Die Geschichte und Verwendung von Wasserstoff

Wasserstoff ist das einfachste und häufigste der chemischen Elemente, die die Bausteine aller Materie sind. Andere Atome bestehen aus Protonen, Neutronen und Elektronen. Aber Wasserstoff hat nur ein Elektron und ein Proton. Es ist auch das häufigste Element. Tatsächlich macht Wasserstoff etwa drei Viertel der gesamten Materie im Universum aus.

Wusstest du das?

Die Vereinigten Staaten produzieren jedes Jahr etwa 85 Millionen Kubikmeter Wasserstoff. Das entspricht mehr als dem 50-fachen Volumen des Rogers Centre in Toronto!

Wasserstoff ist ein farbloses, geruchloses Nichtmetall. In seiner gebräuchlichsten Form ist er extrem brennbar. Mit anderen Worten, er neigt dazu, in Flammen aufzugehen. Diese Tendenz macht Wasserstoff sowohl zu einer sehr gefährlichen als auch zu einer sehr nützlichen Ressource.

Wann wurde Wasserstoff entdeckt?

Wasserstoff wurde erstmals 1671 vom britischen Wissenschaftler Robert Boyle entdeckt. Er hatte mit verschiedenen Metallen experimentiert, indem er sie in Säure tauchte. Wenn ein reines Metall in Säure getaucht wird, findet eine Reaktion statt, die als Einzelverschiebungsreaktion bezeichnet wird. Wenn man zum Beispiel ein Stück Kalium (K) in eine Lösung von Salzsäure (HCl) gibt, kommt es zu folgender Reaktion:

2K + 2HCl → 2KCl + H2

Das feste Kaliummetall reagiert mit der Säure und bildet ein Salz namens Kaliumchlorid. Währenddessen verbinden sich die verbliebenen Wasserstoffatome zu Wasserstoffgas.

In einer Arbeit aus dem Jahr 1776 bestätigte der britische Wissenschaftler Henry Cavendish, dass Wasserstoff ein eigenständiges Element ist. Sowohl Boyle als auch Cavendish stellten fest, dass Wasserstoffgas sehr brennbar ist. Insbesondere führt es schnell und heftig eine Verbrennungsreaktion mit Sauerstoff durch.

2H2 + O2 → 2H2O (+ Wärme)

Bei dieser Reaktion werden Wasserstoff- und Sauerstoffmoleküle miteinander verbunden und bilden H2O (Wasser). Diese Reaktion ist exotherm. Das heißt, sie erzeugt Wärmeenergie – mit anderen Worten: Feuer. Andere Wissenschaftler entdeckten später, dass Wasserstoff den Brennstoff für die Kernfusionsreaktionen im Inneren von Sternen liefert. Diese Fusionsreaktionen erzeugen all das Licht und die Wärme, die die Sonne und andere Sterne produzieren.

Wussten Sie schon?

Wasserstoff schmilzt bei 14° über dem absoluten Nullpunkt (14° Kelvin oder -259 C

Wofür wurde Wasserstoff in der Vergangenheit verwendet?

Neben seiner Entflammbarkeit stellten Boyle und Cavendish auch fest, dass Wasserstoff weniger dicht (leichter) ist als Luft. Wasserstoff eignet sich hervorragend, um Dinge wie Ballons zu heben. In dieser Hinsicht ähnelt er dem zweiteinfachsten Element, Helium. Tatsächlich kann Wasserstoff sogar noch besser Dinge heben als Helium. Es war also nur eine Frage der Zeit, bis man begann, mit Wasserstoff gefüllte Ballons für den Transport zu entwickeln. In den frühen 1900er Jahren wurden große Luftschiffe, die Wasserstoff als Treibgas nutzten, zu einer beliebten Form des Luftverkehrs.

Die Begeisterung für wasserstoffgefüllte Luftschiffe hielt jedoch nicht lange an. Im Jahr 1937 ereignete sich in den Vereinigten Staaten eine Tragödie. Das deutsche Luftschiff Hindenburg fing Feuer und explodierte in Lakehurst, New Jersey, wobei 36 Menschen ums Leben kamen.

