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Elektrolyse für Salziges

So wird Marswasser zu Sauerstoff & Treibstoff

Auf dem Mars könnte es nutzbare Wasserquellen für zukünftige Missionen geben. Doch das Nass des Roten Planeten ist problematisch. (Bild: dottedhippo/iStock)

Wie lassen sich bei bemannten Marsmissionen Atemsauerstoff sowie Treibstoff für die Rückkehr herstellen? Dazu könnten die Marsbesucher das extrem salzige Wasser des Planeten nutzen, berichten Forscher: Sie haben ein Elektrolysesystem entwickelt, das aus dem Marswasser trotz seines hohen Gehalts an Magnesiumperchlorat Sauerstoff und Wasserstoff erzeugen kann. Auch auf der Erde könnte das System zur direkten Gewinnung dieser Substanzen aus Salzwasser dienen, sagen die Wissenschaftler.

Viele werden sich an das Verfahren wahrscheinlich noch aus Experimenten im Schulunterricht erinnern: Durch die sogenannte Elektrolyse lassen sich bestimmte Substanzen mithilfe von Elektrizität in ihre Bausteine aufspalten. So lässt sich auch Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff trennen. Diese Gase können anschließend zur Verwendung gesammelt werden. Der Sauerstoff kann dann als Atemgas dienen und das H2 als Brennstoff. Zumindest theoretisch ist klar: Das Verfahren lässt sich nicht nur auf der Erde einsetzten – die Elektrolyse könnte auch auf fremden Himmelskörpern die begehrten Substanzen aus Wasser herstellen. Besonders interessant erscheint dies im Fall des nächsten großen Ziels der bemannten Raumfahrt: Die NASA plant, bis 2033 die ersten Menschen auf den Mars zu bringen.

Aus verschiedenen Untersuchungen geht bereits hervor, dass es auf dem Mars nutzbare Wasservorkommen in Form von Eis gibt. Es könnte sogar Reservoire im Untergrund geben, die trotz der tiefen Temperaturen auf unserem Nachbarplaneten flüssig bleiben. Der Grund dafür sind sehr hohe Gehalte an Magnesiumperchlorat, das im Marsboden reichlich vorkommt. Dieses Salz kann ähnlich wie das Streusalz auf den irdischen Straßen den Gefrierpunkt der Salzlauge auf dem Mars stark senken. Was einen Einsatz als Ausgangsmaterial für eine Elektrolyse betrifft, ist dies allerdings problematisch. Denn die herkömmlichen Verfahren benötigen reines Wasser.

Marswasser ist problematisch

Das Marswasser müsste deshalb zunächst entsalzt werden. Unter den schwierigen und frostigen Bedingen auf dem Mars wäre dies allerdings mit einem erheblichen Aufwand verbunden. Bisher wird diese Möglichkeit auch noch nicht ausgelotet. Der Rover „Perseverance“, den die NASA im Juli 2020 auf den Weg zum Mars geschickt hat, ist nur mit Instrumenten ausgestattet, die eine Nutzung des atmosphärischen Kohlendioxids durch Elektrolyse ermöglichen sollen. Das Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment (MOXIE) kann daher nur Sauerstoff produzieren und keinen Wasserstoff. Doch wie sich nun zeigt, könnte es auch bald eine praktikable Möglichkeit geben, beides auf dem Mars herzustellen.

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Wie die Forscher um Vijay Ramani von der Washington University in St. Louis berichten, ist es ihnen geglückt, ein Elektrolysesystem zu entwickeln, das Sauerstoff und Wasserstoff auch direkt aus Salzwasser gewinnen kann. Der Schlüssel liegt dabei in den Materialien der mit dem Pluspol verbundenen Anode und der mit dem Minuspol verbundenen Kathode. Die Forscher fanden eine Zusammensetzung, die eine Funktion auch bei hohen Salzgehalten ermöglicht. „Unser neuartiges Sole-Elektrolyse-System enthält eine von unserem Team entwickelte Blei-Ruthenat-Pyrochlor-Anode in Verbindung mit einer Platin-Kathode auf Kohlenstoff“, sagt Ramani. Die Sauerstoffentwicklung wird dabei an der Anode katalysiert, und die Wasserstoffentwicklung an der Kathode, erklären die Wissenschaftler.

Direkte Salzwasser-Elektrolyse ermöglicht

Die Forscher konnten durch Versuche zeigen, dass das Sole-Elektrolysesystem auch unter simulierten Marsbedingungen ohne eine Aufbereitung der Wasserquelle und ohne Erwärmung funktioniert. „Das im Wasser gelöste Perchlorat ist sogar hilfreich: Es verhindert, dass das Wasser gefriert, und verbessert auch die Leistung des Elektrolysesystems, indem es den elektrischen Widerstand senkt“, sagt Co-Autor Shrihari Sankarasubramanian. Es zeigte sich, dass das Konzept mit derselben Energiemenge 25-mal mehr Sauerstoff produzieren kann als das MOXIE-System des Perseverance-Rovers, das das Gas aus Kohlendioxid gewinnt. Doch vor allem produziert die Sole-Elektrolyse gleichzeitig auch Wasserstoff, der als Treibstoff dienen kann. „Unser System könnte die logistische Planung von Missionen zum Mars und darüber hinaus radikal verändern“, sagt Ramani.

Der Blick der Forscher richtet sich allerdings nicht nur in den Himmel: „Diese Technologie könnte sich auch auf der Erde als nützlich erweisen, wo sie das Meerwasser als Sauerstoff- und Treibstoffquelle erschließen könnte“, sagt Ramani. Sein Kollege Pralay Gayen führt dazu weiter aus: „Nachdem wir das Potenzial des Konzepts unter Marsbedingungen demonstriert haben, beabsichtigen wir, es nun auch für irdische Anwendung auszuloten. So ließe sich etwa Brack- oder Salzwasser direkt nutzen“, so der Forscher. Konkret könnte das nun zum Patent angemeldete System U-Boote bei Erkundungen der Tiefsee mit Sauerstoff versorgen, sagen die Wissenschaftler.

Quelle: Washington University in St. Louis, Fachartikel: PNAS, doi: 10.1073/pnas.2008613117

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