Chip Happens-Podcast: Staffel 2, Folge 1 | H₂-Ohne geht es nicht!

Situation:

Wasserstoff (H) ist das häufigste Element im Universum und besteht seit dem Urknall in unvorstellbaren Mengen. Sauerstoff (O) entsteht in Sternen durch Fusionsprozesse und wird bei ihrem Tod über Supernovae in das Weltall hinausgeschleudert. Für Organismen entscheidend sind die chemisch-physikalischen Besonderheiten: Lösungseigenschaften, Wasserstoffbrücken und die Dichteanomalie.

Problemstellung:

Wasser lässt sich durch die Kombination von H2 und O bereits heute synthetisch herstellen. Praktisch steht aber der Energieaufwand im Weg, denn insbesondere die Trennung des atmosphärischen O2s verschlingt viel Energie. Statt Wasser künstlich herzustellen, sollten wir vorhandene Wasser-Ressourcen schützen und effizient managen.

Lösungsansätze/Innovationspotenziale:

Mikroelektronik kann hier als Enabler dienen, um mit präziser Sensorik und Steuerungstechnik Wasserressourcen zu analysieren und zu steuern. Sie macht Wasserqualität und -mengen messbar und kann mit einer soliden Datengrundlage die Allokation der knappen Ressource verbessern.

Weiterer Forschungs-/Entwicklungsbedarf / Aktuelle Projekte:

Eine große Chance für das Wassermanagement auf der Erde besteht im Transfer von Sensorik, Regelungstechnik und Kreislaufsystemen aus der Raumfahrt. In der nächsten Folge zum Thema Grundwasser wird dies ausgeführt.

Situation:

Die Erde ist mit enormen Wasserressourcen gesegnet, doch in unserer planetarischen Nachbarschaft zeigt sich ein gemischtes Bild. Der Mond könnte in seinen dunklen Polarkratern Eis halten. Venus und Merkur können aufgrund ihrer Hitze hingegen kaum oder kein Wasser haben. Auf dem Mars gibt es an den Polkappen große Eisvorkommen und unter seinen Gesteinsschichten wird sogar flüssiges Wasser vermutet. In der Vergangenheit gab es auch Flüsse und sogar Ozeane. Im äußeren Sonnensystem deuten bei einigen Jupitermonden Gezeitenkräfte auf flüssiges Wasser unter ihren Eiskrusten hin.

Problemstellung:

Das Wasser auf der Erde ist wahrscheinlich durch viele Kometen hierhin gelangt, doch eine Wassergewinnung aus Kometen würde sich schwierig gestalten, da sie sehr mit anderen Partikeln verschmutzt sind. Sowohl bei Kometen, als auch bei planetarem Eis/Wasser sind die technologischen Hürden bei der Prospektion, dem Abbau und dem Transport aufgrund der extremen Umweltbedingungen enorm hoch.

Lösungsansätze/Innovationspotenziale:

Auf dem Mond könnten die vorhandenen Wasserressourcen genutzt werden, um eine permanent genutzte Station zu versorgen. Mithilfe von elektrolytischer Spaltung könnte man aus den Bestandteilen des Wassers Treibstoff gewinnen, um bei aufbauenden Weltraummissionen Gewicht zu sparen.

Weiterer Forschungs-/Entwicklungsbedarf / Aktuelle Projekte:

Die Ressourcen- und Logistikplanung gestaltet sich als sehr schwer, zudem braucht es noch Verbesserungen in der Bohr- und Schmelztechnik und in der elektrolytischen Aufbereitung. Hier gibt es noch einigen Forschungs- und Entwicklungsbedarf.

Situation:

In Raumstationen wie der ISS gelangt Wasser zum einen über Transportkapseln in den Orbit und entsteht zugleich aus den Körperkreisläufen der Crew. Moderne Lebenserhaltungssysteme entziehen Luftfeuchte und recyclen Urin, filtern Schadstoffe und führen das wiedergewonnene Wasser anschließend dem Bordkreislauf wieder zu. So kann eine Wiederverwendungsquote von über 90 % erreicht werden. Historisch werden westliche Jod-Systeme und russische Silberionen-Systeme unterschieden.

Problemstellung:

Sowohl Jod als auch Silberionen sind nicht für alle Materialien verträglich, zudem sind die heutigen Systeme trotz >90 %-Effektivität nicht vollkommen autark. Langfristig muss weiterhin Frischwasser über Transportkapseln in die Raumstationen gebracht werden.

Für Missionen jenseits des Erdorbits, wo keine Logistikketten aufrechterhalten werden können, braucht es eine nahezu hundertprozentige Schließung des Recycling-Kreislaufs.

Lösungsansätze/Innovationspotenziale:

Theoretische könnten Basen auf dem Mond oder dem Mars Eisablagerungen an den Polkappen für die Herstellung von Treibstoff oder Nutzwasser verwenden. Für Raumschiffe ist die Verwendung von Kometen als Quelle kaum umsetzbar, was eine Verbesserung der bestehenden Wasserkreisläufe unabdingbar macht. Mikroelektronik kann hier helfen, durch Steuerung und Monitoring die Effizienz zu verbessern sowie bei der Fehlerdiagnose zu helfen.

Weiterer Forschungs-/Entwicklungsbedarf / Aktuelle Projekte:

Tests mit Pflanzen, Filtern und alternativen Verfahren laufen sowohl auf dem Erdboden als auch im Orbit bereits. Ein paralleles Ziel ist die höhere Resilienz gegen Betriebsstörungen. Viele der Forschungsprojekte können zudem übertragbare Verfahren für die Wassertechnik auf der Erde liefern.