin über Wasser schon etwa 200 Seemeilen, die Geschwindigkeit unter Wasser 6 Knoten. Der "Narval" benutzte auch als erstes U-Boot ein Periskop. 1901 wurde dann ein noch weiter verbessertes U-Boot, der "Morse", im Hafen von Cherbourg eingeweiht. Das U-Boot war 36 Meter lang, hatte einen Durchmesser von 2,70 Meter und eine Wasserverdrängung von 146 Bruttoregistertonnen. Zum Untertauchen benötigte es ca. 2 Minuten.

1900–1930 Erster Weltkrieg

Spätestens mit dem Einsatz der Hunley 1864 war das Interesse der Militärs geweckt. In den folgenden Jahrzehnten, insbesondere während der beiden Weltkriege, trieb daher vor allem das Militär die Entwicklung voran. Im Artikel U-Boot-Krieg finden sich dazu weitere interessante Informationen. U-Boot-Krieg U-Boot-Krieg Im Jahre 1902 wurde schließlich in Deutschland der Prototyp eines 200-Tonnen schweren Experimental-U-Boots namens Forelle gebaut und ausführlich getestet. Das kleine U-Boot stellte sich als durchaus interessant und kriegstauglich heraus, und drei weitere Boote der gleichen Klasse wurden für den Export nach Russland angefertigt. Nun wurde in Deutschland über den Einsatz militärischer U-Boote nachgedacht, und schließlich erteilte nach langem Zögern am 4. April 1904 das Reichsmarineamt dem Marineingenieur Gustav Berling den Auftrag, ein U-Boot für den Seekrieg zu entwerfen und zu bauen. Berling wandte sich daraufhin an die Germaniawerft in Kiel. Sein Entwurf lehnte sich an die drei zuvor nach Russland exportierten U-Boote an. Da es allerdings einige bedeutsame Änderungen gab, verzögerte sich die Auslieferung des U-Boots, und so wurde erst im April 1905 mit dem Bau begonnen. Die wesentlichen Neuerungen betrafen hauptsächlich den Druckkörper, die horizontale Anordnung der Torpedorohre sowie den Antrieb, da man anstatt eines gefährlichen Benzinmotors einen Petroleumantrieb einsetzen wollte, der aber noch nicht fertig war. Schließlich wurde am 14. Dezember 1906 nach mehreren Testfahrten das erste deutsche Militär-U-Boot von der Kaiserlichen Deutschen Marine als U1 in Dienst gestellt. Heute befindet sich U 1 im Deutschen Museum in München. Mit Beginn des Ersten Weltkriegs (1914-1918) wurden U-Boote erstmals in größerem Umfang zu Handels- (Handels-U-Boot) oder Kriegszwecken eingesetzt, und zwar vor allem bei der Kaiserlichen Deutschen Marine, aber auch bei der britischen. Zahlreiche Schiffe wurden durch U-Boot-Angriffe versenkt. Das erste per Torpedo-Schuss versenkte Schiff war die HMS Pathfinder, die durch das deutsche U-Boot U 21 abgeschossen wurde. Besonders spektakulär war die Versenkung des zum Munitionstransporter umgebauten britischen Passagierdampfers Lusitania am 7. Mai 1915 durch U 20 unter Kommando von Kapitänleutnant Walther Schwieger. Die zahlreichen amerikanischen Opfer gelten als ein Grund für den Kriegseintritt der USA 1917. Nach Ende des Ersten Weltkrieges verlangsamte sich die Entwicklung militärischer U-Boote, die als zu teuer und zu wirkungsschwach galten. Doch neue Technik ermöglichte schließlich längere Tauchfahrten, und 1930 lebte die Entwicklung wieder auf.

