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Zukunftstechnologie : Wasserstoffwirtschaft im All?

Auf der Raumstation arbeiten viele regenerative Systeme: Wasser wird aus Urin gewonnen, Kohlendioxid der Atemluft in Sauerstoff und Kohlenstoff umgewandelt. Bild: dpa

Der saubere Energieträger lässt sich jetzt auch in der Schwerelosigkeit erzeugen. Astronauten könnten ihren Treibstoff in Zukunft selbst herstellen.

          Bemannte Raumflüge zum Mars oder weiter hinaus ins All stellen Mensch, Material und Technik vor große technische Herausforderungen. Die Astronauten müssen auf ihrer monatelangen Reise nicht nur vor kosmischer Strahlung abgeschirmt werden, sie müssen auch in der Lage sein, sich mit Trinkwasser und Nahrung selbst zu versorgen. Ähnliches gilt für den Treibstoff der Antriebsmotoren. Auch er sollte idealerweise im Weltraum produziert werden und das möglichst sauber. Als Brennstoff kommt hier Wasserstoff in Frage. Eine internationale Forschergruppe hat nun in einem Simulationsexperiment demonstriert, wie sich der saubere Energieträger und Brennstoff umweltschonend auch in der Schwerelosigkeit gewinnen lässt.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Ein vielversprechender Ansatz für die Wasserstoffproduktion ist der Weg über die Elektrolyse und die photokatalytische Spaltung von Wasser mit Sonnenlicht. Hier nutzt man eine Solarzelle zur Erzeugung von elektrischer Energie, mit der man anschließend eine elektrochemische Zelle betreibt. Darin wird durch Elektrolyse das Wasser in seine beiden Bestandteile – Sauerstoff und Wasserstoff – aufgespalten. Das Verfahren ist mittlerweile äußerst effizient. Jüngste Laborversuche haben gezeigt, dass fast zwanzig Prozent des eingestrahlten Lichts zur Herstellung von Wasserstoff wirksam werden können.

          In der Schwerelosigkeit war die elektrochemische Wasserstoffproduktion bislang jedoch nicht möglich. Denn aufgrund der fehlenden Schwerkraft wirkt auch kein hydrostatischer Auftrieb, der die entstehenden Wasserstoffbläschen üblicherweise rasch an die Wasseroberfläche treibt. Die Gasblasen sammeln sich dadurch an der Kathode der elektrochemischen Zelle und behindern so den Kontakt von Wassermolekülen mit der Elektrode. Weil kein Ladungstransfer zwischen Elektrode und den Molekülen stattfinden kann, erfolgt keine Wasserspaltung.

          Mikronoppen lassen Wasserstoff sprudeln

          Dieses Dilemma haben die Forscher um Katharina Brinkert vom California Institut of Technology in Pasadena und Michael Giersig von der Freien Universität Berlin mit einem Trick lösen können. Sie haben die Photokathode so mit katalytisch wirksamen Rhodiumpartikeln beschichtet, dass darauf eine noppenartige Mikrostruktur entstand. Diese bewirkt, dass sich die sich bildenden Wasserstoffblasen schnell von der Elektrodenoberfläche lösen und der Prozess der Wasserspaltung ohne Unterbrechung ablaufen kann. Soweit die Idee.

          Für neun Sekunden lässt sich im Fallturm der Zustand der Schwerelosigkeit erzeugen.

          Um zu testen, dass der Ansatz auch tatsächlich in der Schwerelosigkeit funktioniert, haben die Forscher den 120 Meter hohen Fallturm in Bremen aufgesucht. In dem Turm kann für wenige Sekunden der Zustand der Schwerelosigkeit erzeugt werden.

          Für ihr Experiment haben die Forscher eine mit Wasser gefüllte elektrochemische Zelle, bestehend aus einer Solarzelle und einer mikrostrukturierten Kathode, in eine Kapsel eingebaut. Ein Katapult schoss die Kapsel zunächst in die Höhe, bevor sie kurz vor der Fallrohr-Spitze stoppte und wieder nach unten fiel. Während des Aufstiegs und des freien Falls herrschte in der Kapsel neun Sekunden lang Schwerelosigkeit. Für die Forscher ist das lang genug, um zu testen, ob ihr Verfahren prinzipiell funktioniert.

          Das weiße Licht einer Lampe war die ganze Zeit auf die Solarzelle gerichtet. Zwei Kameras hielten das Geschehen in der elektrischen Zelle fest. Anhand der aufgenommenen Bilder konnten sich die Forscher davon überzeugen, dass in ihrem Apparat die ganze Zeit über Bläschen aus Wasserstoffgas sprudelten. Um sicher zu sein, dass der Grund dafür tatsächlich die genoppte Photokathode ist, startete man das gleiche Fallexperiment mit einer baugleichen elektrochemischen Zelle, deren negative Elektrode allerdings keine Mikrostruktur aufwies. Der Befund war eindeutig. Die Wissenschaftler konnten hier keine nennenswerte Wasserstoffproduktion beobachten.

          Selbstversorgung im All

          Die Wissenschaftler um Brinkert haben sich in ihrer Studie bislang nur auf den Wasserstoff konzentriert. Über den erzielten Wirkungsgrad, machen sie in ihrer Arbeit, die in der  Zeitschrift „Nature Communications“ erschienen ist, keine Angaben. Auch über das zweite Spaltprodukt, den Sauerstoff, schweigen sie sich aus. Offenkundig haben sie die Sauerstoffentstehung noch nicht näher untersucht.

          Ob sich mit dem Verfahren auch für längere Zeit in der Schwerelosigkeit technische nutzbare Mengen an Wasserstoff erzeugen lassen, müssen Langzeittests, etwa auf der Internationalen Raumstation ISS, zeigen. An Bord der ISS gibt es bereits ein regeneratives System, das das Kohlendioxid der Atemluft fortwährend in Kohlenstoff und Sauerstoff spaltet. Vielleicht wird irgendwann eine ähnliche Anlage für die elektrochemische Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff entwickelt.

          Die Wasserstoffproduktion in großem Maßstab bereits während des Hinflugs anzukurbeln, erscheint wenig sinnvoll. Denn dann müsste man genügend Wasser mitnehmen, was das Reisegewicht drastisch erhöhen und die Reisedauer unnötig verlängern würde. Besser wäre es freilich, die Astronauten könnten das Wasser vor Ort – also etwa auf dem Mond oder Mars – nutzen, vorausgesetzt die Vorkommen sind dort groß genug. Der Anfang für eine Wasserstoffwirtschaft im Weltraum ist jedenfalls gemacht.

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