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sententia per scientia

SILANAT 

1. anorganischer Si3N4-basierter Kraftstoff

Art. 1

Begriffserklärung

Zusammengefasst  ist ©SILANAT ein neuer Treibstoff auf Basis von Silicium und Stickstoff, dessen Name sich auf 3erlei Weise selbstredend erklärt: 1) SILANe (gemäß den IUPAC-Regeln eine Stoffgruppe chemischer Verbindungen aus einem Silicium-Grundgerüst und Wasserstoff) + AT, stehend für Alternativer Treibstoff, 2) Si für Silicium, N für Nitrogen = Stickstoff, und zuletzt 3) NAT für naturfreundlich! ©SILANAT ist von ebenso ökonomischem Interesse wie von ökologischer Relevanz. Die weltweit zusehends versiegenden Erdölquellen messen diesem Neukraftstoff eine umso größere Gewichtung bei. Und dass mit ihm auch Umwelt und Klima entlastet werden, macht diese Innovation geradezu obligatorisch!   

 

Art. 2

Voraussetzungen

Im Wege nachstehender Projektskizzierung geht es zunächst darum, neben der Herstellbarkeit v.a. auch die vielschichtige Anwendbarkeit von ©SILANAT herauszustellen, und zwar dahin, dass es nicht nur möglich sondern industriell und sozioökonomisch auch richtig und wichtig  ist, diesen Neukraftstoff in Großmengen herzustellen und gefahrfrei einzusetzen. Schließlich sind Silane, sofern sie nicht langkettig genug sind, selbstentzündlich an der Luft, was zur unabdingbaren Grundvoraussetzung für ©SILANAT führt, höhere Silane handhabungssicher produzieren zu können. Bislang findet nur das gasförmige, an Luft selbstentzündliche Mono-/Disilan Anwendung. Sohin ist ©SILANAT fraglos eine Weltinnovation, welche in Gestalt flüssiger = höherer Silane (SinH2n+2) einen handhabungssicheren, industriell vielseitig nutzbaren, klima-/umweltfreundlichen, sowie kostengünstigeren und v.a. hocheffizienten Alternativtreibstoff (>90% Wirkungsgrad gegenüber fossilen Kraftstoffen mit rd. 30% Wirkungsgrad) zum Ergebnis dieses Forschungsprojekts haben soll. 

 

Art. 3

Notwendiges Equipment

  1. Technikumsanlage zur Herstellung von Silanen (SinH2n+2).

  2. Herstellung von Magnesiumsilicid (Mg2Si) aus Magnesium und Silicium.

  3. Umsetzung von Mg2Si mit Phosphorsäure in Technikumsanlage und damit Herstellung eines Silangemisches.

  4. Analytische Untersuchung mit eigenem Gaschromatographen.

  5. Destillation des Silangemisches in eigens hierfür konstruierter Destillationsanlage.

  6. Praktische Anwendungsforschung von fertigem ©SILANAT an Wankelmotoren u.dgl..

  7. Bereitstellung von ©SILANAT in Form reiner Silane u. / od. Silangemische an potenzielle Kooperationsunternehmen der FEAT Gruppe zur gemeinsamen Forschung auf folgenden Gebieten:

  • Anwendbarkeit von ©SILANAT für Lokomotiv-, Schiffs- und (ggf.) Automotoren, unbedingt aber als Energiequelle städtischer Kraftwerke, sowie für Fabriken und energieabhängige Infrastruktur…

  • Weiterentwicklung von ©SILANAT als Energieträger-Ersatz für Wasserstoff oder natürliche Kohlenwasserstoffe.

  • Herstellung ultrareiner Siliciumschichten für die Halbleiterindustrie.

  • Gezielte Herstellung von Kristallen für Nanotechnologie-Anwendungen.

  • Einsetzbarkeit des ©SILANAT-„Abfallprodukts“ Si3N4 als Diamantenersatz für die Fräsindustrie o.ä..

