Modellstudie zeigt, dass die Produktion von Sauerstoff aus Gestein bei geringerer Schwerkraft schwieriger ist

Eine der Herausforderungen, denen sich Ingenieure bei der Entwicklung von Technologien für den Einsatz im Weltraum stellen müssen, ist die unterschiedliche Schwerkraft. Meistens haben Ingenieure nur Zugang zu Testumgebungen, die entweder die normale Schwerkraft der Erde oder, wenn sie Glück haben, die Mikrogravitation der ISS widerspiegeln. Das Entwerfen und Testen von Systemen für die reduzierte, aber nicht vernachlässigbare Schwerkraft auf dem Mond und dem Mars ist viel schwieriger. Für einige Systeme ist dies jedoch unerlässlich.

Ein solches System ist die Elektrolyse, ein Prozess, mit dem Forscher Sauerstoff für Astronauten auf einem permanenten Mond oder Mars herstellen und wichtige Bestandteile wie Wasserstoff für Raketentreibstoff herstellen. Um die Entwicklung von Systemen zu unterstützen, die unter diesen Bedingungen funktionieren, hat sich ein Forscherteam unter der Leitung des Computerphysikers Dr. Paul Burke vom Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University dazu entschlossen, ein beliebtes Werkzeug von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt zu verwenden: Modelle.

Bevor wir das Modell untersuchen, ist es hilfreich, das Problem zu untersuchen, das sie lösen wollen. Bei der Elektrolyse wird eine Elektrode in eine Flüssigkeit getaucht und mithilfe eines elektrischen Stroms und einer darauffolgenden chemischen Reaktion werden Atome gespalten. Wenn Sie also beispielsweise eine Elektrode in Wasser tauchen, würde sie das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten.

Das Problem entsteht durch die geringere Schwerkraft. Bei der Elektrolyse bilden sich Blasen auf der Oberfläche der Elektrode. Auf der Erde lösen sich diese Blasen normalerweise ab und schwimmen an die Oberfläche, da der Dichteunterschied zwischen ihnen und der verbleibenden Flüssigkeit sie dazu zwingt.

Bei reduzierter Schwerkraft jedoch dauert es entweder viel länger, bis sich die Blasen lösen, oder sie lösen sich überhaupt nicht. Dadurch entsteht entlang der Elektrodenlänge eine Pufferschicht, die die Effizienz des Elektrolyseprozesses verringert und ihn manchmal ganz zum Erliegen bringt. Die Elektrolyse ist nicht der einzige Fluidprozess, der in Umgebungen mit reduzierter Schwerkraft Schwierigkeiten hat – auch viele ISS-Experimente haben Probleme. Dies liegt zum Teil daran, dass noch nicht vollständig verstanden ist, wie Flüssigkeiten in diesen Umgebungen funktionieren – und zum Teil auch an einem Mangel an experimentellen Daten.

Und hier kommt die Modellierung ins Spiel. Dr. Burke und seine Kollegen verwenden eine Technik namens Computational Fluid Dynamics, um zu versuchen, die Kräfte nachzubilden, denen die Flüssigkeiten in einer Umgebung mit reduzierter Schwerkraft ausgesetzt sind, und gleichzeitig die Blasenbildung zu verstehen.

Elektrolyse auf der Erde wird normalerweise mit Wasser durchgeführt, aber warum sollte man dabei aufhören? Das Team verwendete seine CFD, um zwei andere Flüssigkeiten zu modellieren, die in Elektrolyseuren verwendet werden könnten – geschmolzenes Salz (MSE) und geschmolzenes Regolith (MRE). Die Forschung ist veröffentlicht im Journal Grenzen der Weltraumtechnologien.

Geschmolzenes Salz wird auf der Erde verwendet, allerdings weniger häufig als normales Wasser, und hat erfolgreich Sauerstoff produziert. Die Elektrolyse von geschmolzenem Regolith ist jedoch noch ein eher neuartiger Anwendungsfall und muss noch gründlich getestet werden. MOXIE, das Experiment, das 2021 auf dem Mars bekanntlich Sauerstoff erzeugte, verwendete das Kohlendioxid in der Marsatmosphäre und eine Festkörperelektrode – beides ist kein repräsentatives Beispiel für geschmolzenes Regolith.

Dr. Burke und sein Team fanden heraus, dass MRE zumindest rechnerisch die schwierigsten Bedingungen in reduzierter Schwerkraft bietet. Es wurde auch noch nie in einer Umgebung mit reduzierter Schwerkraft getestet, sodass diese Simulationen derzeit alles sind, womit Ingenieure weitermachen können, wenn sie ein System entwerfen wollen.

Aus der Modellierung konnten jedoch einige wichtige Erkenntnisse gewonnen werden. Erstens sollten Ingenieure horizontale Elektroden in MRE-Systeme einbauen, denn je länger sich eine Blase über eine Elektrode ausbreitet (d. h. je weiter sie „nach oben“ steigt), desto länger dauert es, bis sich die Blase löst. In einer horizontalen Konfiguration hat die Elektrode weniger Oberfläche, an der sie sich festsetzen kann, wodurch es wahrscheinlicher ist, dass sich die Blasen lösen und an die Oberfläche steigen.

Darüber hinaus steigt die Zeit, die Blasen an einer Elektrode haften bleiben, exponentiell mit abnehmender Schwerkraft. Das bedeutet, dass Blasen auf dem Mond länger brauchen, um sich zu lösen, als Blasen auf dem Mars, die wiederum länger brauchen als Blasen auf der Erde.

Folglich wird die Elektrolyse auf dem Mond weniger effizient sein als auf dem Mars, die wiederum weniger effizient sein wird als die auf der Erde, und die Missionsplaner müssen diese Unterschiede berücksichtigen, wenn sie aus diesem Prozess etwas so Missionskritisches wie Sauerstoff gewinnen wollen. Auch die Glätte der Elektroden scheint eine Rolle zu spielen, denn rauere Elektroden neigen eher dazu, an ihren Blasen festzuhalten und sind daher weniger effizient.

Andere technische Lösungen können all diese Herausforderungen bewältigen, wie etwa ein Vibrationsmechanismus an der Elektrode, um die Blasen zu lösen. Es ist jedoch eine gute Idee, vor dem Start einer Mission alle zusätzlichen Komplikationen zu berücksichtigen, die Operationen in einer Umgebung mit reduzierter Schwerkraft mit sich bringen. Deshalb ist die Modellierung so wichtig, aber die Menschheit wird diese Systeme letztlich experimentell testen müssen, vielleicht auf dem Mond selbst, wenn wir vorhaben, seine lokalen Ressourcen zu nutzen, um unsere Präsenz dort aufrechtzuerhalten.