Dipl.-Ing. Roger Förstner |
Aus energetischen und wirtschaftlichen Gründen ist es
nahezu unmöglich, den Treibstoff für den Rückflug eines Raumfahrzeuges vom Mars zur
Erde bereits von der Erde aus mitzuführen. Immerhin benötigte man für einen bemannten
Rückflug vom Mars zur Erde die Energiemenge von rund 726 000 MJ, das sind ca. sechs
Tonnen Wasserstoff und 48 Tonnen Sauerstoff, die ausreichen, um einen Drei-Personen
Haushalt für vier Jahre mit Strom zu versorgen. Erst durch die Möglichkeit, Treibstoff
direkt aus den am Mars verfügbaren Ressourcen zu produzieren, das heißt aus der
Kohlendioxidatmosphäre und der verfügbaren Solarstrahlung, könnte eine derartige
Mission realisiert werden.
Zur Zeit wird zur Erfüllung dieser Aufgabe ein Konzept favorisiert, bei dem der
Brennstoff, etwa Wasserstoff, von der Erde mitgebracht wird, während aus dem Kohlendioxid
der Marsatmosphäre Sauerstoff produziert wird, der als Oxidator dienen soll. Hierfür
wurde ein spezieller Sauerstoffgenerator von Prof. K.R. Sridhar am Space Technologies
Laboratory der University of Arizona entwickelt. Dieser wird tagsüber mit elektrischer
Energie aus den Solarzellen versorgt und spaltet das Kohlendioxid bei einer
Arbeitstemperatur von 800 °C in Sauerstoff und Kohlenmonoxid auf. Der Sauerstoff wird
gespeichert, während das Kohlenmonoxid wieder abgegeben wird. Eine Versuchseinrichtung
dieses Sauerstoffgenerators wird bereits im Jahre 2001 bei der nächsten unbemannten
Marsmission getestet werden.
Im Rahmen eines Studierendenaustausches zwischen dem Institut für Raumfahrtsysteme der
Universität Stuttgart und dem Space Technologies Laboratory in Arizona wurde nun eine
Weiterentwicklung dieser Technologie untersucht, die den Betrieb des Sauerstoffgenerators
auch während der Nachtphasen als Brennstoffzelle ermöglicht. Diese Weiterentwicklung
sieht vor, daß ein Teil des Sauerstoffs, der tagsüber als Sicherheitsüberschuß
produziert wurde, nachts mit dem Kohlenmonoxid in der Brennstoffzelle dazu genutzt wird,
einen Teil der aufgewendeten Energie zurückzugewinnen also zu regenerieren. Deshalb
wird dieses Konzept auch als regenerative Brennstoffzelle bezeichnet.
Funktionsprinzip
Das Funktionsprinzip der regenerativen Brennstoffzelle basiert auf einem
oxidkeramischen Festelektrolyt (Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumdioxid, kurz YSZ). Der
Festelektrolyt ist ab Temperaturen über 500 °C für Sauerstoffionen leitfähig, was
dadurch zustande kommt, daß in dem Kristallgitter Sauerstoffehlstellen existieren. Die
Sauerstoffionen können somit von Fehlstelle zu Fehlstelle “springen“ und durch
den Elektrolyt wandern. Um den Stromkreis zu schließen, müssen an der Oberfläche des
Elektrolyts Elektroden vorhanden sein. Diese bestehen aus Platin, das sehr gut leitet und
katalytisch aktiv ist. Ein Beispiel für den Aufbau einer Zelle ist in der Abbildung
dargestellt.
Schematischer Aufbau einer regenerativen Brennstoffzelle. |
Beim Betrieb einer regenerativen Brennstoffzelle müssen
zwei Arbeitsweisen unterschieden werden. Zum einen der Elektrolysemodus während des
Marstages: Hier wird Kohlendioxid der Zelle zugeführt und eine Spannung angelegt. Das
Kohlendioxid wird an der Grenze zwischen Elektrode und Elektrolyt in Kohlenmonoxid und
Sauerstoff aufgespalten. Das Kohlenmonoxid wird abgeführt und gespeichert, während die
Sauerstoffionen aufgrund der angelegten Spannung durch den Elektrolyt zur anderen Seite
wandern, so daß sich dort reiner Sauerstoff ansammelt, der ebenfalls gespeichert wird und
primär als Oxidator für die Rückreise zur Erde dient.
Der zweite Arbeitsmodus ist der eigentliche Brennstoffzellenmodus, der in der Nacht zum
Einsatz kommt. Hierbei wird der Zelle der Sicherheitsüberschuß des Sauerstoffs und das
Kohlenmonoxid wieder zugeführt. Der Sauerstoff wird an der Elektrode in Sauerstoffionen
aufgespalten und wandert aufgrund des Konzentrationsgefälles durch den Elektrolyt zur
anderen Elektrode, wo er dann zusammen mit dem Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid reagiert. Bei
dieser Reaktion wird sowohl elektrische als auch thermische Energie frei, die dann für
verschiedene Zwecke genutzt werden kann.
Das Besondere bei der untersuchten regenerativen Brennstoffzelle ist, daß eine einzige
Zelle aufgrund der Verwendung eines oxidkeramischen Festelektrolyts sowohl als
Elektrolyseur als auch als Brennstoffzelle betrieben werden kann, was mit herkömmlichen
Brennstoffzellen nicht möglich ist.
Ausblick
Die Nutzung von regenerativen Brennstoffzellen als Energiespeicher und
Energiequelle für Raumfahrtmissionen wird schon seit einigen Jahren untersucht. Durch
diese Technologie kann insbesondere das Gewicht von Raumfahrzeugen reduziert werden. Wie
immer in der Raumfahrt und in zunehmendem Maß auch für andere technologische
Problemstellungen bedeutet eine Gewichtsreduktion auch eine Kostenreduktion. Es ist
deshalb leicht vorstellbar, daß eine derartige Schlüsseltechnologie der Energieerzeugung
und -speicherung auch für Anwendungen auf der Erde in der Zukunft eine wesentliche Rolle
spielen wird. Dies wird nicht zuletzt durch die weltweiten Anstrengungen deutlich,
Brennstoffzellen für den Einsatz in Automobilen und Kraftwerken zu entwickeln.
R. Förstner
KONTAKT
Dr.-Ing. Stefanos Fasoulas, Dipl.-Ing. Roger Förstner, Institut für Raumfahrtsysteme,
Universität Stuttgart, Tel: 0711/685-2030 und -2383, e-mail: forstner@irs.uni-stuttgart.de, fasoulas@irs.uni-stuttgart.de
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