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Experiment zur Spaltung des Wassermoleküls
Wassermoleküle ohne externes elektrisches Feld
Wassermoleküle im elektrischen Feld
Hochspannungs-Impuls-Elektrolyse
Es gibt Theorien, die besagen daß es möglich ist, Wassermoleküle durch elektrische Feldkräfte zu zerreißen. Dieses Verfahren hat nur auf den ersten Blick Ähnlichkeit mit der herkömmlichen Elektrolyse in der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird. In der normalen Elektrolyse wird das Wasser durch Ionentransport und -trennung in neutrale Gase, Wasserstoff und Sauerstoff, zerlegt. Bei der Wasserspaltung soll das polare Wassermolekül durch ein starkes elektrisches Feld mit hoher Anstiegsgeschwindigkeit zerrissen werden. Weiterführende Informationen über dieses experimentelle Verfahren können durch das Portal www.wasserauto.de bezogen werden.
Die Theorie, sowie die Beschreibungen dieses Verfahrens zeigen überaus interessante Möglichkeiten für die Energiegewinnung auf. Jedoch ist bisher noch nicht eindeutig nachgewiesen, daß diese Theorie stimmt, bzw. das Verfahren auch wirklich funktioniert. Dieses Thema kommt aus dem Bereich der "freien Energie", gehört zu den sogenannten Grenzwissenschaften und kann gemäß der Ansichten der etablierten Wissenschaft nicht funktionieren. Nun, bevor man's ausprobiert hat, kann man's derzeit nicht sicher wissen.
Die große Besonderheit, die von der Wasserspaltung beschrieben wird, ist der "Over-unity-Effekt", d.h. die Energieumsetzung mit dieser Methode habe einen Wirkungsgrad (Verhältnis von eingesetzter zu gewonnener Energie) von >1, was bedeuten würde, daß man mit diesem Verfahren mehr Energie gewinnt, als man einsetzt. Es wäre eben eine Quelle von "freier Energie".
Es behaupte(te)n bisher zwei Leute, ein Auto mit diesem Verfahren anzutreiben, bzw. angetrieben zu haben. Diese Leute sind: Stanley Meyer, der inzwischen eines mysteriösen Todes gestorben ist und Daniel Dingel, der immer noch versucht, sein Auto an den Mann zu bringen. Was deren Aussagen äußerst interessant macht ist, daß es auf diese Weise angeblich möglich ist, mit einer sehr geringen elektrischen Eingangsleistung eine sehr große Ausgangsleistung zu bekommen. Daniel Dingel betreibe seinen "Wasserreaktor" mit einer Eingangsleistung von 36W, wobei die gewonnene Energie ausreichen solle, seinen Toyota Corolla zu betreiben. Daher auch die Bezeichnung "Wasserauto". Wenn dieses Verfahren funktionieren würde, würde es zweifellos die Energieprobleme der Menschheit lösen.
Hoffen wir mal, daß ich nicht eines Tages Besuch von Herren mit schwarzen Anzügen und Sonnenbrillen bekomme, die mir ein Angebot unterbreiten, "das man nicht ablehnen kann". Nein, nein ... Ich bin überhaupt nicht paranoid!
Auch wenn der Erfolg dieses Experiments höchst fraglich ist, so soll es angesichts der phantastischen Möglichkeiten, die sich eröffnen würden, trotzdem durchgeführt werden. Der Versuch, den ich weiter unten auf dieser Seite beschreiben werde, lehnt sich zwar an Meyers und Dingels Theorien an, soll aber auf eine andere Art und Weise arbeiten. Zunächst jedoch etwas Theorie...
Bevor mit der Versuchsbeschreibung begonnen wird, sollen zuerst die theoretischen Hintergründe beschrieben werden, damit der geneigte Leser hier auch mitbekommt, worum es hier überhaupt geht, und warum der Versuch genau so durchgeführt wird, und nicht anders.
