Diese besondere Form der nachhaltigen Energie beschäftigt sich mit Biomasse und der Umwandlung verschiedener Energieformen mithilfe von Leben, z.B. Mikroben.
Die aktuelle europäischen Energiekrise hat verschiedene Ursachen, hautsächlich jedoch die hohe Nachfrage in Folge der Pandemielockerungen, das Embargo gegen Rußland, die Zurückhaltung von Investoren bei der Finanzierung fossiler Energieprojekte und die Drosselung der Förderung durch die OPEC-Staaten. In dieser komplexen Situation sind europäische Länder gezwungen, alternative und zugleich erneuerbare Energiequellen zu erschließen. Gleichzeitig ist Erdgas jedoch in vielen Branchen schwer zu ersetzen. Eine Ausnahme ist die Lebensmittel- und Getränkeindustrie, die über enorme ungenutzte Ressourcen von Biogas in ihrem Abwasser verfügen kann.
Abwasser ist eine Ressource, von der weltweit 380 Milliarden m³ erzeugt werden. Es enthält gleichermaßen wertvolle Nährstoffe und Energie. Die weltweite Produktion wird voraussichtlich bis 2030 um 24% und bis 2050 um 51% steigen. Die Abwasserbehandlung verbraucht etwa 3-4% der global erzeugten Energie. Die vollständige Erschließung dieser Energiequelle würde den Energieverbrauch der Klärung komplett ausgleichen und in vielen Fälle sogar einen Überschuß erzeugen. Zudem ist die gesamte globale Wasseraufbereitung geschätzt für bis zu 5% der mesnchengemachten CO2-Produktion verantwortlich. Leider investieren viele Unternehmen und Gemeinden nicht komplexe und teure Abwasserbehandlungstechnologien und verschwenden weiter die wervolle Resource Abwasser. Die European Biogas Association schätzt, daß bis 2050 maximal 65% des Gasbedarfs (zirka 167 Milliarden m³) von durch Biogas abgedeckt werden könnten.
Europa ist die größte Käserei der Welt. Es werden jährlich mehr als 9 Millionen Tonnen Käse hergestellt. Mit jeder Tonne Käse bleiben gleichzeitig 9 m³ Käsemolke zurück. Trotz seines hohen Ernährungswerts wird Molke aus verschiedenen Gründen oft wie Abwasser behandelt. Die sehr hohe organische Belastung der Molke macht es schwierig sie als Abwasser zu klären. Molkeabfälle können aber auch für die Biogasproduktion benutzt werden. Zudem fällt auch noch reguläres Abwasser an. Zum Beispiel zahlt eine mittelgroße Käsefabrik jährlich 1,5 Millionen Euro für ihr Abwasser. Die Reduzierung dieser Kosten durch die Herstellung von Biogas würde das Abwasser der Milchindustrie zu einer wertvollen Ressource machen.
Diese Situation ist in vielen anderen Sektoren für Lebensmittel und Getränke wie Brauereien, Brennereien, Winzer, Bäckereien usw ähnlich. Alle diese Sektoren haben einen hohen Energiebedarf. Erneuerbare elektrische Energie kann diesen Bedarf nicht auslgeichen. Der Markt für die Klärung in Europa und den USA liegt bei zirka 12 Milliarden Euro.
Die traditionelle Abwasserbehandlung basiert auf Belüftung und klassischer Klärschlammfaulung mit der anschließender Verbrennung. Diese Methoden konsumieren oft mehr als 70% der Energie einer Kläranlage. Wenn energiereiche Verunreinigungen gemessen am gesamten organischen Kohlenstoff oder Ammoniak vor dem Prozeß in Biogas umgewandelt würden, könnten mindestens 80% zur Abwasserbehandlung nötigen Energie eingespart werden. Es ist widersinnig, daß diese Energie des Abwasser mit noch mehr aufgewendeter Energie entfernt wird.
Eine immer größer werdende Anzahl von Kläranlagen erchließt bereits die im Abwasser enthaltenen Ressourcen zusätzlich zum Wasser selbst. Die ältesten Recyclingprodukte sind Biogas und Düngemittel, die aus Klärschlamm gewonnen wurden. Aufgrund des Gehalts an Schwermetallen wie Kupfer und Quecksilber wird Klärschlamm nicht mehr als Dünger verwendet sondern in Müllverbrennungsanlagen entsorgt.
Biogas ist in Europa besonders beliebt, da die erzeugten Mengen und Preise hoch genug sind, um mit Erdgas zu konkurrieren. Biogas ist auch eine grüne Alternative zu Erdgas, da kein zusaetzliches CO2 emittiert wird. Ein Nachteil der klassischen Biogas ist der CO2- und Sulfidgehalt. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Schlammverdauung der Terminalbehandlungsschritt ist, der wertvolle Abwasserressourcen verschwendet. Schließlich erfordern die Größe und Komplexität der aktuellen Verdauung eine erhebliche Verpflichtung von Benutzern, wenn es um Capex und OPEX geht. Die meisten Lebensmittelhersteller konzentrieren sich lieber auf die Herstellung von Lebensmitteln und nicht auf die Reinigung ihres Abwassers.
Neuartige Hochleistungs-Biogasreaktoren lösen diese Probleme durch Miniaturisierung. Sie erreichen eine 20-fache Reduktion der Größe im Vergleich zu herkömmlichen Systemen. Zur Verwendung kommt eine neue Technologie, die Anfang der Neunziger Jahre in Japan entwickelt wurde. Sie wird als mikrobielle Elektrolyse bezeichnet. Die Elektrolyse von Abwasser wird durch elektroaktive Mikroorganismen auf der Anode (die positive Elektrode) katalysiert. Die Reaktionsprodukte sind CO2 (aus organischer Substanz) und Stickstoffgas (N2, aus Ammoniak).
Prinzip eines mikrobiellen Elektrolysereaktors. Auf der linken Anode wird das organische Material zu CO2 oxidiert. Die freien Elektronen werden von der Anode absorbiert und zurf Kathode transportiert. Wasserstoffgas (H2) wird dort freigesetzt. CO2 und Wasserstoff bilden Methan, das mikrobielle Anschlußreaktionsprodukt.
Gleichzeitig wird Wasserstoffgas (H2) an der Kathode (der negativen Elektrode) gebildet. Dieser Wasserstoff reagiert mit CO2 zu Methan. Dieser letzte Methanisierungsschritt vervollständigt die biokatalytische Behandlung des Abwassers. Das gebildete Biogas kann entweder in das Erdgasnetz eingespeist oder vor Ort verwendet werden, um Strom und Wärme zu erzeugen.
Die Reaktion wird unter Verwendung einer angelegten Spannung beschleunigt und basiert auf den Gesetzen der Thermodynamik. Infolgedessen kann das Reaktorvolumen verringert werden. Die Größenreduzierung hat mehrere Vorteile. Erstens macht es Biogas in Märkten zugänglich, in denen es aufgrund der hohen Investitionskosten bisher nicht möglich war. Zweitens ermöglicht die Reduzierung der Größe einen höheren Durchsatz zu niedrigeren Kosten. Kleinere Einheiten sind mobil und können genossenschaftlich geteilt, bewegt oder vermietet werden. Schließlich wollen Nahrungsmittelhersteller das tun was sie am besten können, nämlich Essen herstellen. Ihre Abfall- und Energierechnungen sollten sie davon nicht abhalten.
Zur Reduktion von Treibhausgasemissionen sind verschiedne Prozesse in der Entwicklung, die eine Trennungen von Gasgemischen bestehend aus CO2 und Methan bzw. CO2 und Stickstoffgas erfordern (CO2/CH4 und CO2/N2). Polymermembranen sind unter anderem aufgrund ihrer niedrigen Betriebskosten, hohen Energieeffizienz und einfachen Skalierbarkeit im Vergleich zu anderen Trennungstechnologien gute Kandidaten für einen großtechnischen Einsatz.
