Aus der DE 44 37 524 Al ist ein Verfahren zum Betreiben eines nach dem RückstoSprinzip arbeitenden Antriebes eines Flugkörpers bekannt, bei dem der Wasserstoff von Silicium- wasserstoffverbindungen zur Erzeugung hoher Temperaturen in Gegenwart eines Sauerstoff liefernden Oxidationsmittels zu Wasser verbrannt wird, worauf bei den sich bei der Wasser- bildung einstellenden hohen Temperaturen der Stickstoff der Luft und/oder mitgeführter Stickstoffverbindungen mit dem Silicium der Siliciumwasserstoffverbindungen unter Bildung von Siliciumnitrid umgesetzt wird. Bei diesem Verfahren wird vorzugsweise der Stickstoff der Erdatmosphäre für die Reaktion eingesetzt. Als Siliciumwasserstoffverbindungen finden vorzugsweise Silanöle (höhere Silane) Verwendung.

Da das durch die Stickstoffverbrennung überwiegend gebil- dete Siliciumnitrid (Si3N4) ein wesentlich höheres Moleku-

largewicht als das bei Strahlturbinen entstehende Kohlen- dioxid besitzt, wird ein besonders guter Wirkungsgrad des Antriebes erreicht. Ferner steht Stickstoff in großen Men- gen zur Verfügung, so daß sich insgesamt ein hoher Wir- kungsgrad bei niedrigen Kosten ergibt.

Aus der DE 196 12 507 A1 ist ein Verfahren zum Antreiben einer Welle bekannt, bei dem ebenfalls Siliciumwasserstoffe mit Luftstickstoff verbrannt werden. Um bei diesem Verfah- ren Kosten zu sparen, aber auch um eine Silicium/Sauer- stoffverbrennung völlig auszuschließen, werden den Sili- ciumwasserstoffen vorzugsweise pulverförmiges Silicium oder Metallsilicide, beispielsweise Magnesiumsilicid, zugesetzt.

Auf diese Weise wird der 80-prozentige Stickstoffanteil der Luft stöchiometrisch umgesetzt.

Stickstoff gilt als inertes Gas und reagiert erst oberhalb von 1100 °C mit Siliciumpulver nach folgender Gleichung zu Siliciumnitrid Si3N4 : 3Si+2N2eSi3N4+750kJ Bei der Verbrennung von Siliciumwasserstoffverbindungen, insbesondere Silanen, mit komprimierter Luft reagiert der Sauerstoffanteil der Luft mit dem Wasserstoff der Silan- kette nach der Gleichung 4H+02 =2H20.

Bei dieser Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung werden Tempe- raturen von ca. 3000 °C erreicht. Diese Temperatur ist aus- reichend, um das N2-Molekül, das durch die Zufuhr der kom- primierten Luft zur Verfügung gestellt wird, zu spalten.

Nach der Gleichung

4N+3Si=Si3N4 greifen die Stickstoffradikale nun mit extremer Heftigkeit die freien Siliciumatome an. Es bildet sich Siliciumnitrid.

Die geschilderte Reaktion läuft nur bei entsprechend hohen Temperaturen ab. Mit anderen Worten, bei hinreichend hoher Temperatur werden die Siliciumwasserstoffverbindungen letztlich in Si+H thermisch zerlegt.

Es ist ferner bekannt, Si3N4 durch Erhitzen von Silicium- pulver auf 1250-1450 °C in einer Stickstoff-Atmosphäre her- zustellen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs geschilderten Art zu schaffen, das bei einem einfachen und raschen Ablauf eine besonders hohe Energieausbeute liefert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der angegebenen Art dadurch gelöst, daß der Stickstoff der Luft und/oder von zugeführten Stickstoffverbindungen mit Hilfe eines Nebengruppenelementes oder Nebengruppenelementoxides mit Silicium und/oder Siliciumverbindungen in einer Reakti- onskammer unter Bildung von Siliciumnitrid umgesetzt und die dabei freiwerdende Energie zum Betreiben des Antriebes verwendet wird.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß durch den Einsatz des Nebengruppenelementes oder Nebengruppenelementoxides das Silicium so aktiviert wird, daß die N2-Spaltung und da- mit die Reaktion von Silicium mit Stickstoff initiiert bzw. beschleunigt wird. Mit Nebengruppenelementen sind hierbei die entsprechenden Elemente der Nebengruppen des Perioden- systemes der Elemente gemeint. Nebengruppenelementoxide

sind die Oxide hiervon. Besonders gute Ergebnisse lassen sich hierbei mit den Elementen der Nebengruppe der Gruppe I, nämlich Cu, Ag, Au, erzielen, wobei der Einsatz von Kup- fer oder Kupferoxid (CuO) zu besonders guten Ergebnissen führt.