Herkömmliche Elektrolyse ( < zurück zu Hauptüberschrift / Übersicht )
Bei der Elektrolyse von Wasser, so wie sie wohl jeder noch aus dem Chemieunterricht kennt, wird Wasser durch Stromfluß in Wasserstoff H2 und Sauerstoff O2 zerlegt.
althergebrachte Elektrolyse
Reaktionsgleichungen:
Pluspol (Anode): 2 H2O > O2 + 4 H+ + 4 e-
Minuspol (Kathode): 2 H2O + 2 e- > H2 + 2 OH-
Bei der Elektrolyse von Wasser werden die Wassermoleküle durch elektrischen Stromfluß getrennt. Für dieses Verfahren muß das Wasser Ionen enthalten, es muß also elektrisch leitfähig sein. Um dies zu erreichen, muß ein Elektrolyt im Wasser gelöst werden. Der Stromfluß funktioniert hier nicht, wie in einem metallischen Leiter durch den Transport von freien Elektronen im Ladungsträger, sondern durch Ionenwanderung. Die elektrisch geladenen Atome tragen also die Ladungsquanten durch das Wasser. Würde man die Elektrolyse mit Wechselstrom versuchen, so würde sie nicht funktionieren, da die Ionen dann nur hin und her zappeln und nicht die Elektroden erreichen.
Im einfachsten Versuch wird dafür Kochsalz NaCl im Wasser gelöst. Durch diesen Zusatz wird das Wasser elektrisch leitfähig und es können Ionentransporte stattfinden. Wäre das Wasser chemisch rein, würde es fast keine Ionen (geladene Atome) enthalten, und es würde nahezu kein Strom fließen => die Elektrolyse könnte nicht funktionieren. In der Technik wird als ionenbildender Elektrolyt übrigens kein Kochsalz verwendet, da dieses durch den Stromfluß ebenfalls in seine Elemente zerlegt werden würde, es würde also giftiges Chlorgas Cl2 gebildet werden, das zusammen mit dem Sauerstoff O2 an der positiven Elektrode aus dem Versuchsgefäß austreten würde. Das Natrium im Kochsalz verbindet sich mit dem Wasser zu Natronlauge NaOH. In der Technik verwendet man als Elektrolyt Kalilauge KOH oder Schwefelsäure H2SO4. Bei diesen Stoffen ist es so, daß die freigesetzten Ionen (Lauge, Säure) sofort wieder mit dem Wasser reagieren und so im Gefäß bleiben.
Das elektrische Feld im Wasser übt eine elektrische Anziehungskraft auf die Ionen aus, wodurch diese zu den entsprechend entgegengesetzten Elektroden gezogen werden. Die frei im Wasser umherdümpelnden, positiv geladenen Wasserstoffionen H+ zieht es zur negativen Elektrode hin. Berühren sie diese, bekommen sie jeweils ein Elektron aus der speisenden Gleichspannungsquelle und sie werden zu neutralen Wasserstoffatomen |H|. Findet ein solches Atom ein anderes Wasserstoffatom, verbinden sich beide zu molekularem Wasserstoff H2 , der dann als Endprodukt dieser Reaktion aus dem Versuchsgefäß austritt. Die negativ geladenen Hydroxid-Ionen OH- bewegen sich durch das elektrische Feld zur positiven Elektrode hin. Bei Berührung entsteht freier Sauerstoff |O| und ein positives Wasserstoffion H+, das dann wegen seiner Ladung zur negativen Elektrode hingezogen wird. Wie der Wasserstoff auch, sucht sich auch der neutrale Sauerstoff einen weiteren Bindungspartner |O|, um sich mit diesem zu verbinden und dann als molekularer Sauerstoff O2 das Versuchsgefäß zu verlassen.
Der entstehende Wasserstoff ist in Bezug auf Energiegehalt pro Gewichtseinheit übrigens der leistungsstärkste, chemische Energieträger überhaupt. Unter Anderem deshalb wird dem Wasserstoff als Energiespeicher eine große Zukunft in technischen Anwendungen prophezeiht.
Diese Beschreibung mag chemisch nicht 100%ig korrekt, bzw. vollständig sein, aber ich denke, daß der Verlauf der Elektrolysereaktion hiermit ausreichend genau beschrieben ist. Sofern jemand einen inhaltlichen Fehler findet, darf er mir gerne eine Email schreiben um die Sache zu korrigieren. Verbesserungsvorschläge sind auch willkommen.