Die Gaspermeabilität und -selektivität, sowie die Kosten dieser Polymermembranen sind die entscheidenden Kriterien für ihren industriellen Einsatz. Diese Kriterien werden werden bei molekularen Ordnungsvorgängen während der Polymerisierung auf Nanometer- und Mikrometer-Ebene beeinflußt. Die Ordnungsvorgänge der meisten gängigen Membranen findet aber nicht auf dieser Ebenen statt und können daher schlecht gesteuert werden. Über Materialien mit Selbstorganisationseigenschaften und das Wirken ihrer molekularen Ordnung auf die Gastrennleistung ist wenig bekannt.
Chemiker der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden untersuchten die Auswirkungen des Schichtabstands innerhalb der Membran und deren Halogenierung auf die Gastrennung und publizierten ihre Ergebnisse im Fachmagazin MDPI Membranes. Dabei fokussierten sie sich auf die Gastrennung von Helium, CO2 und Stickstoff. Sie verwendeten für ihre Untersuchung Flüssigkristallmembranen. Flüssigkristallmoleküle können sich in verschiedenen Nanostrukturen arrangieren. Diese Strukturen fallen je nach Herstellungsprozess unterschiedlich aus und sind somit steuerbar. Damit sind Flüssigkristallmembranen ideal geeignet, um den Einfluss der Nanostrukturen auf die Gastrennung zu untersuchen.
Eine häufig verwendete Herstellungsmethode besteht darin, die Selbstorganisation von reaktiven Flüssigkristallmolekülen in einer Zelle mit Abstandshaltern zu starten. Das hilft dabei, die Membrandicke und -ausrichtung besser zu kontrollieren und letztlich die molekulare Orientierung zu steuern. Die abschließende Vernetzung der Flüssigkristallmoleküle und Fixierung der Nanostrukturen ist erforderlich, um eine ausreichende mechanische Festigkeit zu erreichen. So haben z.B. hoch geordnete Kristallmembranen (also keine Flüssigkristalle) eine niedrigere Gasdurchleitungskapazität jedoch eine höhere Selektivität für Helium und CO2 gegenüber Stickstoff.
Auch lamellare Strukturen und die Richtung des Gasflusses haben einen großen Einfluß auf Selektivität und Permeabilität der Membran. Darüber hinaus ist bekannt, daß Halogenatome wie Chlor oder Fluor die CO2-Permeabilität und -Selektivität verbessern, indem sowohl die Gaslöslichkeit als auch die Diffusion beeinflussen.
In den nun vorgestellten Versuchen, waren alle Membranen, die aus Flüssigkristallen mit ähnlichen chemischen Zusammensetzungen bestanden, jedoch unterschiedliche Halogenalkylabstandslängen besaßen, planar ausgerichtet. Die CO2-Sorption und die gesamte Gaspermeation waren besser, wenn deren Schichten weiter auseinander lagen. Die Gaslöslichkeit selbst war dabei nicht entscheident. Das wurde durch die erhöhten gemessenen Gasdiffusionskoeffzienten bestätigt.
Sperrige Halogene hatten nur begrenzt Einfluß auf die Gaspermeabilität und -selektivität. Die CO2-Permeabilität aller halogenierten Flüssigkristallmembranen nahm aufgrund einer geringfügig höheren CO2-Löslichkeit und des Diffusionskoeffizienten zu, was zu einer verbesserten Selektivitäten für CO2 führte. Insbesondere der Schichtabstand war ein entscheidender Faktor, der direkt den Diffusionskoeffizienten beeinflußte. Die Forscher empfahlen, daß zukünftige Arbeiten sich auf die Verbesserung der Trennleistungen konzentrieren sollten, indem die Membrandicke verringert wird.
Bei Frontis Energy freuen wir uns wie üblich schon auf ein gutes kommerzielles Produkt, das effektiv und billig CO2 aus Gasgemischen, wie zum Beispiel Biogas abscheiden kann.
Bei der Behandlung von Abwasser werden organische Verunreinigungen sowie Stickstoffverbindungen in einen energieintensiven Prozeß entfernt. Die Behandlung im Belebtschlamm benötigt zum Beispiel viel Energie für das Begasen mit Luft oder Sauerstoff. Die Belüftung verursacht dabei erhebliche Kosten. Für die Belüftung sind etwa 5 kWh pro Kilogramm je nach Kläranlage erforderlich. Die mit dem Energieverbrauch verbundenen Kosten machen in einer durchschnittlichen europäischen Abwasseraufbereitungsanlage rund 500.000 Euro pro Jahr aus. Dies ist bis zu einem Drittel der Gesamtbetriebskosten von Kläranlagen. Die Stickstoffentfernung aus Abwasser muß daher wirtschaftlicher werden.
Bioelektrische Technologie spart Energie
Herkömmliche Stickstoffentfernung besteht aus einer Abfolge von Nitrifikations– und Denitrifizierungsreaktionen. Die Nitrifizierung ist die aerobe Ammoniumoxidation zu Nitrit und Nitrat und wird von ammoniumoxidierenden Bakterien durchgeführt. In der anschließenden Denitrifizierung wird das Nitrat zu Stickstoffgas (N2) umgewandelt. Neben dem kostspieligen Belüftungsprozess erfordern die verbleibenden Zwischenprodukte Nitrit und Nitrat also eine weitere Abwasserbehandlung.
Anstelle des energieintensiven Pumpens von Sauerstoff in das Abwasser könnten bioelektrische Systeme mit viel niedrigeren Kosten das gleiche Ergebnis erzielen. In solchen Systemen stellt eine Anode den Elektronenakzeptor zur mikrobiellen Ammoniumoxidation dar und ersetzt den Sauerstoff. Die Belüftung entfällt dadurch oder kann stark reduziert werden.
Vollständige Umwandlung von Ammonium auf Stickstoffgas
Die bio-elektrisch Ammoniumentfernung wurde in einem kontinuierlich betätigten Ein-Liter-Reaktor mit einer Umsatzrate von ~ 5 g / m3 / Tag katalysiert. Eine komplexe mikrobielle Gemeinschaft mit nitrifizierenden Bakterien wie Nitrosomonas sind als Schlüsselorganismus wurde ebenfalls beschrieben.
Aus einer Anwendungsperspektive ist ein Kosten-Nutzen-Vergleich zwischen bioelektrischen Systemen und der klassischen Abwasserbehandlung erforderlich. Die Forscher zeigten, daß der selbe Grad der Stickstoffenfernung erzielt wurde (>97%). Das bioelektrische System wandelte Ammonium zu Sticke ohne eine Anreicherung von Zwischenprodukten um. Ihr System erforderte etwa 0,13 kWh pro Kilogramm Stickstoff mit einer Flußrate von 0,5 l / Tag. Die Verwendung eines bioelektrischen Systems verbraucht im Vergleich zur klassischen Belüftung mit zirka 5 kWh pro Kilogramm 35 mal weniger Energie. Gleichzeitig werden keine schädlichen Zwischenprodukte wie Nitrit- oder NOx-Gase gebildet.
Mikrobiell erzeugter Strom treibt die Ammoniumoxidation an
Der vorgestellte Artikel zeigte auch potenzielle Hinweise für den mikrobiellen Abbauweg. Das Verständnis um die zugrunde liegenden Mechanismen kann die Prozesse der anoxischen Ammoniumentfernung in bioelektrischen Systemen optimieren.
