Kann dieser Reaktor auf dem Mars Treibstoff produzieren?
Kann ein neuer Elektrolyseur auf dem Mars Sauerstoff und Treibstoff erzeugen? Parabelflüge testen, ob Gasblasen bei 0,38 g die Effizienz bremsen.
Ein Experiment des Southwest Research Institute und der University of Texas at San Antonio hat eine entscheidende NASA-Prüfung bestanden und wurde damit für Parabelflugversuche freigegeben. Die abgebildete Flugvorrichtung enthält eine neuartige Elektrolysetechnologie. Ihre Leistung und die damit verbundene Blasen-Dynamik werden unter Schwerelosigkeit getestet.
Foto: Southwest Research Institute/UT San Antonio
Nur 15 bis 20 Sekunden bleiben den Forschenden pro Versuch. So lange herrscht während eines Parabelflugs annähernd Marsgravitation. In dieser kurzen Zeit soll sich zeigen, ob Gasblasen einen neuartigen Elektrolyseur ausbremsen – oder ob das System auf dem Mars einmal Sauerstoff und Treibstoffkomponenten produzieren könnte.
Der Versuchsaufbau trägt den Namen Mars Atmospheric Reactor for Synthesis of Consumables, kurz MARS-C. Entwickelt wird er vom Southwest Research Institute (SwRI) und der University of Texas at San Antonio. Nach Angaben der beteiligten Institute hat das Experiment nun eine NASA-Prüfung bestanden. Konstruktion, Versuchsabläufe und Sicherheitsvorkehrungen erfüllen demnach die Anforderungen für den Einsatz an Bord eines Parabelflugzeugs.
Damit ist MARS-C noch nicht für den Mars qualifiziert. Die Freigabe ermöglicht zunächst den entscheidenden nächsten Versuch: den Betrieb bei einer Schwerkraft von 0,38 g.
Inhaltsverzeichnis
Warum Gasblasen bei 0,38 g zum Problem werden
Elektrolyseure treiben mithilfe elektrischer Energie chemische Reaktionen an. Dabei entstehen an den Elektroden gasförmige Produkte. Auf der Erde sorgt der Auftrieb dafür, dass sich die Gasblasen von den Oberflächen lösen und nach oben steigen.
Auf dem Mars wirkt die Schwerkraft jedoch nur etwa 38 % so stark wie auf der Erde. Der Auftrieb ist entsprechend geringer. Gasblasen könnten dadurch länger an den Elektroden haften bleiben. Dort verdrängen sie die Flüssigkeit und verkleinern die Fläche, an der die elektrochemischen Reaktionen stattfinden können. Auch der Transport der Ausgangsstoffe zur Elektrode kann sich verändern.
Wie stark dieser Effekt die Leistung beeinflusst, lässt sich auf der Erde nur eingeschränkt untersuchen. Zwar können Forschende niedrige Temperaturen, Gaszusammensetzungen und Drücke in Versuchskammern nachbilden. Eine dauerhaft verringerte Schwerkraft ist im Labor jedoch kaum zu erzeugen.
„Uns fehlt ein Verständnis dafür, wie chemische Prozesse, bei denen Blasen entstehen, bei geringer Schwerkraft ablaufen“, erklärte SwRI-Projektleiter Kevin Supak zu Beginn des Projekts. Die Parabelflüge sollen diese Lücke schließen.
Aus Kohlendioxid sollen Sauerstoff und Treibstoffe entstehen
MARS-C soll zwei Rohstoffquellen nutzen: Kohlendioxid und salzhaltiges Wasser. Kohlendioxid macht den größten Teil der Marsatmosphäre aus. Die im Experiment verwendete Flüssigkeit ist allerdings keine echte Marssole, sondern eine im Labor hergestellte Salzlösung, die mögliche Bedingungen auf dem Mars nachbildet.
Zwischen zwei Elektroden wird eine elektrische Spannung angelegt. An einer Elektrode soll Sauerstoff entstehen. An der anderen wird das Kohlendioxid zu kohlenstoffhaltigen Verbindungen reduziert.
Welche Stoffe gebildet werden, hängt unter anderem vom Katalysator, vom Elektrolyten und von der angelegten Spannung ab. Eine 2024 veröffentlichte Modellstudie des Teams betrachtete mehrere mögliche Produkte:
- Sauerstoff als Atemgas und Oxidationsmittel für Raketenantriebe,
- Methan als möglicher Raketentreibstoff,
- Methanol und Ethanol als Brennstoffe oder chemische Ausgangsstoffe,
- Ethylen, Kohlenmonoxid und Formaldehyd für weitere chemische Prozesse.
Die Berechnungen deuten darauf hin, dass sich solche Stoffe auch bei niedrigen marsähnlichen Temperaturen erzeugen lassen könnten. Experimentell bestätigt sind die berechneten Produktionsraten bislang jedoch nicht.
Für eine Marsmission wäre insbesondere Methan interessant. Es lässt sich als Raketentreibstoff verwenden. Sauerstoff könnte den Astronauten als Atemgas dienen und zugleich als Oxidationsmittel für einen Raketenantrieb eingesetzt werden.
