PM 2.Art

[ Zauberspiegel Wissenschaft Ideenfabrik ]

Geschrieben von Roland am 14. Februar 2005 18:12:47:

Hi Leute,

ich hab ein PM 2. Art erfunden:

Man braucht eine Membran mit gleichgerichteten, kleinen, kegelstumpfförmigen Poren. Diese Membran muss mit einem Gas wechselwirken. Die freie Weglänge der Gasteilchen muss groß gegen die Weglänge der Gasteilchen in der Pore sein. Die Gasteilchen können durch die kleine Öffnung in die Pore treten, oder durch die große Öffnung. Treten sie durch die kleine Öffnung hinein, dann verlassen in erster Näherung ALLE die Pore anschließend durch die große Öffnung. Treten sie durch die große Öffnung ein, dann verlassen nur wenige die Pore durch die kleine Öffnung. Die anderen erfahren durch Reflexionen an der Porenwand eine Impulsumkehr und verlassen die Pore so wie sie hereingekommen sind, nämlich durch die große Pore.

Wenn nun die Gasteilchen gemäß Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel reflektiert werden, dann ergibt sich keine bevorzugte Permeation - kein Wunder, denn dies fordert ja auch der 2.Hauptsatz. Aber es gibt einen Trick, um eine systematische Abweichung von Einfalls- und Ausfallswinkel zu erzeugen: die Gasteilchen müssen kleine Zahnräder haben, die mit der Rauhigkeit der Porenwand wechselwirken. Wenn das Gas z.B. Methan ist und die Membran aus Polyethylen besteht, so greifen die H-Atome des Methans wie Zahnräder in die atomar strukturierte Oberfläche der Porenwand. Es gibt noch bessere Kombination, die ich zunächst geheim halten will.

Betrachten wir einen allgemeinen Fall einer Reflexion. Das Gasteilchen soll sich von links nach rechts bewegen und an der unteren Wand der Pore reflektiert werden, wobei sich die Pore von links nach rechts verengt. Im Gasteilchen können Rotationszustände angeregt sein oder angeregt werden. Wir können die Problembetrachtung auf den 2-d-Fall reduzieren. Die ursprüngliche Rotationsrichtung kann 1. im Uhrzeigersinn erfolgen, oder 2. gegen den Uhrzeigersinn. Wenn sie mit dem Uhrzeigersinn erfolgt, müssen wir eine weitere Fallunterscheidung vornehmen: Die H-Atome können sich 1.1. schneller drehen, als die parallel zur Wand ausgerichtete Geschwindigkeitskomponente des Gasteilchens, oder sie können sich 1.2. langsamer drehen.

Im Fall 1.1. wird bei der Reflexion Rotationsenergie umgesetzt, zur Vergrößerung des Impulses (und der kinetischen Energie), der parallel zur Wand ausgerichtet ist. Dadurch wird das Gasteilchen etwas flacher reflektiert.

Im Fall 1.2. wird Impuls (und kinetische Energie) parallel zur Wand in Rotationsenergie umgesetzt. Dadurch wird das Gasteilchen etwas steiler reflektiert.

Im Fall 2. wird Rotationsenergie umgesetzt, zur Vergrößerung des Impulses (und der kinetischen Energie) senkrecht zur Wand und zur Verkleinerung des Impulses parallel zur Wand. Durch beide Vorgänge wird das Gasteilchen etwas steiler reflektiert.

Außerdem wird ein Teil der ursprünglichen Rotationsenergie zur Anregung von Wärmeschwingungen der Membran umgesetzt. Diese Energie gibt die Wand bei anderen Reflexion wieder an die Gasteilchen ab, in Form der Vergrößerung des Impulses senkrecht zur Wand. Auch dadurch werden die Gasteilchen etwas steiler reflektiert.

Wenn man die Verteilung der angeregten Rotationszustände gegenüber der Verteilung der kinetischen Energie betrachtet, fällt auf, dass Fall 1.1. sehr selten auftaucht. Außerdem gibt es zu jedem Fall 1.1. einen Fall mit gleichgroßer Rotationsenergie und Drehimpuls gegen den Uhrzeigersinn, so dass die flachere Reflexion mittels einer steileren Reflexion kompensiert wird.

Insgesamt werden die Gasteilchen also steiler reflektiert, d.h. der Ausfallswinkel ist größer als der Einfallswinkel. Dadurch wird die Permeation von der großen zur kleinen Öffnung etwas benachteiligt. Dadurch tritt im thermodynamischen Druckgleichgewicht eine Permeationsdifferenz auf, die im kinetischen Gleichgewicht in einer Druckdifferenz resultiert.

Diese Druckdifferenz lässt sich leicht nutzen. Z.B. erzeugt das Platzieren mehrer Membranen dicht hintereinander eine beachtliche Druckdifferenz, Turbine, Wärmeübergang u.s.w.

Die Skeptiker unter euch sollten sich mal überlegen, wie ein chirales Gas mit einer chiralen Pore wechselwirkt, deren Polymer aus (C(CClFH)2)n - Einheiten besteht, wobei die CClFH -Gruppen alle dieselbe Orientierung haben sollen. Besteht hier auch das Gesetz "Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel"?!

Zur Zeit haben meine Apparaturen ungefähr eine Leistungsdichte von 12W pro kg, bei einer Umgebungstemperatur von 10°C. Wenn ich bessere Membranen mit exakterer Morphologie und kleineren Poren herstellen könnte, müsste sich die Leistungsdichte vielfachen lassen.

mfg
Roland

P.S. der letzte Abschnitt war nur ein Scherz. Ich habe noch keine Versuche gemacht, würde ich aber gerne



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