Die Sicherstellung einer zuverlässigen Versorgung mit Atemluft ist für Langzeitmissionen im tiefen Weltraum von entscheidender Bedeutung, da Nachschubmöglichkeiten dort extrem begrenzt sind. Traditionelle Methoden, wie die Elektrolyse an Bord der Internationalen Raumstation (ISS), erweisen sich für solche Unternehmungen aufgrund ihrer Komplexität und des hohen Energiebedarfs als unpraktikabel.
Ein internationales Forscherteam, bestehend aus Wissenschaftlern des Georgia Institute of Technology, des Zentrums für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) an der Universität Bremen und der University of Warwick, hat ein System entwickelt, das magnetische Wechselwirkungen nutzt, um die Effizienz der Wasserelektrolyse im Weltraum zu verbessern. Dieser innovative Ansatz begegnet den Herausforderungen der Mikrogravitation, bei der Gasblasen, die während der Elektrolyse entstehen, dazu neigen, an den Elektroden zu haften und den Trennungsprozess zu behindern.
Dr. Álvaro Romero-Calvo vom Georgia Institute of Technology leitete die Forschung, die zeigte, wie Magnetfelder elektrochemische Blasenströmungen in der Schwerelosigkeit effektiv steuern können. Durch den Einsatz handelsüblicher Permanentmagnete wurde ein passives Phasentrennungssystem geschaffen, das Gasblasen von den Elektroden wegführt und an bestimmten Punkten sammelt. Dieses Verfahren eliminiert die Notwendigkeit komplexer mechanischer Komponenten wie Zentrifugen und Pumpen, was zu einem leichteren, einfacheren und nachhaltigeren Lebenserhaltungssystem für Tiefraummissionen führt.
Die Forschung, veröffentlicht in Nature Chemistry, hebt zwei Schlüsselmechanismen hervor: Diamagnetismus und Magnetohydrodynamik. Diamagnetismus weist Wasser von Magnetfeldern ab und lenkt Gasblasen zu Sammelpunkten. Magnetohydrodynamik entsteht aus der Wechselwirkung zwischen Magnetfeldern und elektrischen Strömen, die bei der Elektrolyse erzeugt werden, und bewirkt eine Drehbewegung in der Flüssigkeit, die Gasblasen durch konvektive Effekte vom Wasser trennt. Diese kombinierten Effekte steigern die Ablösung und Bewegung von Gasblasen und verbessern die Gesamteffizienz der elektrochemischen Zellen um bis zu 240 Prozent.
Die Validierung des Systems erfolgte durch Experimente im ZARM-Fallturm in Bremen, Deutschland, der Bedingungen der Mikrogravitation simuliert. Die Ergebnisse bestätigten, dass magnetische Kräfte elektrochemische Blasenströmungen in der Schwerelosigkeit machbar steuern können. Dies stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Strömungsmechanik bei geringer Schwerkraft dar und ermöglicht zukünftige Architekturen für bemannte Raumflüge. Die Forscher planen weitere Tests in suborbitalen Raketenflügen, um die Methode unter erweiterten Mikrogravitationsbedingungen zu validieren.
Diese Entwicklung hat weitreichende Implikationen für die Zukunft der Raumfahrt. Sie ebnet den Weg für robustere und kostengünstigere Lebenserhaltungssysteme, die für die Autonomie von Missionen jenseits der Erdumlaufbahn unerlässlich sind. Experten sehen darin einen entscheidenden Schritt zur Ermöglichung längerer und weiterreichender menschlicher Erkundungen, da die Abhängigkeit von Nachschub von der Erde reduziert wird. Die Einfachheit und Effizienz des magnetischen Ansatzes könnten auch kommerzielle Raumfahrtunternehmen zugutekommen, die bestrebt sind, die Kosten und die Komplexität ihrer Missionen zu senken. Dieser Durchbruch unterstreicht das Potenzial für interdisziplinäre Zusammenarbeit, bei der Erkenntnisse aus der Physik und Chemie angewendet werden, um grundlegende Herausforderungen der Raumfahrt zu lösen und die menschliche Präsenz im Kosmos zu erweitern.