Sechs Elektrolysezellen fliegen mit
Für den Flugversuch hat das Team einen etwa 0,9 m breiten und 2,1 m langen Versuchsstand gebaut. Darin befinden sich sechs elektrochemische Zellen. Jede Zelle ist in einem eigenen Behälter untergebracht.
In diesen Kammern lassen sich unter anderem die Feuchtigkeit und die Temperatur kontrollieren. Thermoelektrische Kühlsysteme sollen die Zellen auf niedrige Temperaturen bringen. Im Mittelpunkt des Versuchs steht jedoch nicht die vollständige Nachbildung aller Marsbedingungen, sondern der Einfluss der verringerten Schwerkraft.
Während der Parabeln bleiben die Zellen eingeschaltet. Die Forschenden wollen dabei drei Effekte untersuchen:
- Kameras zeichnen auf, wie sich Gasblasen an den Elektroden bilden, wachsen und ablösen.
- Sensoren messen die elektrischen Ströme in den einzelnen Zellen.
- Nach der Landung werden Proben auf Art und Menge der entstandenen Produkte untersucht.
So lässt sich vergleichen, wie sich die Elektrolyse bei Erd-, Mond- und Marsgravitation sowie bei annähernder Schwerelosigkeit verändert.
Entscheidend ist dabei nicht allein die Gesamtmenge. Auch die Zusammensetzung der Produkte spielt eine Rolle. Ein technisch nutzbarer Reaktor müsste möglichst gezielt den gewünschten Stoff herstellen. Entsteht stattdessen ein Gemisch zahlreicher Verbindungen, müssten diese anschließend mit zusätzlichem Aufwand getrennt werden.
Marsgravitation für wenige Sekunden
Bei einem Parabelflug steigt das Flugzeug zunächst steil auf. Anschließend folgt es einer bogenförmigen Flugbahn. Während dieser Phase befinden sich Flugzeug und Versuchsaufbau für kurze Zeit annähernd im freien Fall.
Durch unterschiedliche Flugprofile lassen sich die Schwerkraft des Mondes, die des Mars oder nahezu Schwerelosigkeit simulieren. Eine einzelne Phase mit verringerter Schwerkraft dauert rund 20 Sekunden. Üblicherweise fliegt das Flugzeug während einer Versuchskampagne mehrere Parabeln hintereinander.
Für einen Langzeittest reicht das nicht. Die wiederholten kurzen Phasen ermöglichen es aber, Veränderungen der Blasenbewegung unmittelbar zu beobachten und die Messungen unter verschiedenen Schwerkraftbedingungen zu vergleichen.
SwRI hat bei früheren Parabelflügen bereits untersucht, wie sich Blasen in kochenden Flüssigkeiten bei verringerter Schwerkraft verhalten. Dabei zeigte sich, dass die Schwerkraft die Bewegung und Ablösung der Blasen beeinflusst – und damit auch die Gasproduktion verändern kann. Diese Erfahrungen fließen nun in den Aufbau von MARS-C ein.
Was MARS-C von MOXIE unterscheidet
Sauerstoff aus Marsrohstoffen herzustellen, ist keine völlig neue Idee. Das NASA-Experiment MOXIE hat bereits direkt auf dem Mars gezeigt, dass sich Sauerstoff aus dem Kohlendioxid der Atmosphäre gewinnen lässt.
MOXIE arbeitete an Bord des Rovers Perseverance und nutzte eine Hochtemperatur-Elektrolyse. Während 16 Versuchsläufen erzeugte das Gerät insgesamt 122 g Sauerstoff. Die höchste Produktionsrate lag bei 12 g/h, die Reinheit bei mindestens 98 %.
MARS-C und MOXIE im Vergleich
MARS-C und MOXIE sollen Ressourcen nutzen, die auf dem Mars verfügbar sind. Technisch verfolgen die Systeme jedoch unterschiedliche Ansätze.
- MARS-C: Elektrochemischer Reaktor, der Kohlendioxid und eine simulierte Marssole in Sauerstoff sowie kohlenstoffhaltige Produkte wie Ethanol oder Methan umwandeln soll.
- Testumgebung: Derzeit Labor- und Parabelflugversuche. Untersucht wird insbesondere der Betrieb bei einer Marsgravitation von rund 0,38 g.
- Ziel: Herstellung von Sauerstoff, Treibstoffen und chemischen Ausgangsstoffen für längerfristige Marsmissionen.
- MOXIE: Experiment an Bord des NASA-Rovers Perseverance, das Kohlendioxid aus der Marsatmosphäre bei hohen Temperaturen in Sauerstoff umwandelte.
- Einsatzort: MOXIE arbeitete zwischen 2021 und 2023 direkt auf dem Mars und absolvierte insgesamt 16 Versuche.
- Unterschied: MOXIE produzierte ausschließlich Sauerstoff. MARS-C soll zusätzlich energiereiche und chemisch nutzbare Kohlenstoffverbindungen erzeugen.