  • Entwicklung neuer industriell einsetzbarer Substanzen mit einem Siliciumgerüst anstelle eines Kohlenstoffgerüstes i.Allg. (gänzlich neues Kapitel der organischen Synthese).

Nachdem die ersten ©SILANAT-Mengen vorliegen, sind sogleich auch die Grundlagen für den Bau einer Großanlage zu erarbeiten, wozu vornehmlich die Variation der Prozessbedingungen gehört: Rohstoffe, Temperaturen, Reaktionszeiten, Abfallbewertung/ -verwertung, Trocken- & Kühlsysteme, Dosiersystem, Automatisierung usw. (und auch der dazugehörigen Analytik).

 

Art. 4

Vermarktung

Die Vermarktung von hergestelltem ©SILANAT erfolgt zunächst ausschließlich an Kunden mit vertraglicher Bindung an die FEAT Group. Dies auch und insbesondere, da ziemlich bald nach erfolgter ©SILANAT-Herstellung eine Flut von Anfragen nach ©SILANAT-Mustern zu erwarten ist, was die vertragliche Kundenbindung allein schon aus Gründen des Knowhow-Schutzes nötig macht. Unter keinen Umständen aber darf ©SILANAT aus der Hand gegeben werden, ohne dass vorher alle Bedingungen hierfür durch Verträge festgelegt worden sind. V.a. die Forschung in der Halbleiterindustrie (USA und Japan) dürfte Interesse daran haben, solche Substanzen in die Hände zu bekommen, um ihre Märkte durch Patentanmeldungen abzusichern. Hier ist größte Vorsicht geboten, da vornehmlich diese Branche für ihre Kopiermentalität bekannt ist. Bedenkt man, dass allein der größte Hersteller von Monosilan, SiH4, in den USA ca. 8.000 Tonnen dieses Rohstoffes für die Erzeugung hochreiner Siliciumschichten herstellt, so ist es nachvollziehbar, auf vertragliche Absicherung für ©SILANAT (höhere Silane: Si3H8, Si4H10, Si5H12 etc.) zu pochen. 

 

Art. 5

Forschungsetappenzielsetzung

Bei der hier angewandten sauren Zersetzung von Magnesiumsilizid liegt die Ausbeute flüssiger Rohsilane unter 10 %, weil in der Hauptsache gasförmiges Monosilan zu ca. 75% SiH4 und 15% Disilan Si2H6 entstehen. Diese heute wertvollen Gase sind noch anno 1970 als „nutzlos“ abgetan worden, da seinerzeit wohl noch niemand ahnte, dass sie schon sehr bald unverzichtbar für die Herstellung von Solarzellen sein würden. Heute werden jährlich mehrere Millionen Tonnen von Monosilan produziert, allerdings nicht nach der Stock’schen Methode, weil diese als gefährlich gilt und mangels Fachkenntnis kein Interesse an höheren Silanen bestand. Dies ändert sich nun: Zunächst ist geplant, in einer 500 Liter großen halbtechnischen Zersetzungsanlage aus Glas eine Probemenge von 200 Litern flüssige Rohsilane zu erstellen, um diese dann im FEAT-Labor zu vermessen. Die hierbei entstehenden 2 Tonnen gasförmiger Silane (Mono- und Disilan) sind voneinander zu trennen und jeweils in Stahlflaschen aufzupressen. Parallel hierzu wird eine 1.000 Liter Anlage aus Edelstahl konstruiert und gebaut, um Rohsilane im Tonnenbereich produzieren zu können. So entsteht die Möglichkeit, ©SILANAT für Versuche an Motoren und Luft-atmenden Triebwerken einzusetzen. Stickstoff ist als „Oxidator“ zuvor nie in Betracht gezogen worden, da er allseits als inert galt. Diese Wissenslücke schließt ©SILANAT. Bei späterer Großsynthese sind durch Verkauf flüssiger Silane entsprechend hohe Gewinne zu erwarten, da die Solarzellenindustrie auf Grundlage flüssiger Silane sehr viel schneller und vor allem kostengünstiger und großflächiger produzieren könnte. 