Es ist momentan noch unklar, ob das eingesetzte Nebengrup- penelement oder Nebengruppenelementoxid als Initiator, Ak- tivator oder Katalysator wirkt. Fest steht jedenfalls, daß durch die Anwesenheit des Nebengruppenelementes oder Neben- gruppenelementoxides eine Umsetzung des Siliciums oder der Siliciumverbindung mit Stickstoff zu Siliciumnitrid er- folgt, wobei diese Umsetzung mit einem raschen Temperatur- anstieg verbunden ist (exothermer Reaktionsablauf), der zu der gewünschten besonders hohen Energieausbeute führt. So wurde ein rascher Temperaturanstieg in der Reaktionskammer auf 1000 °C und mehr beobachtet.

Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn ein Pulver aus Silicium und/oder einer Siliciumverbindung verwendet wird. Besonders bevorzugt wird ein Pulver mit einer Korn- größe von etwa 15-25 Am verwendet. Wenn davon ausgegangen wird, daß das verwendete Nebengruppenelement oder Neben- gruppenelementoxid die gewünschte exotherme Reaktion des Siliciums mit dem Stickstoff initiiert, dann ist offen- sichtlich die Initialtemperatur um so niedriger, je gerin- ger die Partikelgröße des Silicums oder der Siliciumverbin- dung ist.

Auch das Nebengruppenelement oder Nebengruppenelementoxid wird vorzugsweise in Pulverform verwendet, zweckmäßiger- weise als Gemisch mit dem Pulver aus Silicium und/oder der Siliciumverbindung. Bei einer besonders bevorzugten Ausfüh- rungsform werden das Silicium und/oder die Siliciumverbin- dungen als mit dem Nebengruppenelement oder Nebengruppen-

elementoxid beschichtetes Pulver umgesetzt.

Zweckmäßigerweise wird ein Pulver aus Silicum und/oder einer Siliciumverbindung mit aktivierter Oberfläche ver- wendet.

Bei einer speziellen Verfahrensvariante wird in einer er- sten Stufe, insbesondere durch externes Heizen und/oder Durchführen einer exothermen Vorreaktion, die Reaktion mit dem Nebengruppenelement oder Nebengruppenelementoxid initi- iert. Beispielsweise kann eine solche Vorreaktion mit Chlormethan durchgeführt werden, wobei aus der Reaktion von Silicium und Chlormethan genügend adiabatische Wärme er- zeugt wird, um die Reaktion von Silicium mit dem Nebengrup- penelement oder Nebengruppenelementoxid anspringen zu las- sen.

Bei einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfah- rens wird ein Gemisch aus Silicium und/oder einer Silicium- verbindung und dem Nebengruppenelement oder Nebengruppen- elementoxid nur als Zündmischung im Reaktor verwendet, da die Umsetzung von Silicium mit N2 genügend Wärme erzeugt, um selbsterhaltend zu sein. Die verwendete Pulvermischung ist aufgrund der geringen Teilchengröße weitgehend gasun- durchlässig, so daß der in die Reaktionskammer eingeführte Stickstoff als Gas nur aufgepreßt wird und eine Reaktions- front durch die Reaktionskammer läuft. Eine weitere Vari- ante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß das Reaktionsgemisch in poröser Form zur Verfügung gestellt (aufbereitet) wird und das Stickstoffgas durch das Gemisch (Schüttung) geleitet wird. Diese Vorgehensweise hat Vor- teile bei der Reaktorkühlung und ermöglicht den Einsatz von Gasgemischen (Stickstoff und Inertgas), um die Wärmeent- wicklung durch die Reaktion zu kontrollieren. Ferner er- folgt die Wärmeentwicklung im Reaktor örtlich homogener.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorzugsweise Stickstoffgas verwendet. Im Gegensatz zu dem bekannten Ver- fahren zur Herstellung von Siliciumnitrid durch Erhitzen von Siliciumpulver auf 1250-1450 °C in einer Stickstoff- Atmosphäre sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sehr niedrige Initialtemperaturen (etwa 100-300 °C) erforder- lich, um die Reaktion exotherm ablaufen zu lassen. Natür- lich können auch stickstoffenthaltende Gemische oder Stick- stoffverbindungen zur Anwendung gelangen, wenn hierdurch der gewünschte Reaktionsablauf mit Silicium unter der ini- tiierenden, aktivierenden oder katalysierenden Wirkung des zugesetzten Nebengruppenelementes oder Nebengruppenelement- oxides erreicht wird.