Wassermoleküle ohne externes elektrisches Feld ( < zurück zu Hauptüberschrift / Übersicht )
Bevor auf das Verfahren zur Wasserspaltung eingegangen wird, soll zunächst noch etwas über das Wassermolekül an sich erzählt werden.
Wassermolekül
Durch die unterschiedlichen Elektronegativitäten von Wasserstoff und Sauerstoff liegen sich die Wasserstoffatome nicht genau gegenüber. Deswegen heben sich die elektrischen Felder der gebundenen Wasserstoff- und Sauerstoffionen nicht auf. Es existiert ein elektrisches Feld über dem Wassermolekül, deswegen ist es polar. An der Seite an der sich die Wasserstoffionen befinden, hat das Wassermolekül einen positiven Pol, auf der anderen Seite hat es einen negativen Pol. Wegen dieser Polarität ist das Wasser in der Lage, Stoffe zu lösen, die aus einer Ionenbindung (z.B. Salze) bestehen.
Der Bindungswinkel zwischen den Wasserstoffionen, die am Sauerstoff "kleben", beträgt übrigens ca. 104°.
Cluster aus Wassermolekülen
In flüssigem Wasser kleben die Wassermoleküle durch elektrostatische Bindungskräfte aneinander. Diese Bindungen bezeichnet man auch als "Wasserstoffbrücken" oder als "Van der Waals"-Bindungen. Gleichnamige Pole ziehen stoßen sich ab, während sich Pole entgegengesetzter Polarität anziehen. Nur wegen dieser Wasserstoffbrücken ist Wasser, trotz der winzigen Molekülgröße, bei Zimmertemperatur überhaupt flüssig, außerdem erhält es durch sie seine große Oberflächenspannung. Weitere Infos dazu gibt's auf der Physikseite von wasser.de. Diese Klumpen aus Wassermolekülen werden übrigens als "Cluster" bezeichnet. In dieser Clusterkonstruktion ist im Mittel jedes Wassermolekül von 6 anderen Wassermolekülen umgeben. In diesen Clustern zeigen die Wassermoleküle in alle möglichen Richtungen, also heben sich die elektrischen Felder der Wassermoleküle gegenseitig auf. Es gibt deshalb kein großräumiges elektrisches Feld in einem Glas Wasser. ;)
Obige Zeichnung soll übrigens nur das grundlegende Verhalten der Wassermoleküle aufzeigen, es handelt sich nur um eine Pi*Daumen-Zeichnung. Die Winkel zwischen den Atomen und Molekülen sind daher nicht absolut korrekt dargestellt.
Wassermoleküle im elektrischen Feld ( < zurück zu Hauptüberschrift / Übersicht )
Wird nun ein Wassermolekül einem externen elektrischen Feld (von einer Spannungsquelle) ausgesetzt, so wird es sich nach diesem Feld ausrichten.
Wassermolekül im elektrischen Gleichfeld
Die Spannungsquelle erzeugt, so wie sie hier an die Elektroden angeschlossen ist, ein elektrisches Feld E um das Wassermolekül herum. Das Wassermolekül hat aufgrund seiner Polarität selber ein elektrisches Feld, also richtet es sich gemäß dieses elektrischen Feldes aus. Man kann sich das vorstellen, wie eine Kompaßnadel, die sich nach einem magnetischen Feld ausrichtet. Das positive "Ende" des Moleküls mit den Wasserstoffatomen zeigt zur negativen Elektrode (Kathode) hin, und das Sauerstoffatom, das den negativen Pol des Moleküls darstellt, zeigt in Richtung der Anode. Das Wassermolekül hat zwar sehr wohl ein elektrisches Feld, ist aber nicht ionisiert, also elektrisch neutral. Wegen der elektrischen Neutralität des Wassermoleküls besitzt dieses keine Ladung und wird sich nicht zu einer Elektrode hin bewegen. Es bleibt also an Ort und Stelle, auch wird es nicht elektrolysiert.