Art. 6

Saure halbtechnische Zersetzungsanlage aus Glas

  • Installierung eines ©SILANAT-Labors mit Hochvakuum-Apparaturen und einer Glastechnik mit Gummikappen und medizinischen Nadelspritzen, um „gaschromatographisch“ die Roh-Silane untersuchen zu können. Diese Technik wurde Universität Köln entwickelt.

  • Fabrikausstattung mit Zuleitungen für Wasserstoff, Stickstoff, Argon, Entsorgungsleitungen und Abzugsvorrichtungen usw..

  • Installierung einer sauren Zersetzungsanlage mit einem 500 l Glasreaktor (Zersetzungskolben) inkl. Vorrichtung zur Schaumbildungsunterdrückung, was durch Berieselungs-,  Wasserabscheidungs- und Trockenturmsysteme gewährleistet wird.

  • Hintereinandergeschaltete Reihen-Kondensationsvorrichtungen mit automatisierten Kühl-systemen für -20°, -80° und -200°C. 

  • Pumpen für Hochvakuumtechnik, Gasspülanlagen für Wasserstoff und Reinstickstoff.

  • Computergesteuerte Sicherheitstechnik.

  • Automatisierte Trennung gasförmiger + flüssiger Rohsilane (SiH4 & Si2H6 | Si3H8 bis Si8H18).

  • Hochdruckpumpanlagen zur Befüllung von Stahlflaschen für gasförmige Mono-/ Disilane.

  • Behälter für Flüssiggase im Tonnenbereich für die Kühlung der Kondensationsfallen.

Art. 7

Saure halbtechnische Anlage aus Edelstahl

Um Ausfallzeiten der 1. Anlage durch Reinigung, Neubefüllung, und eventuellen Störungen aufzufangen, wird parallel ein 1.000 Liter Edelstahlreaktor gebaut. Bisher sind Silan-Apparaturen nur in Glas hergestellt worden, da es den Vorteil hat, dass man so das gefürchtete „Überschäumen“ im Reaktionskolben von allen Seiten beobachten kann, unterdessen das Auskühlen und Einfrieren der verschiedenen Silanfraktionen gleichsam sichtbar bleibt. Da spätere großtechnische Anlagen zwingend in Edelstahl hergestellt werden müssen, ist es notwendig, bereits beim Pilotprojekt mit diesem Material zu arbeiten. Hierbei sind Sichtfenster und eine Fülle von elektronischen Überwachungssystemen vonnöten. Wegen der hohen Gefährlichkeit sind diese Versuche zu Beginn personalintensiv und bedürfen zumindest in der Initiationsphase mlgw. öfters einer Um- oder Nachrüstung. Sofern ab dem 2. Jahr der Stahlreaktor bereits störungsfrei arbeitet, kann in Tonnenmaßstab mit Produktion von Roh-Silanen begonnen werden. 

 

Art. 8

Produktionsvoraussetzungen, Material und Grundstoffe

Um Roh-Silane herstellen zu können, werden u.a. große Mengen Magnesiumsilicid (Mg2Si) und Phosphorsäure benötigt. Magnesiumsilizid kann aus den Grundstoffen Magnesium und Silizium selbst unter Argonathmosphäre erschmolzen werden. Zur Herstellung von 2.000 Litern Rohsilan werden in etwa 100 Tonnen Magnesiumsilicid und 200 Tonnen Phosphorsäure benötigt. Hinzu kommen große Mengen flüssigen Stickstoffs und Silicon-Entschäumer. Das Magnsiumsilizid soll durch eine Gießerei via Lohnauftrag hergestellt werden. Dieses Lohnfertigungsunternehmen soll fernerhin die Zertrümmerung der erschmolzenen Metallverbindungen übernehmen und das Material auf eine bestimmte Korngröße zermahlen.               