Vorzugsweise wird als Nebengruppenelement oder Nebengrup- penelementoxid Kupfer oder Kupferoxid verwendet, wobei Kupferoxid (CuO) besonders bevorzugt wird.

Bei der Verwendung von Siliciumverbindungen finden bevor- zugt Siliciumwasserstoffverbindungen, insbesondere Silane, speziell Silane, Verwendung, bevorzugt solche mit einer Kettenlänge von SicH-, bis SigH20. Solche Silane besitzen die Konsistenz von Paraffinölen und sind großtechnisch her- zustellen. Sie sind pumpbar, so das, sie ohne Probleme einer geeigneten Reaktionskammer zugeführt werden können.

Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zweckmäßigerweise der Wasserstoff der Siliciumwasserstoff- verbindungen zur Erzeugung hoher Temperaturen in Gegenwart eines sauerstoffliefernden Oxidationsmittels zu Wasser ver- brannt, worauf die Umsetzung des Stickstoffs mit dem Sili- cium mit Hilfe des Nebengruppenelementes oder Nebengruppen- elementoxides erfolgt.

Als Siliciumverbindungen können auch Silicide : werden.

Um den Stickstoff mit dem Silicium von Siliciumwasserstoff- verbindungen, insbesondere Silanen, reagieren zu lassen, kann es von Vorteil sein, der eingesetzten Siliciumwasser- stoffverbindung elementares Silicium zuzusetzen, das eben- falls mit Hilfe des eingesetzten Elementes oder Oxides mit dem Stickstoff umgesetzt wird. Neben elementarem Silicium können zu diesem Zweck auch Silicide beigemengt werden.

Mit einem Heptasilan Si7Hl6 ergibt sich dann unter Einsatz der beschriebenen Maßnahmen (Katalysator) folgende stöchi- metrisch 100W-ige Verbrennung eines normalen Luftgemisches aus 20 0 °2 und 80 W N2 : 16H+402o8H20 7Si+16N2 + zusätzlich 17 dispergierte, aktivierte Si<8Si3N4.

Erfindungsgemäß lassen sich somit Si und/oder Si-Verbindun- gen mit hoher Energieausbeute beschleunigt zu Siliciumni- trid umsetzen. Die bei dieser Reaktion freiwerdende Energie läßt sich zum Betreiben von Antrieben einsetzen, beispiels- weise Flugkörperantrieben, wie Raketenantrieben, Wellenan- trieben etc. Derartige Antriebe sind in dem eingangs aufge- führten Stand der Technik beschrieben und werden an dieser Stelle nicht mehr im einzelnen erörtert. Die Offenbarung dieses Standes der Technik soll hiermit vollständig in die vorliegende Anmeldung aufgenommen werden.

Die Wirkung des Nebengruppenelementes oder-oxides kann durch Promotoren, wie beispielsweise Zink, Zinkverbindun- gen, erhöht werden.

Die vorstehend beschriebene Umsetzung von Siliciumwasser- stoffen mit Stickstoff läßt sich auch mit substituierten Silanen realisieren. Beispielsweise könnte hiermit das technisch leicht herstellbare Tetramethylsilan (CH3) 4Si mit Stickstoff zur Reaktion gebracht werden.

Silicium oder Siliciumwassserstoffverbindungen (Silane) können auch anderen herkömmlichen Treibstoffen zugemischt oder in diese eingebaut werden, um durch die vorstehend beschriebene Reaktion mit Stickstoff zur Leistungssteige- rung beizutragen. So können beispielsweise dem Kohlenstoff- benzin ein oder mehrere Siliciumatome in sein chemisches Molekülgerüst eingebaut werden, wofür beispielsweise das vorstehend erwähnte Tetramethylsilan in Frage käme.

Weiterhin können siliciumhaltige (silanhaltige) Benzine in Keramikmotoren mit hohen Betriebstemperaturen zur Anwendung kommen. In Brennkammern, deren Innenwände und mechanische Elemente u. U. selbst mit Siliciumnitrid, Siliciumcarbid o. a. beschichtet sind, könnte das bei den hohen Temperatu- ren flüssige/gasförmige Verbrennungsprodukt Siliciumnitrid als Schmiermittel fungieren, das durch die Verbrennung selbst in das System gelangt und so immer ausreichend vor- handen ist.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor- zugsweise Stickstoffgas verwendet. Es können jedoch auch Gemische aus Stickstoff und anderen Gasen Verwendung fin- den, wobei naturgemäß Luft (atmosphärische Luft) wegen ih- rer Verfügbarkeit besonders bevorzugt wird. Neben reinem Silicium kann auch Ferrosilicium Verwendung finden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können beliebige An- triebe betrieben werden. Der Begriff"Wellenantrieb"soll beliebige Motoren, Turbinen etc. abdecken, beispielsweise

auch Stirling-Motoren und Turbinenmotoren. Zu den"Flug- körperantrieben"zählen insbesondere Raketenantriebe.