Wasser im elektrischen Feld
Die Wassermoleküle richten sich nach dem elektrischen Feld E aus und die Cluster aus Wassermolekülen verbiegen sich. Sobald das externe elektrische Feld abgeschaltet wird, ordnen sich die Wassermoleküle wieder, wie im vorigen Kapitel beschrieben, von selbst zu den Clustern an. Um die Wasserstoffbrückenbindungen solcherart zu verbiegen und die Wassermoleküle mechanisch zu drehen, ist Energie erforderlich, die in der Anordnung der Wassermoleküle gespeichert ist. Durch seinen Dipolcharakter wirkt das Wasser also wie das Dielektrikum eines Kondensators. Damit dieses dielektrische Verhalten des Wassers aber zum Tragen kommt, muß dieses, anders als bei der Elektrolyse, möglichst frei von Ionen sein. Um Wasser als Dielektrikum eines Kondensators verwenden zu können, muß es als Isolator fungieren und nicht als Leiter. Hochgereinigtes Wasser weist diese Eigenschaft tatsächlich auf. Weil durch diesen Effekt viel Energie in der Anordnung der Wassermoleküle gespeichert werden kann, hat Wasser eine hohe Dielektrizitätskonstante von 80. Wäre Wasser also nicht so empfindlich auf Verunreinigungen, die Ionen einbringen, wäre Wasser durchaus als Dielektrikum für technische Kondensatoren zu verwenden.
Wichtig:
Um die dielektrische Eigenschaft des Wassers zu nutzen, darf es nur sehr wenige Ionen enthalten. Ionen machen das Wasser leitfähig und stören diesen Effekt.
Bis hierher war noch alles streng auf dem Boden der Naturwissenschaft. Die weiteren Artikel beschreiben die spekulative Theorie des Wasserspaltens.
Hochspannungs-Impuls-Elektrolyse ( < zurück zu Hauptüberschrift / Übersicht )
Bei der Hochspannungs-Impuls-Elektrolyse (ab hier abgekürzt: HsIE) geht es darum, die dielektrische Eigenschaft des Wassers dazu zu nutzen, durch hohe elektrische Feldstärken mit hoher Anstiegsgeschwindigkeit, die Wassermoleküle zu zerreißen. Die elektrische Feldstärke der das Wasser ausgesetzt werden soll, soll sehr schnell ansteigen und sehr hohe Werte erreichen. Die Wassermoleküle sollen überhaupt nicht die Zeit bekommen, sich nach dem elektrischen Feld auszurichten. Die Wasserstoffionen sollen von den Sauerstoffionen durch mechanische Kraftwirkung abgerissen werden.
zeitlicher Verlauf beim Einschalten des elektrischen Feldes
Schauen wir einmal den zeitlichen Verlauf dieser Sache an:
In Bild 1 wird das Wassermolekül keinem elektrischen Feld ausgesetzt. Es nimmt irgendeine zufällige Position und Orientierung ein.
In Bild 2 wurde soeben der Strom eingeschaltet, bzw. die Elektroden wurden mit der Quelle verbunden und ein elektrisches Feld ist aufgebaut. Das Molekül hatte bis jetzt noch nicht die Zeit um irgendetwas zu tun. Das Molekül erfährt aber ein Drehmoment, das von den elektrostatischen Kräften herrührt. Es zerren bereits Kräfte am Sauerstoff- und an den Wasserstoffionen.
Zwischen den Bildern 2 und 3 verstrich so viel Zeit, wie das Molekül eben brauchte um zur Ruhe zu kommen. Während dieser Zeit drehte sich das Molekül, um sich gemäß der Richtung des elektrischen Feldes auszurichten. Es schwang eine Weile lang um seinen Schwerpunkt um die Ruhelage herum, bis es schließlich zur Ruhe kam. Aufgrund des Trägkeitsmomentes des Wassermoleküls dauerte es gewisse Zeit, bis dieser Vorgang abgeschlossen war, das Molekül mußte zuerst mal in Schwung kommen und sich dann wieder beruhigen. (Einen ähnlichen Effekt kann man beobachten, wenn man einen Dauermagneten 'schlagartig' an einen Kompaß heranführt.) Zu diesem Zeitpunkt t wirkt kein Drehmoment mehr auf das Molekül.
