Seit Beginn der astronautischen Raumfahrt in den 1960er Jahren gibt es eine Herausforderung, für die es bis heute keine einfache L?sung gibt: die zuverl?ssige und effiziente Herstellung von Sauerstoff im Weltraum. Auf der Internationalen Raumstation (ISS) übernehmen diese Aufgabe derzeit schwere, wartungs- und energieintensive Systeme – keine ideale L?sung für Langzeitmissionen zum Mond oder Mars. In der in Nature Chemistry ver?ffentlichten Studie stellt ein internationales Forschungsteam des Zentrums für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universit?t Bremen, der ?University of Warwick“ und des ?Georgia Institute of Technology“ eine bemerkenswert einfache und elegante Alternative vor. Durch den Einsatz von Magnetismus soll die zukünftige Sauerstoffproduktion leichter und nachhaltiger gestalten werden.
Sauerstoffgewinnung im All geschieht meist durch Wasserelektrolyse. Dabei wird Wasser mithilfe von elektrischer Spannung in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. In der Schwerelosigkeit haften die entstehenden Gasblasen jedoch an den Elektroden oder bleiben in der Flüssigkeit ?gefangen“ – im Gegensatz zur Erde, wo sie einfach aufsteigen und aus der Flüssigkeit entweichen. Das erschwert die Trennung von Gas und Flüssigkeit erheblich und macht den Prozess deutlich energieintensiver. Um Gase und Flüssigkeit zu trennen, werden auf der ISS derzeit komplexe Systeme aus Zentrifugen mit vielen Bauteilen eingesetzt. Diese Systeme sind jedoch schwer, wartungsaufwendig und verbrauchen viel Energie. Alles das macht sie für künftige Langzeitmissionen ungeeignet, bei denen jedes Kilogramm Equipment beim Start entscheidend ist und jedes Watt Strom im Weltall z?hlt.
Die L?sung: Magnetismus
Das internationale Forschungsteam konnte zeigen, dass Magnetfelder die Gasblasen in Schwerelosigkeit gezielt von den Elektroden weglenken und somit die Trennung von Gas und Flüssigkeit deutlich vereinfachen k?nnen. Mithilfe von handelsüblichen Dauermagneten entwickelten die Forschenden ein passives System, das die Blasen automatisch zu bestimmten Sammelpunkten leitet – ganz ohne bewegliche Teile oder zus?tzlichen Energiebedarf.
Dabei kamen zwei sich erg?nzende Ans?tze zum Einsatz: Einer nutzt die natürliche Reaktion von Wasser auf Magnetfelder in Schwerelosigkeit, um Gasblasen zu lenken. Der andere erzeugt durch die Wechselwirkung von Magnetfeldern und den bei der Elektrolyse entstehenden elektrischen Str?men eine Drehbewegung in der Flüssigkeit. Diese sorgt dafür, dass sich Gas und Flüssigkeit voneinander trennen, ?hnlich, wie bei den mechanischen Zentrifugen auf der ISS, jedoch unter Verwendung magnetischer Kr?fte anstelle mechanischer Rotation.
Die ver?ffentlichten Ergebnisse basieren auf vier Jahren gemeinsamer Forschungsarbeit. ?lvaro Romero-Calvo vom Georgia Institute of Technology entwickelte bereits 2022 die Grundidee und führte erste Berechnungen und Simulationen durch. Anschlie?end arbeitete er an der Weiterentwicklung eines Systems, das Wasser mithilfe magnetischer Effekte in Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet. Um die Theorie experimentell zu belegen, entwickelten Katharina Brinkert (bis 2024 University of Warwick, jetzt ZARM) und ihr Team spezielle elektro- und photoelektrochemische Versuchsaufbauten für den Einsatz in der Schwerelosigkeit. ?Wir konnten zeigen, dass es für die Trennung von Wasserstoff und Sauerstoff keine Zentrifugen oder mechanische Bauteile braucht – nicht einmal zus?tzliche Energie. Das System funktioniert vollkommen passiv und ist sehr wartungsarm“, erkl?rt Brinkert.
?mer Akay war für die Durchführung der Experimente im Bremer Fallturm des ZARM zust?ndig und trug die Ergebnisse für die Ver?ffentlichung zusammen: ?Unsere Elektrolysezellen erm?glichen die Sauerstoff- und Wasserstoffproduktion aus Wasser in Schwerelosigkeit mit einer Effizienz, die der auf der Erde sehr nahe kommt.“
Erfolgreiche Tests in Mikrogravitation
Die Experimente best?tigten, dass magnetische Kr?fte die Abl?sung und Bewegung der Gasblasen deutlich verbessern und die Effizienz der Elektrolysezellen um bis zu 240 Prozent steigern k?nnen. Damit wird ein langj?hriges ingenieurtechnisches Problem der Raumfahrt gel?st – und der Weg für leichtere, robustere und nachhaltigere Systeme zur Lebenserhaltung im All geebnet. Als n?chster Schritt soll das System auf H?henforschungsraketen weiter getestet werden.
Das Projekt wird vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), der Europ?ischen Weltraumorganisation (ESA) und der US-Raumfahrtbeh?rde NASA gef?rdert.
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Link zur Ver?ffentlichung: https://www.nature.com/articles/s41557-025-01890-0
YouTube Short: https://youtube.com/shorts/uuFD7nLq5Ak?si=aI6EqQ21hEcBuskq
Wissenschaftlicher Kontakt:
Katharina Brinkert (Co-Direktorin des ZARM und Leiterin des Forschungsteams ?Photoelektrokatalyse”)
E-Mail: katharina.brinkertprotect me ?!zarm.uni-bremenprotect me ?!.de
?mer Akay
E-Mail: oemer.akayprotect me ?!zarm.uni-bremenprotect me ?!.de
Pressekontakt:
Jasmin Pl?ttner
E-Mail: communicationprotect me ?!zarm.uni-bremenprotect me ?!.de
Tel. 0421 218-57794
