„Salare Elektrolyse“ (erneut) erfunden

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Neue Technologie kann Sauerstoff und Treibstoff aus dem Salzwasser des Mars gewinnen

Ingenieure der Universität in St. Louis, Missouri, haben einer Medienmitteilung zufolge ein Elektrolysegerät entwickelt, das sehr salziges Wasser in atmungsaktiven Sauerstoff und Wasserstoff als Kraftstoff umwandeln kann. Das in den PNAS publizierte Verfahren könnte besonders interessant bei der Erkundung erdnaher Planeten, wie etwa des Mars, sein. Ein Elektrolyseur, der kein reines Wasser benötigt, könnte das Vorgehen verändern.

Wenn es um Wasser und den Mars geht, gibt es gute und nicht so gute Nachrichten. Die gute Nachricht: Es gibt Wasser auf dem Mars! Die nicht ganz so gute Nachricht? Es gibt Wasser auf dem Mars. Der Rote Planet ist extrem kalt; Wasser, das nicht gefroren ist, ist mit ziemlicher Sicherheit voll mit Salz aus dem Marsboden, was die Gefriertemperatur senkt.

Salziges Wasser kann man nicht trinken, und die übliche Methode, es mit Hilfe von Elektrizität (Elektrolyse) in Sauerstoff (zum Atmen) und Wasserstoff (für Treibstoff) aufzuspalten, erfordert die Entfernung des Salzes – ein mühsames, kostspieliges Unterfangen in einer rauen, gefährlichen Umgebung. Wenn Sauerstoff und Wasserstoff jedoch direkt aus dem Salzwasser gewonnen werden könnten, wäre der Sole-Elektrolyseprozess viel weniger kompliziert – und weniger teuer.

Ingenieure an der McKelvey School of Engineering an der Washington University in St. Louis haben ein System entwickelt, das genau das tut. Ihre Forschung wurde heute in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht.

Das Forscherteam unter der Leitung von Vijay Ramani, (Roma B. und Raymond H. Wittcoff Distinguished University Professor im Department of Energy, Environmental & Chemical Engineering) hat sein Sole-Elektrolysesystem nicht nur unter typischen irdischen Bedingungen validiert, sondern auch in einer simulierten Marsatmosphäre bei -33 ?F (-36 ?C) untersucht.

„Unser Mars-Sole-Elektrolyseur verändert das logistische Kalkül von Missionen zum Mars und darüber hinaus radikal, sagte Ramani. „Diese Technologie ist auch auf der Erde nützlich, wo sie die Ozeane als lebensfähige Sauerstoff- und Brennstoffquelle erschließt.“

Im Sommer 2008 hat der Phoenix Mars Lander der NASA Wasser auf dem Mars „berührt und geschmeckt“, Dämpfe aus geschmolzenem Eis, das der Lander ausgegraben hatte. Seitdem hat der Mars Express der Europäischen Weltraumorganisation mehrere unterirdische Teiche mit Wasser entdeckt, die dank des Vorhandenseins von Magnesiumperchlorat – Salz – in einem flüssigen Zustand bleiben.

NASA-Rover Perseverance auf dem Weg zum Mars

Um – auch nur vorübergehend – auf dem Mars leben zu können, ganz zu schweigen von der Rückkehr zur Erde, müssen die Astronauten einige der notwendigen Dinge, einschließlich Wasser und Treibstoff, auf dem Roten Planeten herstellen. Der NASA-Rover Perseverance ist jetzt auf dem Weg zum Mars und trägt Instrumente, die die Hochtemperatur-Elektrolyse nutzen werden. Das Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment (MOXIE) wird jedoch nur Sauerstoff produzieren, und zwar aus dem Kohlendioxid der Luft.

Gemeinsam mit internationalen Kollegen hat Prof. Peter Strasser, Leiter des Fachgebiets Technische Chemie an der TU Berlin, im Mai 2020 eine Studie über die Möglichkeiten und technischen Herausforderungen der Elektrolyse von Salzwasser in Nature Energy veröffentlicht.

Das in Ramanis Labor entwickelte System kann mit der gleichen Energiemenge 25mal mehr Sauerstoff produzieren als MOXIE. Außerdem produziert es Wasserstoff, der als Treibstoff für die Heimreise der Astronauten verwendet werden könnte.

„Unser neuartiger Sole-Elektrolyseur enthält eine von unserem Team entwickelte Blei-Ruthenat-Pyrochlor-Anode in Verbindung mit einer Platin-auf-Kohle-Kathode“, sagte Ramani. „Diese sorgfältig konstruierten Komponenten, gepaart mit der optimalen Nutzung traditioneller elektrochemischer Konstruktionsprinzipien, haben zu dieser hohen Leistung geführt.“ Dank des sorgfältigen Designs und der einzigartigen Anode funktioniert das System, ohne dass die Wasserquelle erhitzt oder gereinigt werden muss.

„Paradoxerweise helfen die gelösten Perchlorate im Wasser, so genannte Verunreinigungen, tatsächlich in einer Umgebung wie der des Mars“, sagte Shrihari Sankarasubramanian, ein Forscher in Ramanis Forschungsgruppe und Mit-Erstautor der Arbeit. „Sie verhindern, dass das Wasser gefriert“, sagte er, „und verbessern auch die Leistung des Elektrolyseursystems, indem sie den elektrischen Widerstand senken.“

Normalerweise verwenden Wasserelektrolyseure hochgereinigtes, deionisiertes Wasser, was die Kosten des Systems in die Höhe treibt. Ein System, das mit „suboptimalem“ oder salzhaltigem Wasser arbeiten kann, wie die von Ramanis Team demonstrierte Technologie, kann den wirtschaftlichen Nutzen von Wasserelektrolyseuren überall erheblich steigern – natürlich auch hier auf der Erde.

„Nachdem wir diese Elektrolyseure unter anspruchsvollen Marsbedingungen demonstriert haben, beabsichtigen wir, sie auch unter viel milderen Bedingungen auf der Erde einzusetzen, um Brack- oder Salzwasser zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff zu nutzen, zum Beispiel durch Meerwasserelektrolyse“, sagt Pralay Gayen, Postdoktorand in Ramanis Forschungsgruppe und ebenfalls Erstautor der Studie.

Solche Anwendungen könnten im Verteidigungsbereich nützlich sein, um zum Beispiel in U-Booten Sauerstoff nach Bedarf zu erzeugen. Sie könnten auch Sauerstoff liefern, wenn Forscher unbekannte Umgebungen in der Tiefsee erforschen, die näher an unserer Heimat liegen.

Die zugrundeliegenden Technologien, die das Sole-Elektrolyseur-System ermöglichen, sind Gegenstand von Patentanmeldungen durch das Office of Technology Management und können von der Universität lizenziert werden.

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