Als Abbauweg für Stickstoff schlugen die Autoren die bioelektrische Oxidation von Ammoniak über Stickstoffmonoxid vor. Dieser wurde möglicherweise von einer Mikrobe der Gattung Achromobacter durchgeführt. Auf diese Reaktion folgte vermutlich die Reduktion von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffgas. Diese Reduktionsreaktion könnte eventuell von Denitrassisoma durchgeführt worden sein. Alternativ wurden drei weitere Sekundärrouten betrachtet: Die selbe bioelektrische Oxidation, gefolgt von Anammox oder ganz ohne Stickstoffmonoxid direkt an Stickstoffgas. Eine Art Electro-Anammox kann auch möglich sein.
Bei Frontis Energy glauben wir, daß die direkte Umwandlung von Ammonium zu Stickstoffgas durch die Umkehrung der Stickstoffixierung eine Möglichkeit ist. Gene, die fuer Elemente der Stickstoffixierung verantwortlich sind, sind in der mikrobiellen Welt allgegenwärtig. Diese Umkehrung würde die universelle biologische Energiewährung ATP generieren, anstatt sie zu konsumieren.
Es wurde gezeigt, daß Achromobacter sp. in der beschriebenen mikrobiellen Vergesellschaftung mit bis zu 60% die häufigste Mikrobe war. Im Reaktor wurden jedoch auch Anammox-Arten (Candidatus Kuenenia und Candidatus-Anammoximicrobium) so wie denitrifizierende Bakterien (z.B. Denitratisoma) nachgewiesen.
Es wurden zwei mögliche elektroaktive Reaktionen identifiziert: Hydroxylamin- und Nitritoxidation. Dies spräche ebenfalls für der Anode als Elektronenakzeptor der Ammoniumoxidation. Nitrit- und Nitrattests legten nahe, daß sowohl die Denitrifizierung als auch Anammox-basierende Reaktionen in dem System erfolgt sein könnten.
Ammonium wurde ohne Anhäufung von Zwischenprodukten vollständig zu Stickstoffgas oxidiert. Die Autoren zeigten, daß Ammonium einem kontinuierlich betriebenen bioelektrischen System entfernt werden kann. Zur Skalierung des Systems sind jedoch ein besseres Verständnis von Reaktor- und Verfahrenstechnik sowie der zugrunde liegenden mikrobiellen und elektrochemischen Vorgänge erforderlich.
Experimenteller Aufbau
Das Impfmaterial bestand aus Biomasse zweier Nitrifikationsreaktoren.
Der Reaktor wurde aus zwei 1-Liter-Kammern aufgebaut, die einen Anode- und Kathodenraum beinhalteten
Der Separator diente Anionenaustauschermembran um die Diffusion von Ammonium auf das Kathodenraum zu minimieren
Die Anode- und Kathodenkammern wurden mit Graphitgranulat befüllt
Eine Ag/AgCl-Referenzelektrode wurde im Anodenraum verwendet
In jeder Kammer wurden zwei Graphitstangen als Stromkollektoren platziert
Das System wurde im Batch- und Durchlaufmodus betrieben
Direktethanolbrennstoffzellen (DEBZ) sind Brennstoffzellen, die mit Ethanol als Brennstoff betrieben werden und direkt elektrische Energie erzeugen. Obwohl sie eigentlich sehr viel zu bieten haben, werden sie noch nicht industriell gefertigt. Ethanol wird aus Biomasse durch Hefen hergestellt. Seine Oxidationsprodukte – CO2 und H2O – sind daher umweltfreundlich. Die Anwendung von DEBZ könnte aufgrund der Energieeffizienz eine lukrative Lösung für Fahrzeuge sein, so sie denn in großen Stückzehen produziert werden. Unsere derzeitige Brennstoff-Infrastruktur ist für Ethanol durch die derzeitige Beimischung schon einsatzbereit. Die DEBZ-Nutzung wäre daher eine nachhaltige, umweltfreundliche und schnell einsetzbare Alternative zu aktuellen Verbrennungsmotoren. Darüber hinaus ist Ethanol flüssig, was die Verteilung, Lagerung und Verwendung erleichtert.
Laut einer von der Internationalen Energieagentur (IEA) gesponserten Studie stellen DEBZ hohe Leistungsdichten bereit, die zwischen 50 und 185 mW / cm² liegen. Derzeit sehen sich DEBZ mit mehrfache Herausforderungen konfrontiert. Dazu zählen wie langsame Redox-Kinetik, begrenzte Leistung und hohen Kosten für die benötigten Elektrokatalysatoren.
Die beiden Hauptreaktionen in DEBZ sind:
Ethanoloxidationsreaktion (EOR)
Sauerstoffreduktionsreaktion (SRR)
Die träge Reaktionsgeschwindigkeit hat die Verbreitung dieser Technologie bisher verhindert. Moderne DEBZ benötigen teure platinbasierte Materialien, um diese Reaktionen zu katalysieren. Sie oxidieren jedoch Ethanol nicht vollständig zu CO2. Das begrenzt die Energieeffizienz. Eine Dieses Problem kan behoben werden, indem nicht umgesetzter Brennstoff erneut injizieren eingespeist wird. Da dies die Komplexität der Brennstoffzelle erhöht, wäre eine bessere Lösung, effizientere Katalysatoren zu finden. Um das wahre Potenzial von DEBZ auszuschöpfen sollten am besten günstigere Katalysatoren für die beiden Reaktionen gefunden werden.
Die Forscher an der University of Central Florida und ihre Kollegen experimentierten mit Palladium-Stickstoff-Kohlenstoff-Katalysatoren (Pd-N-C) und versuchten, die Leistung durch Einführung von Fluoratomen zu verbessern. Das Team benutzte alkalische Membranen und platinfreie Katalysatoren. Diese waren sowohl kostengünstiger erzeugten auch eine hohe Ausgangsleistungsleistung.
Bisherige Forschung an elektrokatalytischen Systemen ergab, daß die lokale Elektrodenkoordinierung von zentraler Bedeutung für die Aktivität von Redox-Katalysatoren aus kohlenstoffbasierten Metallnanopartikeln ist. Die neue Studie zeigte, daß die Einführung von Fluoratomen in Pd-N-C-Katalysatoren die Elektrodenkoordinierung günstig beeinflußt. Dadurch wurde sowohl Aktivität erhöht als auch Haltbarkeit der Katalysatoren verbessert. Zusammengenommen wirkte sich das positiv auf die Gesamtleistung des Brennstoffzelle aus. Die experimentellen Ergebnisse der langfristigen Stabilität sind ein vielversprechender Fortschritt gegenüber praktischen Anwendungen solcher Katalysatoren in DEBZ.
Ergebnisse
Bei Experiment mit dem neuen Katalysator wurde festgestellt, daß die Fluoratome die Kohlenstoff-Stickstoff-Bindung schwächen und die Stickstoffatome in Richtung Palladium entlassen. Diese Elektronenübertragung regulierte effizient die Elektrodenkoordinierung des Palladiums, indem aktive Palladium-Stickstoff-Zenten für katalytische Reaktionen gebildet wurden.
Die N-reiche Palladiumoberfläche förderte die Spaltung der Kohlenstoffbindungen und ermöglichte die vollständige Ethanoloxidation. Während der SRR hat die N-reiche Palladiumoberfläche nicht nur die CO2-Adsorption reduziert, sondern erzeugte auch besser zugängliche katalytische Stellen für eine schnellere Sauerstoffadsorption.
