Atmen auf dem Mars

Die NASA bereitet die menschliche Erforschung des Mars vor. Die Mars 2020 Rover Mission versucht erstmalig, aus Kohlendioxid Sauerstoff zu erzeugen. Temperaturbeständiges Fügeglas von SCHOTT sorgt dafür, dass die dafür erforderliche Elektro lysezelle unter den extremen Bedingungen einwandfrei funktioniert.

Die NASA bereitet die menschliche Erforschung des Mars vor. Die Mars 2020 Rover Mission versucht erstmalig, aus Kohlendioxid Sauerstoff zu erzeugen. Temperaturbeständiges Fügeglas von SCHOTT sorgt dafür, dass die dafür erforderliche Elektro lysezelle unter den extremen Bedingungen einwandfrei funktioniert.

Ist Leben auf anderen Planeten möglich? Um diese Frage zu beantworten, will die US-Raumfahrtbehörde NASA 2020 den nächsten Forschungsroboter auf den Mars schicken. An Bord sind sieben Instrumente, um den Planeten zu erforschen – besser als jemals zuvor. Eines der spannendsten Projekte ist das „Mars Oxygen ISRU Experiment“ (MOXIE). ISRU steht für „In-Situ Resource Utilization“ und damit für die Nutzung vor Ort vorhandener Rohstoffe. Das Experiment versucht erstmals, durch Elektrolyse von Kohlendioxyd reinen Sauerstoff aus der Marsatmosphäre zu gewinnen. Dazu nutzt MOXIE einen sogenannten „Solid Oxide Electrolysis“ (SOXE)-Stack, entwickelt von der US-Firma OXEon Energy. Auf der Expedition werden die Stack-Materialien extremen Belastungen ausgesetzt: Sie müssen nicht nur Vibrationen des Raketenstarts und den Landungsaufprall unbeschädigt überstehen, sondern auf dem roten Planeten von durchschnittlich – 55 °C auf über 800 °C aufgeheizt werden. Damit die Elektrolysezelle den rauen Umweltbedingungen und hohen Betriebstemperaturen standhält, nutzt OXEon glaskeramische Einschmelzgläser von SCHOTT.

Bei der Herstellung des SOXE-Stacks wird das Glaspulver aufgeschmolzen und geht mit dem oxidkeramischen Elektrolyt sowie dem Metall des Zellgehäuses eine dauerhaft hermetisch dichte Verbindung ein. So wird eine Verunreinigung des Sauerstoffs mit CO2 verhindert. Zudem werden die Interkonnektoren der in Reihe geschalteten Zellen im Stack mit dem alkalifreien Glas auch bei hohen Temperaturen elektrisch isoliert.

„Die unterschiedlichen Temperaturen und starken Kräfte stellen eine besondere Herausforderung für das MOXIE dar“, erklärt Dr. Jens Suffner, Technical Sales Manager bei SCHOTT in Landshut. „Denn ab 500 °C werden viele Gläser weich und verformbar“. SCHOTT nutzt daher speziell auf die Verbindungspartner abgestimmte Gläser mit definierten kristallinen Phasen. „Dadurch bleibt die Masse auch unter den rauen Marsbedingungen gasdicht und fest an Ort und Stelle.“

Erfüllt MOXIE seinen Auftrag, könnte es die Marsforschung revolutionieren. Dann wäre es möglich, die für eine bemannte Raumfahrtmission benötigte Atemluft direkt vor Ort zu produzieren und gleichzeitig mit dem entstehenden Gas Raketentreibstoff herzustellen. Damit würde ein wichtiger Teil des Problems gelöst, wie ein Rückflug zu bewerkstelligen wäre – bisher ist der Weg zum roten Planeten eine reine Einbahnstraße.

SCHOTT nutzt speziell auf die Verbindungspartner abgestimmte Gläser mit definierten kristallinen Phasen.
Hochtemperaturbeständiges Fügeglas von SCHOTT schützt die Elektrolysezelle.

So funktioniert das MOXIE

MOXIE verwendet einen von OXEon Energy entwickelten Festkörperoxid-Elektrolyse (SOXE) „Stack“, um Kohlenstoffdioxid (CO2) zu Sauerstoff (O2) umzuwandeln. Seine Arbeitselemente sind gestapelte, Elektrolyt-gestützte Zellen aus Scandium-stabilisiertem Zirkonoxid, die auf der einen Seite mit einer katalytischen Kathode und auf der anderen Seite mit einer Anode beschichtet sind. Die Zellen werden durch dehnungsangepasste Verbindungen getrennt, die Quell-, Ab- und Produktgase zu und von ihren jeweiligen Verteilern leiten, und mit dem hochtemperaturbeständigen Fügeglas von SCHOTT verbunden. Das Glas sorgt für die elektrische Isolierung, Gasdichtigkeit und mechanische Stabilität.

Wenn CO2 über die katalytisch aktive Kathodenoberfläche fließt, entsteht eine Reaktion und es wird elektrolysiert. Das CO wird aus der Zelle geleitet und das Sauerstoffion elektrochemisch durch die SOXE-Elektrode zur Anode getrieben, wo es oxidiert wird. Die O-Atome verbinden sich zu dem gasförmigen O2, das dann proportional aus dem Anodenhohlraum freigesetzt wird. Die Reaktionschemie bestimmt auf einzigartige Weise sowohl den minimalen elektrischen Strom als auch den minimalen CO2-Fluss, der zur Erzeugung von O2 bei einer bestimmten Geschwindigkeit erforderlich ist.

6. August 2018

Kontakt

Elisabeth Fey
Electronic Packaging
SCHOTT AG

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