Kategorie:Brainstorm zur Steuerung von Tauchvorgängen

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Problemstellung

Wie kann ein U-Boot tauchen ? und zwar

  • spontan
  • effizient
  • energiesparend
  • beliebig oft
  • mit einem reversiblen Prozess
  • ohne die Umwelt zu schädigen

Statisches Tauchen

Die Dichte des Gefährts wird verändert, indem Wasser aktiv ins Innere und (mit Druckluft) wieder hinaus gepumpt wird.

Dynamisches Tauchen

Das Gefährt hat eine geringfügig kleinere Dichte als Wasser, sodass es von selbst immer wieder auftauchen würde. Über einen Antrieb (Propeller) hält sich das Boot aktiv unter Wasser.

Gas-Batterie

"Brause-Expansion"

Die Reaktion von gasbildenden Chemikalien wird genutzt, um den zum Aufstieg nötigen Überdruck herzustellen.

CO2

Die Löslichkeit von Gasen wie CO2 ist pH-abhängig. Da CO2 eine Säure ist, wird es bei pH-Erniedrigung als Gas aus der Lösung ausgetrieben.

Chinone, Flavine, etc.

Biologische Redox-Faktoren verändern bei Elektrolyse den pH-Wert der Gasbatterie-Lösung.

Hämoglobin

Hämoglobin bindet pH-Abhängig. Im Muskel ist der pH wegen der Lactose niedriger. Hier müsste die Affinität für O2 niedriger, für CO2 höher sein. In der Lunge umgekehrt. Durch pH-Veränderung könnte wiederum Gas aus der Lösung ausgetrieben werden.

Entsalzungsverdampfung

Wasser mit Salz siedet bei höheren Temperaturen. Eine flüchtige Flüssigkeit kann durch Salz verflüssigt werden und dann reversibel verdampft werden, wenn das Salz durch Elektrolyse entzogen wird. Das System müsste präzise auf den Phasenübergang eingestellt sein.

Verdampfung

Durch Verdampfung einer leichtflüchtigen Flüssigkeit (z.B. Ethanol) könnte Gas wärmeabhängig produziert und zurückgewonnen werden, z.B. mit einem Peltier-Element.

Wärmeexpansion

Erwärmte Körper dehnen sich aus. Ich halte den Effekt ehrlichgesagt für zu gering, aber er sei der Vollständigkeit halber erwähnt.

Osmotische Regulation

  1. Salz durch Elektrolyse produzieren, zieht Wasser aus Nebenkammer, Volumenreduktion treibt CO2 aus
  2. Wasser aus dem See wird osmotisch eingesaugt

Entwurf

Zwei Kammern:

  • Reduktionskammer:

\[Chinon + 2\cdot H^+ + 2\cdot e^- \longrightarrow Hydrochinon\]

Kammer wird basischer, Hämoglobin gibt \(CO_2\) frei
  • Oxidationskammer:

\[Hydrochinon \longrightarrow Chinon + 2\cdot H^+ + 2\cdot e^-\]

Kammer wird saurer, Hämoglobin setzt \(O_2\) frei bzw. \(CO_2\) wird unlöslich und ausgetrieben

Probleme:

  • das geht so nicht, weil die Kammern einer Zelle verbunden sind und der pH-Wert sich ausgleichen muss (Elektronenfluss verbunden mit Protonenfluss)
  • die Freisetzung von Gasblasen bringt Hämoglobin-Moleküle zur Denaturierung (geht was mit Formaldehyd-Fixierung/Stabilisierung oder so?)

verbesserter Entwurf

Kontrolle der \(CO_2\)-Löslichkeit über den pH-Wert. Ansäuerung: Austrieb, Alkalisierung: Lösen

  • 2 Kammern mit gleichem pH-Wert (Protonenfluss gewährleistet), dazwischen eine Membran, um pH-Kontrollstoff-Vermischung zu verhindern
  • Reduktionskammer: Stoff, der bei Reduktion saurer wird / die Lösung ansäuert ?
    • Scheint es nicht trivial zu geben.
    • Vielleicht ein Ion, das in bestimmter Oxidationsstufe lieber \(OH^-\)-Ionen komplexiert als \(H_2O\)-Moleküle oder so.
    • Ansonten einfach was pH-neutrales verwenden.
  • Oxidationskammer: Stoff, der bei Oxidation saurer wird / die Lösung ansäuert:
    • gibt's viele
    • z.B. Hydrochinon, etc.
    • auch viele Metalle, siehe <ref>Handbook of Chemistry and Physics. 56th Edition, 1975-1976. CRC Press. ELECTROCHEMICAL SERIES - TABLE I, D-142</ref>

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