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Seit Beginn der astronautischen Raumfahrt in den 1960er Jahren gibt es eine Herausforderung, für die es bis heute keine einfache Lösung gibt: die zuverlässige und effiziente Herstellung von Sauerstoff im Weltraum. In einer heute in Nature Chemistry veröffentlichten Studie stellt ein internationales Forschungsteam des Zentrums für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universität 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 zählt.
Die Lösung: 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 können. Mithilfe von handelsüblichen Dauermagneten entwickelten die Forschenden ein passives System, das die Blasen automatisch zu bestimmten Sammelpunkten leitet – ganz ohne bewegliche Teile oder zusätzlichen Energiebedarf.
Dabei kamen zwei sich ergänzende Ansätze 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 Strömen eine Drehbewegung in der Flüssigkeit. Diese sorgt dafür, dass sich Gas und Flüssigkeit voneinander trennen, ähnlich, wie bei den mechanischen Zentrifugen auf der Internationalen Raumstation (ISS), jedoch unter Verwendung magnetischer Kräfte anstelle mechanischer Rotation.
Die heute veröffentlichten Ergebnisse basieren auf vier Jahren gemeinsamer Forschungsarbeit. Álvaro Romero-Calvo vom Georgia Institute of Technology entwickelte bereits 2022 die Grundidee und führte erste Berechnungen und Simulationen durch. Anschließend 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 zusätzliche Energie. Das System funktioniert vollkommen passiv und ist sehr wartungsarm“, erklärt Brinkert.
Ömer Akay war für die Durchführung der Experimente im Bremer Fallturm des ZARM zuständig und trug die Ergebnisse für die Veröffentlichung zusammen: „Unsere Elektrolysezellen ermöglichen die Sauerstoff- und Wasserstoffproduktion aus Wasser in Schwerelosigkeit mit Wirkungsgraden, die denen auf der Erde sehr nahe kommen.“
Erfolgreiche Tests in Mikrogravitation.
Die Experimente bestätigten, dass magnetische Kräfte die Ablösung und Bewegung der Gasblasen deutlich verbessern und die Effizienz der Elektrolysezellen um bis zu 240 Prozent steigern können. Damit wird ein langjähriges ingenieurtechnisches Problem der Raumfahrt gelöst – und der Weg für leichtere, robustere und nachhaltigere Systeme zur Lebenserhaltung im All geebnet. Als nächster Schritt soll das System auf Höhenforschungsraketen weiter getestet werden.
Das Projekt wird vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und der US-Raumfahrtbehörde NASA gefördert.
Katharina Brinkert (Co-Direktorin des ZARM und Leiterin des Forschungsteams „Photoelektrokatalyse”)
katharina.brinkert@zarm.uni-bremen.de
Ömer Akay
oemer.akay@zarm.uni-bremen.de
https://www.nature.com/articles/s41557-025-01890-0
DOI:10.1038/s41557-025-01890-0.
https://YouTube-Short: https://youtube.com/shorts/uuFD7nLq5Ak?si=hPMCEnSDFjdcxQfj
Ömer Akay war für die Durchführung der Experimente im Bremer Fallturm des ZARM zuständig.
Copyright: ZARM, Universität Bremen
Criteria of this press release:
Journalists
Chemistry, Electrical engineering, Physics / astronomy
transregional, national
Research results
German
Ömer Akay war für die Durchführung der Experimente im Bremer Fallturm des ZARM zuständig.
Copyright: ZARM, Universität Bremen
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