1930–1945 Zweiter Weltkrieg

1917 - der häufigste Typ im 2. Weltkrieg]] Erst im Zweiten Weltkrieg (1939-1945) konnten sich die U-Boote als überzeugende und wirksame Waffe beweisen (näheres dazu im Artikel U-Boot-Krieg).
Obwohl mehrere der kriegführenden Nationen über U-Boote verfügten, wurde der 2. Weltkrieg nicht unwesentlich durch die Geschichte der deutschen U-Boote geprägt. Das lag hauptsächlich daran, dass die deutsche Überwasseraufrüstung (dazu gehörten auch Uboote) nach Ende des 1. Weltkrieges durch den Versailler Vertrag Einschränkungen unterworfen war. Bereits Anfang der 1930er Jahre wurden allerdings U-Boote nach deutschen Plänen z. B. in Spanien und anderen Ländern gebaut und wurden dann, in den meisten Fällen, zunächst offiziell diesen Nationen übergeben. Tatsächlich wurden dort die U-Boote zur Ausbildung deutscher Mannschaften oder zur Erprobung durch deutsche U-Boot-Kommandanten genutzt. Als ab 1935 der Versailler Vertrag seitens Deutschland unerlaubterweise faktisch aufgekündigt wurde, wurden auch etwas ungenierter größere Schiffe (Schlachtschiffe) mit besserer Bewaffnung gebaut, oder es wurde die Bewaffnung der in Dienst befindlichen Schiffe, durch Veränderung der Geschützlängen oder Kaliber, verstärkt.
Die U-Boot-Waffe musste hier, ähnlich wie die Luftwaffe, die wiederum in Russland mit russischen Einheiten geheime Erprobungsmissionen/Testflüge durchführte, im Verborgenen operieren und aufrüsten, da U-Boote, laut diesem Vertrag, eigentlich gar nicht hätten in Dienst gestellt werden dürfen. Zu Kriegsbeginn 1939 sahen sich die Deutschen, trotz forcierter Aufrüstung ab 1935, im Besitz einer relativ kleinen Flotte, verglichen mit z.B. den englischen oder amerikanischen Seestreitkräften. Die U-Boot-Führung sah ihre Aufgabe anfangs darin, mit den vergleichsweise kostengünstig herzustellenden U-Booten maximale Versenkungserfolge zu erzielen, während hingegen die Seekriegsleitung die U-Boote zunächst nicht als kriegsentscheidende Waffengattung ansah, sondern als Waffe, die die schweren Übersee-Einheiten unterstützen könnte. Zur Verfolgung von Überwasserstreitkräften fehlte den U-Booten wie schon im Ersten Weltkrieg die nötige Geschwindigkeit. Insbesondere unter Wasser war diese zusätzlich stark herabgesetzt, da hier einerseits mit batteriegespeistem Elektroantrieb operiert wurde und andererseits die damaligen U-Boote noch nicht hydrodynamischen Gesichtspunkten nach zur optimalen Tauchfahrt konstruiert wurden. Langsam fahrende Konvois konnten zwar (aufgetaucht - unter Nutzung des Dieselantriebs) überholt werden, um so eine optimalen Schussposition einzunehmen, doch diese Manöver dauerten manchmal Tage. Nach den anfänglichen Erfolgen der deutschen U-Boote spürte die britische Wirtschaft bald die Auswirkungen der vielen tausend Tonnen versenkten Schiffsraumes und es wurden umfangreiche Gegenmaßnahmen, zum einen taktischer/logistischer Art als auch rein technischer eingeleitet. Tauchfahrt (Schleswig-Holstein)]] Dies führt dazu, daß fortan Handelsschiffe nur noch bei technischen Problemen oder Unterschreiten einer Mindestgeschwindigkeit alleine fahren durften, ansonsten mussten sie sich zu von Kriegsschiffen eskortierten Konvois mit später sogar über 100 Schiffen zusammenschließen. Weiterhin wurden zu den (anfangs wenigen) vorhandenen Sicherungskräften (vor allem Zerstörer und Korvetten), im späteren Kriegsverlauf (vor allem nach dem offiziellen Kriegseintritt der USA) so genannte Eskort-Gruppen (Escort Groups) zum Schutz der Konvois gebildet. Darüber hinaus wurden Flugzeugträger und andere schwere Überwassereinheiten (z.B. Kreuzer) solchen Gruppen zugeteilt, die dann teilweise auch als "Hunter-Killer Group" freie Jagd auf einzelne U-Boote machten, oder die Aufgabe hatten, ganze Rudel von einem Konvoi abz