Nach Angaben der Autoren wurde ein häufig auftretendes Problem in den DEBZ – die nicht abgeschlossenen Schlüsselreaktionen – behoben. Der neue Katalysator verbesserte die Gesamtleistung der Brennstoffzelle. Die Fluordotierung erhöhte auch die Haltbarkeit des Katalysators, indem die die Korrosion die Kohlenstoffkorrosion reduziert. Auch wurde die Palladiummigration und -aggregation gehemmt.
In einer DEBZ getestet, wurde mit dem neuen Katalysator eine maximale Leistungsdichte von 0,57 W / cm² erreicht. Die Brennstoffzelle lief für mehr als 5.900 Stunden stabil. Die vorgeschlagene Strategie der Fluordotierung führte unter Verwendung anderer kohlenstoffgestützter Metallkatalysatoren generell zu verbesserter Aktivität und Stabilität.
Ausblick
Der Hauptmangel alkalischer DEBZ ist ihre Haltbarkeit. Derzeit reicht sie für praktische Anwendungen nicht aus. Darüber hinaus haben die verwendeten Anionenaustauschermembranen zwei Probleme:
Die strukturelle Stabilität der Membran reicht nicht aus, um sie langfristig zu verwenden
Katalysatorcarbonisierung erfolgt in Anwesenheit von CO2 aufgrund seiner Reaktion mit Hydroxidionen, wodurch sich der Katalysator letztendlich abnutzt.
Obwohl die DEBZ in der vorgestellten Studie für bemerkenswerten 5.900 Stunden lief, mußte die Membran nach 1.200 Stunden ausgetauscht werden. Da das Austauschen der Membranen eine vollständige Demontage der Zelle erforder, ist dies langfristig keine praktable Lösung.
Daher sollte sich die zukuenftige Forschung auf die ionische Leitfähigkeit und der Stabilität anionischer Membranen unter alkalischen Bedingungen konzentrieren. Idealerweise wird die zur Erhöhung der ionischen Leitfähigkeit verwendete Hydroxidlösung vermieden, um die Energiedichte zu erhalten und die Komplexität der Vorrichtung zu reduzieren. Festoxidbrennstoffzellen bieten eine Lösung für diese Probleme, da der Kraftstoff in gasförmiger Form oxidiert wird. Ihre keramische Membran ist jedoch zu fragil für mobile Anwendungen.
Das publizierte Experiment ist ein signifikanter Fortschritt bei der Verbesserung der Leistungsdichte von DEBZ und bringt sie damit auf einen neuen Stand der Technik. Die weitere Forschung muß jedoch die zahlreichen kleineren Hindernisse bei der langfristigen Verwendung von anionischen Membranen angehen.
Experimentelle Analyse
Verwendete Materialien
Handelsübliche Pd/C-Partikel (10%, 8 nm PD-Partikel auf Aktivkohle) sowie Pt/C (20%, 3 Nm-Pt-Partikel auf Kohle) wurden als Basiskatalysatoren verwendet. Nafion™ -Lösung (5%), Kohlepapier (TGP-H-060) und Anionenaustauschermembranen (Fumasep FAS-PET-75) kamen ebenfalls zum Einsatz.
Synthese von Heteroatom X-dotiertem Kohlenstoff (X-C, X = N, P, S, B, F)
Kohlepartikel mit reich vorhandenen Sauerstoff-Gruppen und Melamin (C3H6N6) wurden gemischt und gemahlen und schließlich pyrolysiert. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurde N-C durch Waschen mit Ethanol und Wasser erhalten. Die gleiche Methode wurde verwendet, um P-C, S-C, B-C und F-C aus Natriumhypophosphitsäure-, Schwefelpulver, Borsäure und Polyvinylidendifluorid zu synthetisieren.
Synthese von Heteroatomfluor-dotierten Kohlenstoffkatalysatoren
N-C und Polyvinyliden-Difluorid wurden gemischt und gemahlen, bevor sie in eine Lösung von Aceton und Wasser hinzugefügt wurden. Nach der Ultraschallbehandlung wurde das Gemisch in einem Ölbad unter Rückfluß erhitzt, bis es vollständig getrocknet war. Um den fluorierten Katalysatorträger zu erhalten, wurde die Mischung pyrolysiert und nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurden die Proben mit Ethanol und Reinstwasser gewaschen, gefolgt von Vakuumbehandlung. Die gleiche Methode wurde für die anderen Vorstufen verwendet.
Mikrowellenreduktion wurde verwendet, um den Palladiumkatalysator auf dem Katalysatorträger zu synthetisieren. Der Palladiumanteil in allen Proben war 1%, was durch Röntgenspektroskopie bestätigt wurde.
Elektrochemische Charakterisierungen.
Für die elektrischen Messungen wurden entweder eine glasartige Kohlenstoff-Ring-Platten-Elektrode oder eine rotierende Ringscheibenelektrode verwendet. Die Fumasep-Membran wurde als Anionenaustauschermembran verwendet, und durch Hydroxylgruppen modifiziert.
Literatur
Chang et al., 2021, Improving Pd–N–C fuel cell electrocatalysts through fluorination-driven rearrangements of local coordination environment. Nature Energy 6, 1144–1153 https://doi.org/10.1038/s41560-021-00940-4
Bei der Abwasserbehandlung ist die Belüftung ein energieintensives und notwendiges Verfahren zur Entfernung von Verunreinigungen. Dabei blasen Pumpen Luft in das Abwasser und versorgen so die im Belebtschlammbecken vorhanden Mikroben mit Sauerstoff. Diese Bakterien oxidieren im Gegenzug organische Stoffe zu CO2 und entfernen diese adaurch aus dem Abwasser. Dieses Verfahren is der indutrielle Standard und hat sich seit über einem Jahrhundert bewährt. Geht es nach den Forschern der Washington State University und der University of Idaho, ändert sich das jetzt.
In ihrer Arbeit verwendeten die Forscher ein einzigartiges mikrobielles Brennstoffzellensystem, das sie als Ersatz für den Belebtschlamm entwickelten. Dieses nachhaltige Abwasserbehandlungssystem, reinigt Abwasser mithilfe von Mikroorganismen, die elektrischen Strom produzieren. Solche Mikroben nennt man Elektrophile.
Die Arbeiten sollen eines Tages zu einer geringeren Abhängigkeit von den energieintensiven Klärprozessen führen. Die meiste Energie in solchen Prozessen wird im Belebtschlamm und bei dessen Entsorgung verbraucht. Der Energieverbrauch bei der Wasseraufbereitung produziert weltweit zirka 4-5% des anthropogenen CO2. Zum Vergleich, laut der Air Transport Action Group in Genf produzierte der internationale Luftverkehr Jahr 2019 2,1% CO2. Ihre Arbeit publizierten die Forscher in der Fachzeitschrift Bioelectrochemistry. Zusätzlich zur Senkung der Emissionen, würde eine Senkung des Energieverbrauchs der Abwasserbehandlung jährliche Kostenersparnisse in Milliardenhöhe bringen.
Mikrobielle Brennstoffzellen lassen Mikroben chemische Energie ähnlich wie eine Batterie in Elektrizität umwandeln. Bei der Abwasserbehandlung kann eine mikrobielle Brennstoffzelle die Rolle der Belüftung übernehmen und Elektronen aus dem Abwasser aufnehmen. Diese Elektron sind wiederum ein Abfallprodukt des bakteriellen Stoffwechsels. Alle lebenden Organismen sind bestrebt, ihre ueberschuessigen Elektronen abzugeben. Dieser Prozess wird unter als Atmung oder Gärung bezeichnet. Der von den Mikroben erzeugte Strom kann für nützliche Anwendungen in der Kläranlage selbst verwendet werden. Die Technologie schlägt also zwei Fliegen mit einer Klappe. Einerseits spart die Klärung des Abwasser Energie. Andererseits erzeugt sie zusätzlich Strom.