 

Art. 9

Pyrolyseanlage

Stahlbasis-Rohrsystem, Katalysatoren, Hochvakuumdestillationsanlage mit Fraktionierkolonne, Vakuum- und Sicherheitstechnik. Dieses Equipment ermöglicht die Darstellung von nicht mehr selbstentzündlichen höheren Silanen für Messversuche.            

 

Art. 10

Darstellung von kristallinem Silizium aus Ölsand/Schiefer

Da der Rohstoff Silizium wegen des Einsatzes von elektrischem Strom inzwischen sehr teuer ist, soll ein Verfahren im Labor-Maßstab zum Einsatz kommen, bei dem der Gehalt an Öl/Bitumen /Teer als Kohlenwasserstoffe die Primärenergie liefern, um so über eine neue Methode direkt kristallines Silizium darzustellen. Hierbei kommen Wasserstoff und Fluor zur Anwendung, die bei Kontakt zu fast 4.000°C heißem Fluorwasserstoff verbrennen. Durch einen Kunstgriff wird diese freigewordene Wärme zur Spaltung der Kohlenwasserstoffe und der Siliziumsauerstoff-Bindung des Sandes genutzt. Das so hergestellte Siliziumtetrafluorid lässt sich mit Aluminium-Granulat direkt in kristallines Silizium überführen. Das Verfahren ist im FEAT-Labor noch in praxi zu verifizieren. Und da bei dem Verfahren Fluorwasserstoff entsteht, würde seine Giftigkeit bei Austritt aus der Versuchsapparatur extrem gefährlich sein, weshalb hier mit zwei rotierenden Metallkesseln zu arbeiten wäre, welche innen so ausgekleidet sind, dass der Fluorwasserstoff ihr Material nicht angreift. Überdies muss hier mit einem starken Abzug gearbeitet werden. Die Chemiker arbeiten in Sicherheitsanzügen mit Atemmasken und separater Luftzuführung sowie mit transparenten Kopfhelmen. Erstmals im FEAT-Labor zu erbproben! Zur Vorbereitung einer großtechnischen Verfahrensweise ist der Bau einer dementsprechend halbtechnischen und i.Ü. IT-gestützten Anlage vonnöten.  

 

Art. 11

Drucksynthesen zur Darstellung von höheren Silanen

So wie es möglich ist, aus Kohle und Wasserstoff katalytisch über Drucksynthesen Benzine zu gewinnen (Bergius-Verfahren), lassen sich auch aus Silizium und gasförmigen Silanen „höhere“ Silane gewinnen. Die Versuchsreaktionen an einem Autoklaven (Stahldruckbehälter) werden mit Chemikern in der FEAT-©SILANAT-Fabrik durchgeführt. Bei erwartbarem Erfolg gelänge uns chemisch ein Geniestreich, weil die gasförmigen Silane dann nicht verkauft werden müssten, sondern die Ausbeute an höheren Silanen sich um einen Faktor multiplizieren würde. Bei Vorversuchen der Drucksynthesen ist es v.a. notwendig, geeignete Katalysatoren zu finden. Bsp.: Bei der Polyethylensynthese (Plastiktüte) sind vom späteren Nobelpreisträger Prof. Ziegler 100.000 Katalysatoren ausprobiert worden.                       

 

FEAT und deren Team stellen weltweit die einzigen Silanchemiker, die überhaupt in der Lage sind, Roh-Silane und damit auch ©SILANAT herzustellen. Da bei diesem Forschungsprojekt wesentliche Sicherheitssysteme zu installieren sind, gilt das Unternehmen ©SILANAT u.U. als lebensgefährlich, weshalb den FEAT-Chemikern entsprechend hohe Verantwortung mit Hinblick auf die Sicherheitsvorkehrungen zukommt. 

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