Lego Computer

Der legendäre Mechanismus von Antikythera (MVA) aus Lego - das einzige, was mir dazu einfällt, sind andere analoge Computer. Der "Knowhow-Computer" des WDR Computerclubs zum Beispiel, der eigentlich nur aus einem Blatt Papier und ein paar Streichhölzern besteht. Oder der Selbstbau von Matthias Wandel: Eine binäre Rechenmaschine aus Holz und Murmeln.

Aber im Vergleich zu der Tatsache, dass Menschen der Antike vor  über 2000 Jahren derart filigrane und hochkomplizierte Apparaturen gebaut haben ist das natürlich nichts. Man bedenke: 900 n. Chr. wurden  in Europa Kerzenuhren als Innovation betrachtet: Kerzen brannten in einer bestimmten Zeitdauer ab - anhand von Markierungen konnte man die Zeit ablesen. Wie primitiv ist das denn im Vergleich?! Und bis dahin sind ja nun immerhin fast 1000 Jahre ins Land gegangen! Die erste gesicherte Verwendung eines Zahnrades wird Heron von Alexandria zugeschrieben - 200 Jahre nach dem MVA. Und die erste präzise, mechanische Uhr baute John Harrison erst zwischen 1713 und 1759 (und löste damit das "Längenproblem", also die exakte Bestimmung des Längengrades)... Ob diese Diskrepanz mit der Zerstörung der Bibliothek von Alexandria (48 v. Chr., umstritten) zusammenhängt? Oder bestätigt es die These vom "erfundenen Mittelalter"? ;-) Merkwürdig ist das jedenfalls.

Natriumacetat

Im letzten Posting (Taschenwärmer) erwähnte ich Natriumacetat. Das kann man kaufen, als echter Zeukster will man dieses Natriumsalz der Essigsäure natürlich selbst herstellen. Wir brauchen:

1 Packung Natron
1 Flasche Essigessenz (25%).
Beides gibt's in jedem Supermarkt.

Dann muss eigentlich nur noch die Säure neutralisiert werden. Dazu kann einfach so lange Natron zur Essigsäure gekippt werden, bis es aufhört zu schäumen (hier ein Instructable). Mancher macht aus dieser Reaktion ein Happening - zum Beispiel so einen Zimmervulkan. Man kann die Sache aber auch wissenschaftlich angehen: Essigessenz aus dem Supermarkt ist ja keine pure Essigsäure, sondern 25%ige. Hat man eine Flasche mit 200ml gekauft, heißt das also 200/4 oder 200*0,25 = 50ml reine Essigsäure muss neutralisiert werden. Um die Menge an Natron zu berechnen, brauchen wir das Periodensystem der Elemente. Dort stehen die Atommassen. Wir starten mit der zu neutralisierenden Säure:

Essigsäure = C2H4O2, Atommassen: C = 12u, H = 1u, O = 16u
Zusammengerechnet = 60u (2x12u + 4x1u + 2x16u)

Nun kann die Stoffmenge (in mol) mit dieser Formel berechnet werden:  n = m/M
(n = Stoffmenge (mol), m = Masse (ml oder gramm), M = Atommasse (u)). Das ergibt: Stoffmenge von 50ml Essigsäure = 50ml/60u = 0,83 mol. Genau so viel mol Natron brauchen wir auch, um die Säure zu neutralisieren. Doch wie viel Gramm sind das? Dazu bestimmen wir erst einmal die Atommasse von Natron:

Natron = NaHCO3, Atommassen: Na = 23u, H = 1u, C = 12u, O = 16u
Zusammengerechnet = 84u (1x23u + 1x1u + 1x12u + 3x16u)

Nun die Formel zur Stoffmengenberechnung umformen, um "m" (Gramm) berechnen zu können: m = n*M. Und das ergibt: Masse von 0,83mol Natron = 0,83 x 84 = 70g Natron. Wir brauchen also 70 Gramm Natron, um eine Flasche (200ml) 25prozentiger Essigessenz zu neutralisieren. Jetzt nur noch das Wasser verdampfen (in einer Pfanne zum Beispiel) und wir haben Natriumacetat C2H3NaO2!