Bisher wurden die mikrobiellen Brenstoffzellen experimentell in Abwasserbehandlungssystemen unter idealen Bedingungen eingesetzt, aber unter realen und wechselnden Bedingungen versagen sie häufig. Den mikrobiellen Brennstoffzellen fehlt eine interne Regulation, die das Potenzial von Anoden und Kathoden und damit das Zellpotential steuern, was zu einem Systemausfall führen kann.
Die Forscher fügten dem System eine zusätzliche Referenzelektrode hinzu, die die Steuerung ihres Brennstoffzellensystems ermöglicht. Das System ist umschaltbar. Es kann entweder als mikrobielle Brennstoffzelle für sich arbeiten und keine Energie verbrauchen, oder es kann so umgestellt werden, dass weniger Energie zur Belüftung verbraucht wird während es das Abwasser intensiver reinigt. Frontis Energy verwendet ein ähnliches Steuersystem für seine Elektrolysereaktoren.
Das System wurde ein Jahr lang ohne Fehler im Labor sowie im Pilotmaßstab in einer Test-Kläranlage in Idaho betrieben. Das System entfernte Abfälle mit vergleichbaren Raten wie in einem klassischen Belebtschlammbecken. Zusätzlich könnte die mikrobielle Brennstoffzelle möglicherweise völlig unabhängig vom Stromnetz verwendet werden. Die Forscher hoffen, daß es eines Tages für kleine Abwasserbehandlungsanlagen verwendet werden könnte, beispielsweise für die Reinigung von Viehbetrieben oder in sehr ländlichen Gebieten.
Trotz der Fortschritte gibt es immer noch Herausforderungen, die bewältigen müssen. Es handelt sich um komplexe Systeme, die schwer zu bauen sind. Bei Frontis Energy sind wir auf solche System spezialisiert und können bei der Markeinführung helfen.
Wälder sind für unsere Gesellschaft von entscheidender Bedeutung. In der EU machen Wälder etwa 38% der gesamten Landfläche aus. Sie sind wichtige Kohlenstoffsenken (sie eliminieren rund 10% der EU-Treibhausgase), und die Bemühungen sie zu erhalten, sind ein Kernbestandteil der EU-Klimaziele. Die steigende Nachfrage nach Forstprodukten stellt jedoch die nachhaltige Waldbewirtschaftung vor Herausforderungen.
Laut einem Bericht kürzlich im renomierten Wissenschaftsmagazin Natureerschienenem Artikel, hat die abgeholzten Waldfläche um 49% zugenommen und damit auch der Verlust an Biomass (69%). Dies ist auf großflächige Rodungen zurückzuführen, die die Kohlenstoffabsorptionskapazität des Kontinents verringert und den Klimawandel beschleunigt.
Die analysierte eine Reihe von sehr detaillierten Satellitendaten. Die Autoren des Berichts zeigen, daß die Abholzung hauptsaechlich auf der Iberian Halbinsel, dem Baltikum und Skandinavien stattfand. Die Abholzung von Waldflächen hat zwischen 2016 und 2018 demnach um 69% zugenommen. Satellitenbilder zeigen ferner, daß die durchschnittliche Flächengröße der Erntefläche in ganz Europa um 34 Prozent gestiegen ist, was potenzielle Auswirkungen auf die biologische Vielfalt, die Bodenerosion und die Wasserregulierung hat.
Das sich beschleunigende Entwaldung könnte die Strategie zur Bekämpfung des Klimawandels der Behörden vereiteln, die insbesondere darauf abzielt, die Wälder in den kommenden Jahren zu schützen, warnen die Experten in ihrer Studie. Aus diesem Grund stellt die zunehmende Nutzung von Wäldern eine Herausforderung dar, um das bestehende Gleichgewicht zwischen der Nachfrage nach Holz und der Notwendigkeit, diese Schlüsselökosysteme für die Umwelt zu erhalten, aufrechtzuerhalten. Typischerweise sind Industriezweige wie die Bioenergie oder die Papierindustrie die treibenden Kräfte hinter der Abholzung.
Die größte Beschleunigung der Abholzung wurde in Schweden und Finnland verzeichnet. In diesen beiden Ländern sind mehr als 50% des Anstiegs der Entwaldung in Europa zu verzeichnen. Als nächstes folgen Spanien, Polen, Frankreich, Lettland, Portugal und Estland, die zusammen sechs bis 30% des Anstiegs ausmachen, heißt es in der Studie.
Experten schlagen vor, bei Modellrechnungen die Abholzung und Kohlenstoffemissionen zu verknüpfen, bevor neue Klimaziele festgelegt werden. Der Anstieg der Waldernte ist das Ergebnis der jüngsten Ausweitung der Holzmärkte, wie ökonomischen Indikatoren für Forstwirtschaft, Holz-Bioenergie und internationalen Handel belegen. Wenn eine derart hohe Waldernte weiter anhält, könnte die EU-Vision einer waldbasierten Klimaschutzminderung nach 2020 beeinträchtigt werden, und die zusätzlichen Kohlenstoffverluste aus Wäldern würden zusätzliche Emissionsminderungen in anderen Sektoren erfordern, um Klimaneutralität zu erreichen.
Bei Frontis Energy halten wir die Konkurrenz zwischen Bioenergie und Kohlenstoffspeicherung für besonders schwierig, da beides Strategien zur Abmilderung der Erderwärmung sind.
In unseren vorherigen Beiträgen haben wir die Rückgewinnung von Ressourcen aus Abfällen im Zusammenhang mit der Abwasserbehandlung erörtert und gezeigt, daß verbesserte Vorschriften sich positiv auf die Wasserqualität und die öffentliche Gesundheit auswirken. Hier zeigen wir, daß intelligente katalytische Prozesse landwirtschaftlichen Abfallprodukte in wertvolle Rohstoffe umwandeln können.
Kostengünstige Abfallbiomasse kann als erneuerbare Energiequelle dienen, um eine nachhaltige Alternative zu fossilen Kohlenstoffressourcen zu schaffen. So kann der Bedarf an umweltfreundlicher Energie besser gedeckt werden. Beispielsweise sind die von Carbonsäuren aus Biomasse abgeleiteten C2– und C4-Ether vielversprechende Kraftstoffkandidaten. So wurde z.B. berichtet, daß sich bei Verwendung von Ethern Biokraftstoffparameter wie Zündqualität und Ruß, und damit auch Feinstaub, im Vergleich zu handelsüblichem Petrodiesel signifikant verbessert haben (>86% Rußindexreduzierung). Die Zündqualität (Cetanzahl) wurde über 56% verbessert.
Die Wissenschaftler des National Renewable Energy Laboratory arbeiten zusammen mit ihren Kollegen von der Yale Universität, dem Argonne National Laboratory und dem Oak Ridge National Laboratory an einem gemeinsamen Projekt mit dem Ziel der gemeinsamen Optimierung von Kraftstoffen und Motoren. Die Forschung konzentriert sich auf die Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs und der Fahrzeugleistung bei gleichzeitiger Reduzierung der Emissionen durch Identifizierung von Mischmaterial aus Biomasse.
In ihrem kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift PNASveröffentlichten Artikel wurde ein neues Molekül, 4-Butoxyheptan, in einem katalytischen Verfahren mit hoher Ausbeute aus Lignocellulose-Biomasse isoliert. Aufgrund seines hohen Sauerstoffgehalts kann dieses vorteilhafte Mischmaterial die Leistung von Dieselkraftstoff verbessern, indem die intrinsische Rußneigung des Kraftstoffs beim Verbrennen verringert wird.
