Innerhalb der nächsten 15 Jahre planen die NASA, China und SpaceX, die ersten bemannten Missionen zum Mars zu schicken. In allen drei Fällen sollen diese Missionen in der Schaffung von Oberflächenlebensräumen gipfeln, die viele Rückkehrer und – durchaus möglich – dauerhafte menschliche Siedlungen ermöglichen. Dies stellt zahlreiche Herausforderungen dar, von denen eine der größten der Bedarf an ausreichend Atemluft und Treibstoff ist. Beide können durch Elektrolyse hergestellt werden, bei der elektromagnetische Felder auf Wasser (H2O) angewendet werden, um Sauerstoffgas (O2) und flüssigen Wasserstoff (LH2) zu erzeugen.
Während der Mars über reichlich Wassereisvorkommen auf seiner Oberfläche verfügt, die dies möglich machen, genügen bestehende technologische Lösungen nicht den Zuverlässigkeits- und Effizienzniveaus, die für die Weltraumforschung erforderlich sind. Glücklicherweise hat ein Forscherteam von Georgia Tech dies getan vorgeschlagen ein „Magnetohydrodynamischer Antrieb für die Wasserstoff- und Sauerstoffproduktion beim Marstransfer“, der mehrere Funktionalitäten in einem System ohne bewegliche Teile vereint. Dieses System könnte den Antrieb von Raumfahrzeugen revolutionieren und wurde vom Innovative Advanced Concepts (NIAC)-Programm der NASA für die Phase-I-Entwicklung ausgewählt.
Der Vorschlag stammt von Alvaro Romero-Calvo, einem Assistenzprofessor am Georgia Institute of Technology, und seinen Kollegen von der Georgia Tech Research Corporation (GTRC). Das System verwendet eine magnetohydrodynamische (MHD) Elektrolysezelle, die auf elektromagnetischen Feldern basiert, um elektrisch leitende Flüssigkeiten (in diesem Fall Wasser) ohne bewegliche Teile zu beschleunigen. Dadurch kann das System Sauerstoff und Wasserstoffgas in der Mikrogravitation extrahieren und trennen, wodurch die Notwendigkeit einer erzwungenen Wasserumwälzung und der damit verbundenen Ausrüstung (z. B. Pumpen oder Zentrifugen) entfällt.
Als Spezialist für die Wissenschaft der niedrigen Schwerkraft, Strömungsmechanik und Magnetohydrodynamik haben Romero-Calvo und sein Team viele Jahre damit verbracht, die Anwendungen von MHD-Systemen für die Raumfahrt zu untersuchen. Die Notwendigkeit einer speziellen Studie zur Bewertung der Machbarkeit des Konzepts und seiner Integration in eine geeignete Sauerstoffproduktionsarchitektur war letztendlich der Auslöser für ihren Vorschlag. In einer früheren Studie stellten Romero-Calvo und Co-Autorin Dr. Katharina Brinkert (Professorin für Chemie an der University of Warwick) fest, wie vor Ort gesammeltes Wasser die Startmassen von Fahrzeugen verringern würde.