Taschenwärmer

Noch ein Beitrag zum Thema "Wärme ohne Feuer" und einer, der in die Jahreszeit passt: Taschenwärmer. Zum Glück existieren neben den eher langweiligen benzin- oder kohlebetriebenen Methoden auch ein paar "magische" Varianten. Zum Beispiel der Aktivkohlewärmer. Die kommen als Massenprodukt aus Japan (MyCoal), sowas kann man aber auch ganz einfach selbst herstellen! Man braucht:

16g Eisenpulver

3g Aktivkohle (keine Holzkohle!)

3g Kochsalz

5ml Wasser

oder ein ähnliches Mischungsverhältnis. Unter Luftabschluss passiert gar nichts. Kommt jedoch Sauerstoff hinzu, erwärmt sich die Masse auf bis zu 70° und das für ca. 6-12 Stunden. Der Witz an der Sache: Wird die Luftzufuhr gesperrt, stoppt auch die exotherme Reaktion, der Handwärmer kühlt ab. Lässt man erneut Luft an die Paste, oxidiert das Eisen wieder. Am Ende hat man dann im Grunde Rost (Eisenoxid) in der Tasche. Und den kann man ja später brauchen, um Thermit herzustellen (wo aus Eisenoxid dann wieder Eisen wird!) An der Pädagogischen Hochschule St. Gallen wurde die Reaktion in so einem Beutel ganz genau untersucht (PDF). Eisenpulver gibt's zB hier (1kg = 15,60€, viel billiger als 100g!) oder hier (250g = 3,60€). Aktivkohle kann man recht günstig im Tierhandel bekommen, es wird zur Reinigung des Wassers in Aquarien gebraucht. Wer nicht basteln will, kauft sich entweder ein Wärmepflaster oder einen Aktivkohlewärmer aus dem Bergsportbedarf. 

Eine andere Wärmequelle  hat wieder mit unseren vielseitigen Freunden, den Salzen, zu tun. Diese sogenannten "Latentwärmespeicher" enthalten eine "unterkühlte Schmelze" - eine Flüssigkeit, die sich unterhalb ihrer Schmelztemperatur befindet. D.h. sie sollte eigentlich gar nicht flüssig sein (wie Wasser unter 0° zB siehe Video). Wie stellt man so etwas her? Die Löslichkeit von Stoffen in Wasser ist temperaturabhängig: In heißem Wasser kann mehr von dem Salz Natriumacetat gelöst werden als in kaltem. Kühlt die Flüssigkeit ab, entsteht eine übersättigte Lösung. Die ist metastabil - schon ein Fingertippen, “Knacken” mit einem Metallplättchen oder Staub, der auf die Oberfläche fällt, kann die Kristallisation auslösen. Dabei wird jene Energie frei, die zuvor in die Erwärmung der Flüssigkeit (bzw. dem Auflösen des Kristallgitters) investiert wurde. Zu Herstellung braucht man:

200g Natriumacetat

200ml destilliertes Wasser

Das Salz wird bei ca. 60° vorsichtig im Wasser aufgelöst. Das ganze nun abkühlen lassen. Wenn man die Flüssigkeit anschließend langsam ausgießt, bildet sich etwas, das wie Eis aussieht - in den USA auch "Hot Ice" genannt. Kommt die noch warme Flüssigkeit in einen Gefrierbeutel oä, hat man einen wiederverwendbaren (einfach wieder in warmes Wasser legen) Taschenwärmer!

Viele weitere Infos gibt es in diesem PDF von Prof. Dr. Peter Bützer von der Pädagogischen Hochschule St. Gallen.