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MARS-C verfolgt einen anderen Ansatz. Der Elektrolyseur soll bei wesentlich niedrigeren Temperaturen arbeiten und neben Sauerstoff auch kohlenstoffhaltige Verbindungen produzieren. Dafür benötigt er zusätzlich zum Kohlendioxid eine wässrige Salzlösung.
MOXIE konnte seinen einzigen Ausgangsstoff direkt aus der Marsatmosphäre ansaugen. Bei MARS-C wäre die Rohstoffversorgung aufwendiger. Wasser müsste zunächst aus Eis oder dem Untergrund gewonnen, aufbereitet und trotz der niedrigen Temperaturen flüssig gehalten werden. Die Modellstudie setzt deshalb voraus, dass spätere Missionen eine verlässliche Quelle für salzhaltiges Wasser erschließen können.
Noch weit von einer Treibstofffabrik entfernt
Ein erfolgreicher Parabelflug würde zunächst zeigen, wie der Elektrolyseur kurzfristig auf Marsgravitation reagiert. Für einen dauerhaften Einsatz bleiben jedoch zentrale Fragen offen:
- Woher kommt das benötigte Wasser?
- Wie zuverlässig arbeitet das System über Monate oder Jahre?
- Wie lassen sich die entstandenen Stoffe trennen und speichern?
- Wie hoch sind Energiebedarf, Masse und Wartungsaufwand?
- Lässt sich die Produktion von kleinen Proben auf mehrere Tonnen Treibstoff skalieren?
Der Flugaufbau ist deshalb noch weit von einer marsianischen Treibstofffabrik entfernt. Er soll zunächst eine grundlegende physikalische Frage beantworten: Lösen sich die Gasblasen bei 0,38 g ausreichend schnell von den Elektroden, oder blockieren sie einen Teil der reaktiven Oberfläche?
Bleiben die Blasen haften, könnte die Leistung deutlich sinken. Funktioniert die Ablösung, wäre zumindest eine wichtige Hürde auf dem Weg zu einem Elektrolyseur für den Mars genommen.
Quellen
- NASA: Space Technology Payload Challenge – MARS-C
Offizielle NASA-Projektseite zum TechLeap-Wettbewerb. Beschreibt MARS-C als elektrochemisches ISRU-System zur Herstellung von Sauerstoff, Wasserstoff sowie C1- und C2-Verbindungen aus Kohlendioxid und mineralhaltigem Wasser. Die Flugtests werden für den Sommer 2026 angekündigt. - Southwest Research Institute: MARS-C soll bei geringer Schwerkraft getestet werden
Offizielle Projektmitteilung vom 17. September 2025. Belegt das Funktionsprinzip, die sechs geplanten Einflussgrößen rund um Elektroden und Blasenbildung, die Tests bei reduzierter Schwerkraft sowie die zusätzliche Förderung durch das Connect-Programm. - Southwest Research Institute: NASA wählt MARS-C für Parabelflugtests aus
Offizielle Mitteilung vom 1. Juli 2025 zur Auswahl für den NASA TechLeap Prize. Enthält Angaben zum Preisgeld von bis zu 500.000 US-$, zum patentangemeldeten Elektrolyseur, zur simulierten Marssole und zum geplanten Flugtest. - Chemical Engineering Journal: On the viability of electrochemical carbon dioxide in-situ resource utilization to produce chemical feedstocks on Mars
Wissenschaftliche Grundlage des Verfahrens von Mohamed Shahid, Bradley Chambers und Shrihari Sankarasubramanian. Die 2024 veröffentlichte Modellstudie untersucht die theoretische Herstellung von Sauerstoff, Kohlenmonoxid, Formaldehyd, Methanol, Methan, Ethylen und Ethanol bei niedrigen Mars-Temperaturen. Wichtig: Die Arbeit liefert Modellrechnungen, keinen Nachweis eines einsatzfähigen Marsreaktors. - NASA: So funktionieren Parabelflüge
Erläutert die Flugmanöver und die Dauer der Versuchsphasen. Eine Phase mit reduzierter Schwerkraft dauert etwa 20 Sekunden; eine typische Kampagne umfasst 15 bis 30 Parabeln. - NASA/JPL: MOXIE beendet Sauerstoffproduktion auf dem Mars
Offizielle Abschlussbilanz des MOXIE-Experiments. Bei 16 Läufen entstanden insgesamt 122 g Sauerstoff. Die maximale Rate betrug 12 g/h bei einer Reinheit von mindestens 98 %. Die Quelle eignet sich für die Abgrenzung zwischen MOXIE und MARS-C. - NASA/JPL: Mars auf einen Blick
Offizielle Hintergrundquelle für die Marsgravitation. Sie beträgt etwa 38 % der Schwerkraft auf der Erde. - Southwest Research Institute: Blasenbildung bei reduzierter Schwerkraft
Beschreibt die früheren SwRI-Parabelflüge, auf denen das MARS-C-Projekt aufbaut. Untersucht wurden Entstehung, Größe und Ablösung von Blasen auf unterschiedlich behandelten Oberflächen bei Mond- und Marsgravitation.
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