Je schneller die Feldstärke des extern angelegten elektrischen Feldes ansteigt, desto größer sollten die mechanischen Trägkeitskräfte werden, die an den Ionen zerren. Zusätzlich zerrt dieses E-Feld statisch an den Sauerstoff- und den Wasserstoffionen. Je größer die Feldstärke, desto größer sind diese Kräfte. Anhand dieser theoretischen Überlegungen erscheint es sinnvoll, beide Effekte zu kombinieren, also einerseits mit einer hohen Anstiegsgeschwindigkeit der elektrischen Feldstärke und andererseits mit einer möglichst hohen Feldstärke an sich zu arbeiten. Erreicht werden soll hierdurch folgendes:
zerrissenes Wassermolekül
Stimmt also diese spekulative Theorie, so sollte das Molekül durch die auftretenden Feldkräfte zerrissen werden. Das elektrische Feld zerrt an den Ionen, wobei die positiven Wasserstoffionen in Richtung der Kathode gezogen werden, während das Sauerstoffion zur Anode hin gezogen wird. Anders als bei der weiter oben beschriebenen Elektrolyse, wird das Molekül nicht durch Stromleitung per Ionentransport getrennt und es entstehen hier auch keine elektrisch neutralen Gase. Bevor die Ionen die Elektroden erreichen und dadurch ihre Ladung neutralisieren können, wird das elektrische Feld wieder abgeschaltet. Ionen wandern "langsam", daher dürfte es kein Problem darstellen, die elektrische Feldstärke schnell genug zu reduzieren.
Würde man die physikalischen Dimensionen genau genug kennen, könnte man wohl ausrechnen, ob dieser Vorgang tatsächlich stattfinden kann. Leider bin ich nicht in der glücklichen Lage dies zu tun., es fehlen mir nahezu alle Daten. Wie groß ist ein Wassermolekül? Wie genau sieht seine Form aus - mit und ohne externes E-Feld? Wie stark sind die Bindungskräfte zwischen den Ionen? Ab welcher Feldstärke wird Wasser ionisiert? Wie groß wird das Drehmoment bei gegebener Feldstärke? Was werden die ggf. freigesetzten Ionen tun? Ab welcher Ionenkonzentration lösen sich die Ionen im Wasser nicht mehr, sondern werden als Gas frei? Kann das überhaupt passieren? Einige dieser Informationen ließen sich sicher durch aufwendige Recherchen und Studien ermitteln, aber ich bin zugegebenermaßen kein Theoretiker ;-). Die Unwägbarkeiten sind also groß, aber probieren geht ja bekanntlich über studieren. Da die Wirklichkeit letzendlich durch kein Modell zu ersetzen ist, sollen eben Experimente mit "möglichst viel" Power durchgeführt werden. Aussehen soll der Versuchsaufbau etwa folgendermaßen:
Grundaufbau
Was passiert jetzt, wenn man eine richtig "ernsthafte" Spannungsquelle benutzt um das elektrische Feld im Wasser zu erzeugen? Siehe dazu die ernsthaften Geräte: Wandler und Kaskade zur Erzeugung hoher Spannung und die Funkenstrecke als Schalter. Lassen sich auf diese Art und Weise Wassermoleküle zu zerreißen? Dieser Versuchsaufbau unterscheidet sich jedenfalls grundlegend von anderen Konstruktionen zur Wasserspaltung, wie sie bisher im Internet beschrieben werden. Es soll hier auch nicht versucht werden, sklavisch irgendeinen bestehenden Aufbau zu kopieren. Vielmehr soll versucht werden, aufgrund der oben beschriebenen Theorie einen neuen Aufbau herzustellen. Bei diesem Aufbau kann an sehr vielen Parametern (Spannung, Strom, Impulsfrequenz, mechanische Konstruktion des Versuchsgefäßes, Elektrodenform, ... ) gedreht werden. Somit ist eine Grundlage für eine große Variationsbandbreite von Experimenten gelegt.
Das erste Experiment zur Überprüfung obiger Theorie wurde folgendermaßen durchgeführt. Ich möchte gleich vorausschicken, daß bei diesem Versuch nichts besonderes herauskam. Der Vollständigkeit halber möchte ich diesen Mißerfolg hier trotzdem dokumentieren.