Das Forschungsteam hat einen neuen Ansatz beschrieben, um den Entwicklungsprozess zur Herstellung geeigneter sauerstoffhaltiger Dieselbeimischungenn (Dieseloxygenate) zu beschleunigen. Dabei lag der Fokus auf der Verbesserung der Kraftstoffeigenschaften verglichen mit fossilem Diesel.
Dieser Ansatz umfaßt Schritte:
Charakterisierung der Kraftstoffeigenschaften durch die Identifizierung und Aufstellung zugänglicher Oxygenatprodukte; Vorhersage der Kraftstoffeigenschaften dieser Produkte a priori durch rechnergestütztes Screening
Produktionsprozess durch die Entwicklung des Syntheseweges ausgehend von Biomasse. Das beinhaltet ein kontinuierliches, lösungsmittelfreies Syntheseverfahren auf der Basis eines Metall-Säure-Katalysators bei der Herstellung der ausgewählten Verbindung im Liter-Maßstab
Testen und Analysieren mit dem Ziel, Messungen der Kraftstoffeigenschaften zu validieren und mit Vorhersagen zu vergleichen
Die Kraftstoffeigenschaften der untersuchten Zieloxygenate hängen mit den Gesundheits- und Sicherheitsaspekten wie Flammpunkt, biologischem Abbaupotential und Toxizität / Wasserlöslichkeit sowie mit Markt- und Umweltaspekten wie Zündqualität (Cetanzahl) und Viskosität zusammen. Eine Verbesserung der Kraftstoffqualität wird durch die erhöhung des Heizwertes und die Verringerung des Rußpotentials durch Beimischung sauerstoffhaltiger Mischstoffe erreicht. Infolgedessen schien 4-Butoxyheptan das vielversprechendste Molekül zu sein, das mit herkömmlichem Diesel gemischt werden kann. Es wurde gezeigt, daß die Messungen der Kraftstoffeigenschaften weitgehend mit prädiktiven Schätzungen übereinstimmen, was die Genauigkeit des Ansatzes für die Auswahl des Mischmaterials bestätigte.
Die Beimischung von 20-30% 4-Butoxyheptan zum Dieselkraftstoff wurde als günstig vorgeschlagen. Die Verbesserung der Selbstentzündungsqualität sowie die signifikante Verringerung des Rußindexes von 215 auf 173 (20% Verringerung) zeigen, daß die Beimischung dieses Moleküls die Dieselemissionseigenschaften verbessern könnte, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. In Bezug auf Entflammbarkeit, Toxizität und Lagerstabilität wurde der Oxygenatbrennstoff als risikoarm eingestuft.
Lebenszyklusanalysen zeigen, daß dieses Gemisch kostengünstig sein und im Vergleich zu Petrodiesel zu erheblichen Treibhausgasreduzierungen (um 50 bis 271%) führen kann.
Da Forschung ein nie endender Prozess ist, ist wieder mehr Forschung notwendig. Zukünftige Untersuchungen sollten die Biemischung in einem tatsächlichen Motor zum Gegenstand machen, sowie die Herstellung des Biokraftstoffs in einem integrierten Prozess direkt aus Biomasse umfassen.
In unserem letzten Beitrag zur Wasserqualität in China haben wir auf eine Studie hingewiesen, die zeigt, wie sich eine verbesserte Abwasserbehandlung positiv auf die Umwelt und letztendlich auf die öffentliche Gesundheit auswirkt. Abwasserbehandlung erfordert jedoch eine ausgeklügelte und kostspielige Infrastruktur. Diese ist nicht überall verfügbar. Die Gewinnung von Ressourcen aus Abwasser kann jedoch einen Teil der Kosten ausgleichen, die durch den Bau und Betrieb von wolchen Anlagen entstehen. Die offene Frage ist, wieviele Ressourcen sind im Abwasser enthalt?
Eine kürzlich in der Fachzeitschrift Natural Resources Forumveröffentlichte Studie versucht, diese Frage zu beantworten. Es ist die erste dieser Art, die abschätzt, wie viel Abwasser alle Städte der Erde pro Jahr produzieren. Die Menge ist enorm, wie die Autoren sagen. Derzeit fallen weltweit jährlich 380 Milliarden m³ Abwasser an. Die Autoren ließen bei ihrer Untersuchung nur 5% der städtischen Gebiete aus.
Die wichtigsten Ressourcen im Abwasser sind Energie, Nährstoffe wie Stickstoff, Kalium und Phosphor sowie das Wasser selbst. In kommunalen Kläranlagen stammen sie aus menschlichen Exkrementen. In Industrie und Landwirtschaft enthält Abwasser Überreste der Produktionsprozesse. Das Forscherteam berechnete, wie viele Nährstoffe aus kommunalen Abwässern wahrscheinlich in den globalen Abwasserstrom gelangen. Dabei errechneten sie erreichen eine Gesamtzahl von 26 Millionen Tonnen pro Jahr. Das ist fast das Achtzigfache des Gewichts des New Yorker Empire State Buildings.
Wenn man die gesamte Stickstoff-, Phosphor- und Kaliumbelastung zurückgewinnen würde, könnte man theoretisch 13% des weltweiten Düngemittelbedarfs decken. Die Forscher gingen davon aus, daß das Abwasservolumen wahrscheinlich weiter zunehmen wird, da auch die Weltbevölkerung, die Urbanisierung und der Lebensstandard zunehmen. Sie schätzen weiter, daß es im Jahr 2050 fast 50% mehr Abwasser geben wird als im Jahr 2015. Es wird notwendig sein, so viel wie möglich davon zu behandeln und die Nährstoffe in diesem Abwasser stärker zu nutzen! Wie wir in unserem vorherigen Beitrag betont haben, verursacht Abwasser immer mehr Umwelt- und Gesundheitsprobleme.
Abwasser enthält auch viel Energie. Kläranlagen in Industrieländern nutzen sie seit langem in Form von Biogas. Die meisten Kläranlagen fermentieren Klärschlamm in großen anaeroben Fermentern und produzieren daraus Methan. Infolgedessen sind einige dieser Kläranlagen jetzt energieunabhängig.
Die Autoren berechneten in ihrer Studie das Energiepotential, das im Abwasser aller Städte weltweit verborgen liegt. Grundsätzlich reicht die Energie aus, um 500 bis 600 Millionen Durchschnittsverbraucher mit Strom zu versorgen. Die einzigen Probleme sind: Abwasserbehandlung und Energietechnologie sind teuer und werden daher in nicht Schwellen- und Entwicklungsländern wenig eingesetzt. Laut den Wissenschaftlern wird sich dies ändern. Gelegentlich passiert dies bereits.
Singapur ist ein prominentes Beispiel. Dort wird das Abwasser so gründlich geklärt, daß es in das normale Wassernetz zurückgeführt wird. In Jordanien gelangt das Abwasser aus den Städten Amman und Zerqa durch ein Gefälle in die kommunale Kläranlage. Dort sind kleine Turbinen installiert, die seit ihrem Bau Energie liefern. Solche Projekte zeigen, daß eine Rückgewinnung von Ressourcen möglich ist. Sie macht die Abwasserbehandlung effizienter und kostengünstiger.
Die Frontis-Technologie basiert auf der mikrobiellen Elektrolyse, bei der viele Schritte in Kläranlagen in einem einzigen Reaktor kombiniert werden, um sowohl Nährstoffe als auch Energie zurückzugewinnen.
Wie gestalten wir die Erforschung des Mars durch Menschen? Wie minimieren wir unser Gepäck während wir gleichzeitig den Nutzen des mitgebrachten Materials maximieren? Wie nutzen wir am besten was bereits auf dem Mars vorhanden ist?