Selbsterhitzendes Essen II

Eine weitere Möglichkeit ohne Feuer zu kochen, ist die exotherme Reaktion von Metallen, wie sie im miltärischen Bereich benutzt wird. Diese MREs  ("Meal, ready to eat") enthalten neben Müsliriegeln und Trockenbrot auch FRHs ("Flameless Ration Heaters"). Die nutzen die Energie, die bei der Oxidation von Magnesium frei wird. Im Grunde ist das der Vorgang des Rostens, bloß mit eingeschaltetem Turbo. Soweit ich weiß, sind neben Magnesiumpulver auch etwas Eisenpulver und Salz mit von der Partie. Das Salz verhindert, dass Alu + Wasser eine oxidationshemmende Schicht ausbilden können. Der Rest ist in jeder Hinsicht eine zündende Kombination, schließlich ergeben Aluminiumpulver + Eisenoxid (Rost) = Thermit, also etwas, das mit 2500-3000° C verbrennt. Und Magnesium + Wasser = Wasserstoff (Knallgas).

Wer sich ein FRH selbst bauen will, braucht also in erster Linie Magnesium. Nun benutzt man im Turn- und Bergsport ebenfalls Magnesiumpulver, doch dieses "Magnesia" ist Magnesiumoxid, ein Lebensmittelzusatzstoff (E 530), der beim Verbrennen von Magnesium übrig bleibt. Ein Oxid ist für unsere Zwecke ungeeignet, das hat ja bereits gebrannt (bzw. wurde oxidiert). Eine andere Magnesiumquelle ist echt ZEUK pur: Bleistiftanspitzer. Die, die aussehen, als wären sie aus Alu, sind meist aus purem Magnesium. Wer jetzt eine Schraubzwinge und eine Metallsäge oder -Feile hat, kann Magnesiumpulver erzeugen. Besser wäre natürlich, wenn man so ein Ding (besser: eine Handvoll) einfach in einen Mixer werfen könnte... Will it blend?? Ich schätze JA! :) Leider kostet Tom Dicksons "Extreme 20 AMP Blender" 1000$. Also am Besten, ihr kauft einen Beutel. Leider gibt's sowas aber meistens nur für Lehrer oder Institutionen. Zum Beispiel bei Carl Roth. Ein halbes Kilo kostet zZt. 27,85€. Magnesiumpulver verkaufen auch Metallpulver.org, Grimm Metallpulver, Omikron oder die Carl Schlenk Ag. Noch ein subversiver und nicht ungefährlicher Tipp am Rande: Diese Magnesium-Anspitzer BRENNEN! Man braucht nur einen sehr heißen Bunsenbrenner. Aber das ist nur etwas für Experten, da das Licht extrem hell, die Hitzeentwicklung enorm und der Brand unlöschbar ist...!
Links zum Thema:

• Alle nur erdenklichen Infos zu MREs
• Die gute Emmy probiert auch mal so ne Mahlzeit
• Hier versucht jemand aus einem MRE ein 5-Sterne Menü zu zaubern 
• Video, in dem man britische MREs ganz gut in Aktion sieht
• Die zivile, chinesische Variante (ich sag' mal: Tischfeuerwerk!)
• Unterschiedliche MREs werden hier vorgestellt
• Ein HeaterMeals Werbevideo
• Patent für einen Wasserstoff-unterdrückenden FRH (PDF)
• Webseite des US-Army NSRDEC ("Combat Feeding")
• Älteres Posting zum Thema Rost/en  
• Weiteres Posting zum Thema Selbsterhitzendes Essen

Selbsterhitzendes Essen I

Im Post "Hydrokollide" erwähnte ich bereits die faszinierenden Einsatzmöglichkeiten von Calciumchlorid. Eine davon ist "selbsterhitzende Nahrung". So greift der Amerikaner gerne mal zu Fertigkaffee, bei dem man einen Knopf am Becherboden eindrückt - nach einigen Minuten hat die Plörre dann eine Temperatur von ca. 60° Grad. Auch die Franzosen haben sowas am Start: Drinkpanic heißt die Marke (Nachtrag: Inzwischen sind die wohl Pleite...)

