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Zukunftstechnik: Genoppte Fotozellen für die Raumfahrt

Selbstversorgung im All ohne Nachschub von der Erde ist schwierig. Ein Team hat nun eine Methode entwickelt, welche Wasser effizienter als bisher in Treib- und Sauerstoff umwandelt.
Grünliche Blubberbläschen vor gelblichem Hintergrund.

Wissenschaftler haben durch eine entscheidende Änderung der Oberflächenstruktur von so genannten fotoelektrochemischen Zellen (PEC) möglicherweise ein Problem der bemannten Raumfahrt gelöst. In der Schwerelosigkeit laufen viele chemische Prozesse anders ab, beispielsweise weil sich bei der Entstehung von Blasen in einer Flüssigkeit diese nicht mehr nach oben bewegen. Das wird unter anderem in PECs zum Problem, die Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten. Ohne Schwerkraft behindern die sich bildenden Bläschen aus Wasserstoff den Kontakt des Wassers zu der PEC-Zelle, was das nützliche Verfahren im Weltall ineffizient macht.

Ein Team um Katharina Binkert vom California Institute of Technology in Pasadena präsentiert nun im Fachmagazin »Nature Communications« eine mögliche Lösung für dieses Problem: Sie haben einen Halbleiterelektrokatalysator entworfen, dessen Oberfläche nicht glatt ist, sondern »Noppen« im Mikrometerbereich aufweist. So behindern die sich bildenden Bläschen nicht länger den Kontakt des Wassers zu der PEC-Zelle.

Bei der fotoelektrochemischen Wasserstoffproduktion wird Wasser mit Hilfe der Energie des Umgebungslichts in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Ein Teil der Energie des Lichts wird dabei chemisch gespeichert, ähnlich wie in einer Batterie. So kann der Wasserstoff als Treibstoff für ein Raumschiff verwendet werden, genauso wie der Sauerstoff. Letzterer kann den Astronauten natürlich auch beim Atmen helfen.

Getestet wurde die neue fotoelektrochemische Zelle am Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) in Bremen. Das ZARM verfügt über den einzigen »Fallturm« Europas. In solchen Türmen können Experimente in relativer Schwerelosigkeit durchgeführt werden, ohne dass man extra einen Satelliten ins All befördern muss. Dazu wird das Experiment in eine Kapsel gepackt, die im Vakuum des Turms im freien Fall ist, in Bremen sind das 110 Meter.

Der Bremer Fallturm verfügt darüber hinaus über ein Katapult, das die Kapsel mit dem Experiment an Bord vom Boden in die Höhe schießt. Damit ist die effektive Länge des Turms verdoppelt, da sich die Probe hinauf- und hinabbewegt. So lassen sich in der Testkapsel Experimente fast zehn Sekunden lang ohne die Schwerebeschleunigung durch die Erdmasse durchführen.

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