Um genügend Treibstoff für eine sichere Rückkehr der Mars-Besatzung bereitzustellen, können wir Methan und Sauerstoff auf dem Mars produzieren. Die Produktion kann durch von Mikroben bewerkstelligt werden. Diese müssen zum Mars gebracht werden. Wir empfehlen leichte Perowskit-Solarmodule, die ebenfalls zum Mars transportiert werden müssen. Im optimistischen Szenario sind für die Installation der oberflächennahen Solarenergie und die Kraftstoffproduktion für die sichere Rückkehr nach Beginn der bemannten Mission ungefähr 18 Monate erforderlich. Das pessimistische Szenario dauert 4 Jahre. Um Sauerstoff zu sparen, schlagen wir auch Marsperchloraten als Raketentreibstoffkomponente vor. Für die Versorgung späterer Missionen mit Nahrungsmitteln empfehlen wir die Verwendung von Flechten als Primärkolonisatoren zur Erzeugung von organisch reichem Boden.
Verfahren zur Energieerzeugung auf dem Mars
Für die Herstellung von Methan als Aufstiegs- und Rückkehrtreibstoff empfehlen wir die Verwendung von vorhandenen Ressourcen auf dem Mars. Da der bei der Elektrolyse entstehende Sauerstoff für eine sichere Rückführung nicht ausreicht, empfehlen wir auch die Verwendung von Algen zur Erzeugung des zusätzlichen Sauerstoffs. Algenbiomasse kann als Grundlage für die Nahrungsmittelproduktion verwendet werden. Methan produzierende Mikroben werden in methanogenen Elektrolysereaktoren (MER) angezogen, während Algen in überdeckten Marskratern wachsen. Die Methanproduktion auf dem Mars soll autonom von Robotern und Reaktoren durchgeführt werden, die in der Nähe der eisreichen Polarregionen landen und salzhaltiges Wasser als Elektrolyt für die Niedertemperaturelektrolyse schmelzen. Der Landerobotor wird eigenständig Anlagen zur Treibstoffproduktion bauen, um das Mars-Transferfahrzeug für die Rückkehr zu betanken. Das Transferfahrzeug gewährleistet den Transport zwischen der Marsoberfläche und der Erdumlaufbahn. Erst wenn genug Treibstoff für eine sichere Rückkehr zur Erde produziert wurde, beginnt eine bemannte Marsmission. Darüber hinaus wird Methan als Energiespeicher eingesetzt, falls Sonnenkollektoren ausfallen. Ziel ist es, bis zum Ende der ersten bemannten Mission ein 3,5-MW-Solarkraftwerk auf dem Mars zu errichten.
Schema des Kraftstoffherstellungsprozesses. Rote Kreise markieren die Endprodukte Stahl (oben) und CH4/O2 (unten). Oben: 1, Landeroboter auf Eis, 2, Kernspaltungsreaktor mit Wärmetauscher zum Schmelzen von Eis, 3, Abbaueinheit, 4, Eisen / Nickel-Erze, 5, Induktionsstahlgießerei mit Energieversorgung aus dem Kernspaltungsreaktor (2), 6, Algenanreicherungstank mit Wasserversorgung aus dem Kernspaltungsreaktor (2), 7, Krater-Algen-Reservoir zur Erzeugung von O2 und Biomasse für 8, Entwässerungsanlage zum Abscheiden von Wasser aus 9, Biomasse-Pellets, 10, Stahl für Unten: 11, Solarkollektor-Schmelzeis und Wasser für 12, mikrobieller Elektrolysereaktor (MER) zur Erzeugung von Methan und Sauerstoff, welche durch 13, einen Gasabscheider getrennt werden. 14, auf Stahl montierte Sonnenkollektoren zur Erzeugung von Elektrizität für den MER (11) und 15, Gasspeichertank. 16, die Mars-Rakete für die Rückkehr zur Erde wird mit CH4/O2 betrieben.
Um das Leben von 6 Besatzungsmitgliedern aufrecht zu erhalten, ist eine Stromproduktionskapazität von 170 kW (siehe „Oberflächenlebensraum-Energiebedarf“) erforderlich und hat neben der Kraftstoffproduktion höchste Priorität für eine sichere Heimreise. Die Vorgehensweise ist in der oberen Abbildung skizziert. Es ist ein schrittweiser Prozess, bei dem die meisten Schritte voneinander abhängig sind und sich daher mit zunehmender Stromerzeugung selbst beschleunigen. Um das Risiko eines Ausfalls zu minimieren, empfehlen wir mindestens vier unabhängige Landerobotor auf dem Mars. Die Polarregionen weisen den höchsten Oberflächenwassergehalt auf. Dieses Wasser istr für bemannte Forschungsmissionen, die methanogene Elektrolyse sowie die Produktion von Sauerstoff und Biomasse von entscheidender Bedeutung. Die Landeroboter werden eine kleine Kernspaltungsanlage mitführen, die mit dem Abbau von Eisen- und Titanerzen beginnt, um Stahl zu produzieren. Stahl dient als strukturelle Stütze für Sonnenkollektoren. Zunächst beginnt der Landeroboter mit dem Abbau von Eisenerzen, damit die Stahlproduktion beginnen kann. Graphit oder andere reduzierte Formen von Kohlenstoff für die Stahlproduktion werden von der Erde mitgebracht, da die Produktion von organischer Materie auf dem Mars durch Algen ein langsamer Prozess ist. Alternativ werden modulare Kohlefaser-Leichtbauelemente zur Montage von Solarmodulen von der Erde zum Mars gebracht. Sobald die 170 kW Solaranlage errichtet ist, beginnt das Schmelzen des Eises für die methanogenen Elektrolysereaktoren (MER). Der kombinierte Strom aus dem Kernspaltungsreaktor und der Solaranlage wird genutzt. Erst wenn die Methanmenge für eine sichere Rückkehr einer Orion-Kapsel produziert wurde, wird die Leistung in drei gleiche Teile umgeleitet: (1) weiterhin Eis für Algen schmelzen, (2) Erze für thermische Kollektoren fördern und (3) Methan produzieren. Nachdem genügend Wärmekollektoren hergestellt wurden, um die Eisschmelze mit dem Algenwachstum in Einklang zu bringen, wird die elektrische Eisschmelze abgeschaltet. Jetzt wird elektrische Energie für die Stahlproduktion verwendet, um mehr Sonnenkollektoren und Methan zu installieren, bis ein ausreichender Ertrag für mehr Nutzlast erreicht ist. Zu diesem Zeitpunkt trifft die Besatzung ein und entscheidet, was die höchsten Prioritäten sind. Wir empfehlen, sich auf die Beschleunigung des Algenwachstums für die Produktion von Sauerstoff und Biomasse zu konzentrieren, da die vollständige Unabhängigkeit von der Erde die Produktion von organischem Kohlenstoff aus CO2 erfordert.
Die Zusammensetzung des Marsbodens, so wie sie von NASAs Curiosity und anderen Fahrzeugen analysiert wurde (Quelle: NASA 2012)
Energiebedarf für die Rückkehr
Der auf dem Mars produzierte Kraftstoff dient drei verschieden Zwecken:
Rückkehr einer Orion-Kapsel
Produktion von zusätzlichem Kraftstoff für mehr Komfort während des Rücktransports (optional)
Energiespeicher bei Nacht oder Stromausfall
Zwei Optionen für die Mars-Erde-Rückkehr scheinen möglich. (1) Option 1 wurde von der NASA in DRA 5.0 vorgeschlagen und betrifft ein Orion-ähnliches Fahrzeug von etwa 12 Tonnen mit einer Geschwindigkeit von 14 km/s. Diese Option erfordert nur ein Fahrzeug, bietet jedoch weniger Komfort für die lange Heimreise und setzt die Besatzung daher einem höheren Stress aus. Sie verbraucht jedoch weniger Treibstoff und ermöglicht so eine schnellere Durchführung der ersten Marsmission. (2) Wir stellen eine zweite Option vor, die zwei Fahrzeuge umfasst, eine Orion-ähnliche Kapsel für den Transport von 6 Besatzungsmitgliedern in eine Marsumlaufbahn von 250 km und ein Transitfahrzeug für die Rückkehr zur Erde. Da Option zwei die bevorzugte Option ist, empfehlen wir, Option eins, das eine-Kapsel-Szenario, nur zur Sicherheit in Betracht zu ziehen.