Im Make: Blog hat jemand ein Instant-Getränk der US-Firma OnTech auseinander genommen (Nachtrag: Auch diese Seite gibt es nicht mehr. Offenbar gab es Probleme mit explodierenden Kaffeebechern!). Es gibt auch einen erklärenden Video von der Firma selbst. Die Entwicklung des Produkts soll 24 Millionen verschlungen haben. Na, die Kohle ging dann wohl zum größten Teil ins Marketing. Denn soooo High-tech ist das wirklich nicht: Salz und Wasser befinden sich in zwei Kammern, die dann vom Konsumenten durch Druck auf eine Membran zusammengemischt werden. Es folgt eine exotherme Reaktion. Den Effekt kann man schon mit ganz normalem Waschsoda erzeugen, allerdings wird diese Lösung nur handwarm. Na, jedenfalls ist die Kochmethode seit 1354 (Dead Link) bekannt und nicht erst seit OnTech. Auf der Seite von Old & Interesting gibt’s dazu ein paar schöne Quellen. Und in diesem Buch wird das Kochen ohne Feuer (“A quire char saunz fu”) im Frankreich des Mittelalters beschrieben.


Was passiert da genau? Calciumchlorid + Wasser erzeugen eine "negative Lösungsenthalpie". Genausogut funktionieren übrigens Calciumoxid + Wasser (siehe Video). So oder so: Salze bestehen aus Kationen und Anionen. Da schlägt auch auf die Namensgebung durch: Erst kommt das Kat- dann Anion. Also Calcium = Kation, Chlorid = Anion. Ionen sind elektrisch geladenen Atome (die ja "normalerweise" aus gleich vielen  Elektronen (-) und Protonen (+) bestehen). Kationen haben weniger Elektronen als Protonen, sind daher positiv geladenen. Und sie heißen KATionen, weil positiv geladene Ionen während einer Elektrolyse immer zur negativ geladenen Kathode wandern. Bei Anionen ist es anders herum. Yo, das ist einer der Gründe weshalb ich Chemie hasste: Immer diese verwirrenden Umstände - Kationen sind positiv, eine Kathode aber negativ... Und es wird noch besser: Bei freiwillig ablaufenden Redoxreaktionen, wie beim Entladevorgang von Batterien, ist die Kathode die positive Elektrode. Bei einer durch angelegte Spannung erzwungenen Redoxreaktion, wie der Elektrolyse, ist die Kathode die negativ polarisierte Elektrode. Grrr...

Wird Salz in Wasser aufgelöst, verrichten die Wassermoleküle an dem Kristallgitter des Salzes "Lösungsarbeit". Wasser ist ein Dipol, es hat einen negativen Pol (O-Atom) und einen positiven Pol (die beiden H-Atome). Und die lagern sich nun an die Ionen des Salzgitters an. Das ist übrigens ein physikalischer Vorgang und kein chemischer. Die Ionen am Rande des Kristallgitters werden so von Wassermolekülen aus dem Gitter herausgelöst und von ihnen umhüllt. Wenn sich Wassermoleküle an Ionen anlagern, wird Energie freigesetzt ("Hydrationsenergie"). Ist die Hydrationsenergie größer als die Gitterenergie, die die Salzionen zusammenhält, tritt eine Erwärmung des Salz-Wasser-Gemischs ein, das Salz ist leicht löslich, die Gitterenergie wird in Form von Wärme freigesetzt.

Mancher Bauer fackelte so seinen Stall ab - ungelöschter Kalk (Calciumoxid) wird auch heute zur Desinfektion ausgebracht. Zusammen mit der Feuchtigkeit im Stroh und/oder dem Urin der Tiere erreicht man bis zu 180° Celsius - mehr als genug, um die Feuerwehr auf den Plan zu rufen.

Wenn man statt wasserfreiem Calciumchlorid jedoch Calciumchlorid-Hexahydrat nimmt (also Calziumchlorid mit Kristallwasser) kühlt die Lösung ab. Dieses Salz löst sich schlechter in Wasser, es wird mehr Energie benötigt, um das Kristallgitter zu knacken. Und diese Energie wird der Umgebung entzogen. Mehr zu diesem Thema gibt's im Posting "Kältemischungen".

Die Dame (Video down) Der Kamerad im Video benutzt Calciumoxid, CaO, auch Branntkalk genannt. Der entsteht, wenn man stinknormale Kreide auf mindestens 800° erhitzt. Das Kohlendioxid entweicht dabei. Mehr zurm Thema "Feuer-frei" gibt's im Posting Selbsterhitzendes Essen II (hey, das reimt sich!)