Durchführung: ( < zurück zu Hauptüberschrift / Übersicht )
Durchgeführt wurde dieser Versuch gemäß obiger, schematischer Zeichnung "Grundaufbau". Lediglich der zusätzliche Kondensator, der in der Zeichnung parallel zur Kaskade angeschlossen ist, wurde weggelassen. Die Strompulse aus der Kaskade wurden über die ernsthafte Funkenstrecke auf zwei stabförmige Elektroden gegeben, die in einem Glas Wasser standen. Folgendes Bild zeigt das Versuchsgefäß.
Versuchsgefäß
Die beiden Elektroden, die hierfür mit etwas Knetmasse am Glas befestigt wurden, sind WIG-Schweißelektroden aus fast reinem Wolfram. Wolframelektroden habe ich deshalb verwendet, weil sie gerade passend auf der Werkbank herumlagen. So ziemlich jedes andere Metall, das sonst für elektrische Leiter verwendet wird, hätte es hier auch getan.
Für einige der Versuche wurden die Elektroden im Wasser einander bis auf ca. 1mm Abstand angenähert, wodurch unter Wasser Blitzentladungen zündeten. Ist die Feldstärke bereits so hoch, daß unter Wasser Blitze zünden, bringt eine weitere Erhöhung der Leistung auch nichts mehr, dadurch würden nur diese Blitze noch verstärkt. Allerdings waren diese Unterwasserblitze recht nett anzusehen :). Jeder von ihnen zündete mit einem deutlich hörbaren "PoCK!". Fotografieren konnte ich diese Blitze leider nicht, da die Stromversorgung (Netzgerät) nicht genügend Leistung brachte um diese so kontinuierlich durchzünden zu lassen, daß sie zu fotografieren gewesen wären. Der ernsthafte Experimentator möchte nun in der Tradition eines Dr. Frankenstein ausrufen: "Mehr Power, Igor!", aber da spielte das Netzgerät nicht mehr mit. Das Netzgerät ist bei dem Versuch auch ständig und sehr gründlich "ausgerastet". Die LED-Digitalanzeigen zeigten nur noch 8-en unterschiedlicher Helligkeit an und am Ausgang blieben weder Spannung noch Strom konstant. Es wird also Zeit, ein sehr ernsthaftes Netzgerät zu bauen! (Dieses sehr ernsthafte Netzgerät ist bereits in Planung und wird auch auf serious-technology beschrieben werden ;)
Wurden die Elektroden so weit voneinander entfernt, daß noch keine Blitze unter Wasser zündeten, stieg etwas Gas an den Elektroden auf. Diese Gasmenge war jedoch sehr gering und hätte auch mit einer Taschenlampenbatterie erzeugt werden können. Die Hochspannungs- Hochstromimpulse brachten hier also überhaupt nichts, sieht man einmal von der sehr spaßigen Knallerei der Funken ab.
Ich habe also auf sehr komplizierte und spektakuläre Art warmes Wasser und ein kleines bißchen Knallgas erzeugt. Nix war's mit Wasser spalten. :P Damit wäre bewiesen, daß die von mir oben dargelegte Theorie fehlerhaft, bzw. lückenhaft ist. Selbstverständlich heißt das nicht, daß die ganze Thematik der Wasserspaltung falsch ist. (Daß hier ja keine Mißverständnisse aufkommen!) Wenn die Wasserspaltung so einfach wäre, wie in der Rubrik "Etwas Theorie" dargestellt, wäre diese Technologie vermutlich längst eingeführt und Stand der Technik. Entweder ist die Physik dahinter einfach nur komplizierter als (von mir) gedacht, oder es handelt sich hierbei wirklich nur um ein nettes Gedankenexperiment, das eben nicht zu realisieren ist.
Liest man sich auf freie-Energie-Seiten (siehe: Links) etwas in die Thematik ein, sieht man, daß ernsthaftere Aufbauten für die Wasserspaltung deutlich komplizierter sind als mein bisheriger Versuch. Auch ist die zugrundegelegte Theorie einiges umfassender als das, was ich hier beschrieben habe. Sobald ich wieder Ideen gesammelt habe, die bessere Erfolge versprechen, werde ich meine Versuche forsetzen. Für's Erste sei das Thema aber hiermit abgeschlossen.