Ein wesentlicher Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß das Verfahren im wesentlichen CO2- und NOX-frei ist, da als Ausgangsprodukt im wesentlichen nur Siliciumnitrid anfällt. Das Verfahren arbeitet mit einem besonders hohen Wirkungsgrad. Die jetzigen Umwelt- probleme, die durch herkömmliche Antriebsverfahren verur- sacht werden, werden daher mit dem erfindungsgemäßen Ver- fahren beseitigt.

Wenn bei dem erfindungsgemäßen Verfahren statt Stickstoff- gas Luft zugeführt wird, versteht es sich, daß auch der Sauerstoff der Luft mit dem Silicium reagieren wird, so daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Si02 in einer ge- wissen Menge anfällt. Durch Steuerung der Luftzufuhr kann der Oxidationsanteil variiert werden, um, je nach Wunsch, die beabsichtigte Stickstoffverbrennung zu erreichen. Die optimale Einstellung der Reaktion bleibt hierbei dem Fach- mann überlassen.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens be- steht darin, daß das gewonnene Siliciumnitrid als Ausgangs- produkt für weitere Prozesse verwendet werden kann.

Im vorhergehenden Text wurde immer davon ausgegangen, daß das verwendete Nebengruppenelement oder Nebengruppenele- mentoxid eine Aktivierung des Siliciums bewirkt. Es ist je- doch nicht auszuschließen, daß dieses Element oder Oxid statt dessen oder zusätzlich eine Aktivierung des Stick- stoffes verursacht, so daß dieser die entsprechende Reak- tion mit dem Silicium eingehen kann. Die Erfindung schließt jedenfalls beide Möglichkeiten ein.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei- spieles im einzelnen erläutert.

Siliciumpulver (Korngröße 15-25 ym) mit aktivierter Ober- fläche wird mit 30 W CuO gemischt in einen Metall-oder Glasreaktor gegeben. Chlormethan wird eingeleitet und der Reaktor von außen beheizt (etwa 150 °C). Nach kurzer Zeit (einige Minuten) liefert die Reaktion von Silicium und Chlormethan genügend adiabatische Wärme, um die Reaktion von Silicium mit Kupferoxid anspringen zu lassen, erkennbar an der Bildung eines Kupferspiegels an der Reaktorwandung.

Stickstoff wird nun eingeleitet und reagiert mit dem Sili- cium zu Siliciumnitrid, wobei die Temperatur im Reaktor rasch auf 1000 °C ansteigt. Mit diesem Eduktverhältnis sind adiabatische Temperaturanstiege um etwa 6000 °C zu erwar- ten. Die verwendete Eduktmischung ist aufgrund der geringen Teilchengröße weitgehend gasundurchlässig, so daß Stick- stoff nur aufgepreßt wird und eine Reaktionsfront durch den Reaktor läuft. Es ist denkbar, die Reaktionsmischung in po- röser Form aufzubereiten und das Stickstoffgas durch die Schüttung hindurchzuleiten. Dies hätte Vorteile bei der Re- aktorkühlung und würde den Einsatz von Gasgemischen (Stick- stoff und Inertgas) ermöglichen, um die Wärmeentwicklung durch die Reaktion zu kontrollieren. Ebenso würde die Wärmeentwicklung im Reaktor örtlich homogener erfolgen.

Die vorgeschaltete Reaktion mit Chlormethan läßt sich durch intensives externes Heizen ersetzen, da sie nur Wärme lie- fert, welche die Reaktion mit Kupferoxid anspringen läßt.

Dies geschieht mit aktiviertem Silicium bei 190 °C.

Es ist des weiteren denkbar, die Mischung aus CuO und Sili- ciumpulver nur als Zündmischung im Reaktor zu verwenden, da die Umsetzung von Silicium mit N2 genügend Wärme erzeugt, um selbsterhaltend zu sein.

Bisher ist die Reaktionsfolge nur in unzureichend gekühlten Reaktoren durchgeführt worden, so daS die Stickstoffumset- zung durch Einleiten von Argon abgebrochen werden mußte, um ein Schmelzen des Reaktors zu verhindern. Trotzdem liegt die Reaktionsausbeute bei mehr als 80 W (23 W N im Reaktor- inhalt ; theoretisch : 0,7 x 40 W = 28 t). Bemerkung : 6 0 0 im Eduktgemisch, d. h. 3 % des Si reagieren mit 0.