Sie stellten jedoch auch fest, dass der Betrieb dieser Art von Maschinerie in der Schwerelosigkeit viele Unbekannte mit sich bringt, von denen die meisten in der aktuellen Forschung nicht berücksichtigt werden. Sie betonten insbesondere, dass das Fehlen von Auftrieb in der Mikrogravitation zu großen technischen Herausforderungen führt, beispielsweise der Notwendigkeit, Sauerstoff- und Wasserstoffblasen abzutrennen und zu sammeln, was traditionell mit erzwungenen Wasserrezirkulationsschleifen gelöst wurde. Sie argumentierten jedoch, dass dies zu Flüssigkeitsmanagementgeräten führe, die aus mehreren Elementen und beweglichen Teilen bestehen, die komplex, ineffizient und im Weltraum unzuverlässig seien. Wie Romero-Calvo in einer aktuellen Pressemitteilung von Georgia Tech erklärte:
„Die Idee, MHD-Kräfte zum Pumpen von Flüssigkeiten zu nutzen, wird in dem Thriller „Jagd auf Roter Oktober“ aus dem Jahr 1990 untersucht, in dem ein sowjetisches Tarn-U-Boot mit MHD-Antrieb in die Vereinigten Staaten überläuft. Obwohl es Spaß macht, Sean Connery in der Rolle eines zu sehen Sowjetischer U-Boot-Kommandant, die Wahrheit ist, dass der MHD-Antrieb von U-Booten sehr ineffizient ist. Unser Konzept hingegen funktioniert in der Mikrogravitationsumgebung, wo die schwache MHD-Kraft dominant wird und zu missionsermöglichenden Fähigkeiten führen kann.“
Anstelle herkömmlicher Rezirkulationskreisläufe basiert das vorgeschlagene MHD-System auf zwei unterschiedlichen Mechanismen zur Trennung von Sauerstoff und Wasserstoff aus Wasser. Die erste entsteht durch diamagnetische Kräfte, die in Gegenwart starker Magnetfelder entstehen und zu einem magnetischen Auftriebseffekt führen. Zweitens gibt es Lorentzkräfte, die eine Folge der Einwirkung eines Magnetfelds auf den zwischen zwei Elektroden erzeugten Strom sind. Wie Romero-Calvo in ihrem Vorschlagspapier feststellte:
„Beide Ansätze können möglicherweise zu einer neuen Generation von Elektrolysezellen mit minimalen oder keinen beweglichen Teilen führen und so menschliche Weltraumoperationen mit minimalen Massen- und Leistungseinbußen ermöglichen. Vorläufige Schätzungen deuten darauf hin, dass die Integration von Funktionalitäten zu einer Reduzierung des Massenbudgets um bis zu 50 % führt.“ in Bezug auf die Oxygen Generation Assembly-Architektur für ein Zuverlässigkeitsniveau von 99 %. Diese Werte gelten für einen Standard-Marstransfer mit vier Besatzungsmitgliedern und einem Sauerstoffverbrauch von 3,36 kg pro Tag.“
Im Erfolgsfall würde dieses HMD-System das Recycling von Wasser und Sauerstoffgas in der langfristigen Raumfahrt ermöglichen. Romero-Calvo und andere Kollegen von der Daniel Guggenheim School of Aerospace Engineering an der Georgia Tech zeigten in einem anderen Artikel, dass diese Technologie auch Anwendungen für wasserbasierte SmallSat-Antriebe und andere Missionsprofile haben könnte, bei denen ISRU ein Muss ist. Derzeit haben Romero-Calvo und seine Kollegen das Konzept formuliert und analytische und numerische Modelle entwickelt.
Im nächsten Schritt werden das Team und seine Partner bei Giner Labs (einem in Massachusetts ansässigen elektrochemischen Forschungs- und Entwicklungsunternehmen) Machbarkeitsstudien durchführen. In den nächsten neun Monaten erhalten sie 175.000 US-Dollar, um die allgemeine Machbarkeit und den technologischen Reifegrad des Systems zu untersuchen. Diese werden in erster Linie aus rechnerischen Studien bestehen, aber auch Prototypen umfassen, die Schlüsseltechnologien hier auf der Erde testen. Als Phase-I-Vorschlag sind sie auch berechtigt, sich um eine Phase-II-Finanzierung im Wert von 600.000 US-Dollar für eine zweijährige Studie zu bewerben.
Ein früher Demonstrator dieser Technologie wurde an Bord des 24. Fluges der New Sheperd (NS-24) getestet, einer unbemannten Mission, die am 19. Dezember 2023 startete. Mit Unterstützung von Blue Origin und der American Society for Gravitation and Space Research (ASGSR) , Romero-Calvos Team testete, wie Magnete Wasser unter Schwerelosigkeitsbedingungen elektrolysieren. Die Daten dieses Fluges und der bevorstehenden Tests werden in einen HMD-Elektrolyseur-Prototyp einfließen und könnten zu einem System führen, das in zukünftige Weltraummissionen integriert wird. Romero-Calvo sagte:
„Wir untersuchten die grundlegenden magnetohydrodynamischen Strömungsregime, die entstehen, wenn wir unter Raumflugbedingungen ein Magnetfeld an Wasserelektrolyseure anlegen“, erklärte Romero-Calvo. „Das Blue Origin-Experiment wird uns in Kombination mit unserer aktuellen Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Katharina Brinkert an der University of Warwick dabei helfen, die Bewegung von Sauerstoffblasen in der Mikrogravitation vorherzusagen, und es gibt Hinweise darauf, wie wir einen zukünftigen Wasserelektrolyseur für Menschen bauen können.“ „