Die Konstrukteure von Luftschiffen wussten, dass Wasserstoff brennbar ist und dass Helium die sicherere Wahl war. Helium war jedoch selten und teuer. Also entschied man sich für die billigere, aber weniger sichere Variante. Nach der Hindenburg-Katastrophe wurde Wasserstoff als Traggas schnell aufgegeben. Gleichzeitig wurden Flugzeuge immer häufiger eingesetzt.

Für welche Zwecke wurde Wasserstoff in jüngerer Zeit verwendet?

Sie haben sicher schon Videos vom Start eines Space Shuttle vom Kennedy Space Center oder vom Andocken an die Internationale Raumstation gesehen. Dieses Programm wurde im Jahr 2011 eingestellt. Aber bis dahin war das Shuttle die wichtigste Möglichkeit für die NASA-Astronauten, ins All zu gelangen. Haben Sie sich jemals gefragt, was diese unvorstellbar großen Triebwerke antreibt? Es war Wasserstoff!

Das Haupttriebwerk des Space Shuttle wurde durch die Verbrennung von flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff angetrieben. Wie viel Energie liefert die Verbrennung von Wasserstoff? So viel, dass man es sich kaum vorstellen kann! Drei Space-Shuttle-Triebwerke zusammen liefern etwa so viel Energie wie 120 Eisenbahnlokomotiven.
Die Ingenieure der NASA wussten auch, wie gefährlich Wasserstoff sein kann. Sie beschlossen jedoch, dass sie all diese rohe Energie nutzen konnten, solange sie sehr vorsichtig waren.

In letzter Zeit sind die Menschen zunehmend daran interessiert, ihre Auswirkungen auf die Umwelt zu verringern. Eine Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, die Verbrennung von Kraftstoff für den Antrieb von Autos einzustellen. Es gibt ein großes Interesse an der Entwicklung von Autos, die mit Wasserstoff-Brennstoffzellen angetrieben werden. Das Schöne an der Verwendung von Wasserstoff zum Betanken von Autos ist, dass das Abfallprodukt im Gegensatz zu Benzin kein Treibhausgas ist – es ist Wasser!

Wussten Sie das?

Im Jahr 2018 gibt es drei wasserstoffbetriebene Autos in der Produktion. Honda, Hyundai und Toyota produzieren jeweils ein wasserstoffbetriebenes Auto.

Im Gegensatz zur Hindenburg müssen wasserstoffbetriebene Autos nicht so leicht sein wie Ballons, daher wird der Kraftstoff komprimiert und in sehr robusten Tanks gelagert, um Lecks zu vermeiden. Die beste Lösung wäre, den Treibstoff als Feststoff und nicht als Gas zu lagern. Das Material kann bei einem Unfall immer noch brennen. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass er explodiert. Das Brandrisiko bei Unfällen ist ungefähr dasselbe wie bei einem benzinbetriebenen Auto.

Eines der Hauptprobleme bei der Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoffquelle für Autos ist jedoch die Lagerung. Wasserstoff hat gemessen am Gewicht mehr Energie als Benzin, aber gemessen am Volumen hat er weniger Energie. Das bedeutet, dass man einen ziemlich großen Tank mit Wasserstoffgas braucht, um mit dem Auto eine vernünftige Strecke zu fahren, bevor man es wieder auftanken muss. Die Tanks der meisten Autos sind zu klein, um genug Wasserstoffgas für eine Stadtrundfahrt zu speichern!

Wissenschaftler haben sich mit der Umwandlung von gasförmigem in festen Wasserstoff beschäftigt. Der Grund dafür ist die geringe Energiedichte. Wenn Wasserstoff in eine feste Chemikalie absorbiert wird, kann er eine höhere Energiedichte erhalten. Akademische, industrielle und staatliche Forscher befassen sich mit dieser innovativen Möglichkeit, Wasserstoff in den Vordergrund der Energiewirtschaft zu stellen.