COLA ZERO - Umwandlung von Kohlendioxid unter variierender Gravitation
Damit astronautische Langzeitmissionen zum Mond oder Mars realisierbar werden, ist die effiziente Nutzung und Wiederverwertung aller vor Ort verfügbaren Rohstoffe und die Unabhängigkeit von Nachschublieferungen von der Erde essenziell. Unter diesem Aspekt hat Kohlendioxid (CO₂) eine andere Bedeutung als für uns auf der Erde, wo wir es hauptsächlich als Treibhausgas wahrnehmen. Mittels Elektrolyse lassen sich aus CO₂ wertvolle chemische Produkte gewinnen, etwa Kohlenmonoxid oder Methan, die als Treibstoffe oder chemische Baustoffe dienen können. Als Nebenprodukt entsteht dabei zusätzlich Sauerstoff, der unmittelbar für die Lebenserhaltung genutzt werden kann. Der Vorteil: Kohlendioxid steht auf Raumfahrtmissionen jederzeit als Rohstoff zur Verfügung – durch den menschlichen Metabolismus (Ausatmung von CO₂) ebenso wie durch das natürliche Vorkommen, beispielsweise in der Marsatmosphäre, die zu etwa 95 Prozent aus CO₂ besteht.
Für Raumfahrtanwendungen ist es notwendig, dass diese elektrochemischen Verfahren mit besonders kompakten, effizienten und wartungsarmen Systemen umgesetzt werden. Dieser Aufgabe widmet sich die Arbeitsgruppe (Photo-)Elektrokatalyse am Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universität Bremen. In dem Experiment COLA ZERO wird untersucht, wie sich die elektrochemische Umwandlung von CO₂ unter veränderter Gravitation verhält und welchen Einfluss die Schwerelosigkeit auf die Leistung und Stabilität der Elektrode sowie auf die Zusammensetzung der entstehenden gasförmigen und flüssigen Produkte hat.
Im Mittelpunkt des Experiments steht eine an die Bedingungen von Raumfahrtmissionen angepasste Elektrolysezelle. Sie ermöglicht es, CO₂-Gas auf der einen Seite mit einer Elektrode in Kontakt zu bringen, während auf der anderen Seite ein flüssiger Elektrolyt zirkuliert. Diese Trennung von Gaszufuhr und Flüssigkeit im Experimentaufbau ist in Mikrogravitation von Vorteil. Denn unter reduzierter Gravitation verändern sich die Bewegung des Elektrolyten sowie der Transport von Gasblasen und Reaktionsprodukten. In der Schwerelosigkeit entfällt der Auftrieb, sodass sich die entstandenen Gasblasen nicht mehr selbstständig von der Elektrode ablösen. Sie verweilen länger an der Katalysatorschicht, wachsen zusammen und blockieren die Bildung weiterer Gasblasen. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung wird das CO₂ an der Elektrodenoberfläche umgewandelt. Die entstehenden Produkte werden anschließend gesammelt und analysiert.
Die Messungen während des Parabelflugs sollen zeigen, welche Auswirkungen diese Veränderungen auf die elektrochemische Reaktion haben. Die Ergebnisse können dazu beitragen, elektrochemische Systeme für den Einsatz bei zukünftigen Weltraummissionen weiterzuentwickeln und effizienter zu gestalten.
Die Experiment-Zelle wurde bereits erfolgreich im Fallturm unter 9,3 Sekunden Schwerelosigkeit getestet. Die längeren Schwerelosigkeitsphasen des Parabelflugs bieten nun zum ersten Mal die Möglichkeit, die genaue Zusammensetzung der unter Schwerelosigkeit entstehenden Gase sowie das Verhalten des Reaktors über einen deutlich längeren Zeitraum zu analysieren. Gleichzeitig ist der Versuchsaufbau so ausgelegt, dass er sowohl im Fallturm als auch im Parabelflug eingesetzt werden kann, ohne dass er grundlegend verändert werden muss.