Wir nehmen die Kapazität einer bemannten Orion-Kapsel mit Drachentriebwerken (Draco) als Referenz an. Das Orion-ähnliche Raumschiff kann 6 Besatzungsmitglieder befördern und wiegt 12 Tonnen einschließlich Kraftstoff. Für einen Mars-Start wird ein Schub-Masse-Verhältnis von mindestens 5 N/kg benötigt, was für einem Schub von 60 kN bzw. 150 Draco-Triebwerken zum Transport von 6 Besatzungsmitgliedern in die Mars-Umlaufbahn ausreicht. Die Reisezeit von der Marsoberfläche bis zu einer Umlaufbahn von 250 km würde bei vollem Schub 7 Minuten betragen. Zum Abheben wären ca. 600 m3 Methan (bei Erdatmosphärendruck) erforderlich. Um diese Methanmenge bei 210 kW (40 kW Kernspaltung und 170 kW Solarenergie, siehe „Bedarf an Lebensraumenergie an der Oberfläche“) zu produzieren, sind 3 Jahre Brennstoffproduktion erforderlich. Die vorgeschlagenen Solarstromanlagen mit 1.400 m2 Perowskit-Solarzellen können an einem Mars-Tag von 8 Stunden effektiv 170 kW erzeugen (20 kW/m2). Wenn dieselbe Orion-Kapsel auch für den Mars-Erde-Transit verwendet wird, sind weitere 7 Minuten oder 17.000 km erforderlich, um die Reisegeschwindigkeit von 14 km/s zu erreichen, und ungefähr die gleiche Zeit für einen vollständigen Stop. Um genügend Treibstoff für den Mars-Erde-Transit zu produzieren, sind nur noch 3 Tage erforderlich. Sobald genug Treibstoff für das sichere Szenario produziert wurde, verlässt die Besatzung die Erdumlaufbahn in Richtung Mars.
Für das Komfortszenario wird die vorgeschlagene Nutzlastoption mit 63 Tonnen Besatzung aus dem Mars DRA 5.0 für den Erde-Mars-Transit angenommen. Dies erscheint sinnvoll, da die meisten Geräte auf dem Mars zurückgelassen werden und nur der Transitlebensraum, die Orion-Kapsel (für Notfälle), der Antrieb und entsprechende Kraftstoff benötigt werden. Dieses Szenario erfordert jedoch erheblich mehr Kraftstoff. Dafür würden Generatoren mit einer Papazität von 210 kW auf der Oberfläche mindestens 42 Jahre lang Methan produzieren müssen. Da dies außerhalb des Planung liegt, empfehlen wir eine Erweiterung der Oberflächenleistung auf 3.500 kW, wodurch die erforderliche Methanproduktion auf 30 Monate bei einer Geschwindigkeit von 14 km/s oder 12 Monate bei 9 km/s reduziert würde. Die geringere Belastung der Besatzung rechtfertigt die geringere Fluggeschwindigkeit und die höhere Investition. Es werden jedoch 6,3 Tonnen (entsprechend 0,18 km2) Perowskit-Zellen benötigt, um ausreichend Brennstoff zu produzieren. Für dieses Szenario werden rund 280 Tonnen Stahl als strukturelle Unterstützung gebraucht. Da für das Elektroschmelzen 900 kWh/t Stahl verbraucht werden, sollte zusätzlich der Kernspaltungsreaktor von etwa 40 kW für etwa ein Jahr Stahlproduktion (bzw. zwei Monate mit den kompletten 210 kW) eingesetzt werden. Alternativ könnten von der Erde mitgebrachte Kohlefaserelemente die Stahlproduktion in dieser Phase der Mission überflüssig machen. Der gesamte Prozess beschleunigt sich von selbst, da die Stromerzeugung während des Montageprozesses der Solarmodule zunimmt.
Zur Erzeugung von ausreichen Methan für den Start, wird ein MER von 200.000 Litern unter Verwendung von Stahlgitter- oder Bürstenelektroden (Anode und Kathode) mit einer projizierten Oberfläche von 2.200 m2 benötigt (siehe Abbildung unten). Ein modulares Redundanzsystem mit kleineren Abmessungen verbessert die Sicherheit, erfordert jedoch mehr Material. MERs haben die theoretische Kapazität, innerhalb von weniger als ein oder zwei Tagen ausreichend Kraftstoff für den Start einer Orion-Kapsel zu produzieren, wenn die Stromversorgung gesichert ist. Bei maximaler Leistung würde dieser Reaktor etwa 100 GWh oder 220 kWh/mol Methan verbrauchen. Mikroben erleichtern die Elektrolyse bei niedrigen Temperaturen, und diese Mikroben werden vom Landeroboter in kleinen (100 ml) redundanten Chargen transportiert. Da die Grenze für die Methanproduktion nicht die Reaktorkapazität, sondern die zur Verfügung stehende elektrische Leistung ist, kann die Verdoppelung der Menge an Sonnenkollektoren die erforderliche Zeit für die Methanproduktion halbieren. Um das so erzeugte Methan zu lagern, empfehlen wir, das Elektrolyt vor dem Beladen des MER zunächst auf 200 bar zu bringen. Zur Extraktion aus dem Elektrolyt ist ein geringer Druckabbau erforderlich, und die so erhaltene Gasphase wird dann zur späteren Verwendung in Druckstahltanks geleitet.
Ein experimenteller MER muß zunächst auf der Erde gebaut werden. Wie der Mars-Reaktor wird auch dieser experimentelle MER ein 5 x 5 m großer zylindrischer Reaktor mit einer oder zwei Kammern sein. Der Vorteil des Zweikammersystems ist die Trennung von Sauerstoff und Methan, erfordert jedoch mehr Wasser, während der Einkammerreaktor einfacher zu bauen ist und weniger Wasser enthält. Nach der Produktion ist jedoch eine O2/CH4-Trennung erforderlich. Leider ist das Verhältnis von Sauerstoff zu Methan schwer vorherzusagen, da es vom anodischen pH-Wert abhängt. Ein Massenverhältnis von mehr als 2:1 ist erforderlich. Wir schlagen daher die Verwendung von Algen als zusätzliche Sauerstoffproduzenten vor (siehe „Photosynthese-Krater zur Erzeugung von Sauerstoff und Biomasse“). Als Elektroden werden Bürsten- oder Stahlgitterelektroden verwendet. Auf dem Mars hergestelltes Stahlgewebe (40 x 40 mesh) mit einer projizierten Fläche von 1.100 m2 pro Elektrode kann verwendet werde.
A detailed description of the reactor can be found here.
Alternative Oxidationsmittel in kalten Methanbrennstoffzellen oder Raketentreibstoff
Es wird erwartet, daß die Sauerstoffknappheit jede bemannte Marsmission stark einschränkt. Sauerstoff ist als Treibstoff und für jede menschliche Anwesenheit von entscheidender Bedeutung. Die Verwendung von Methan zur Energiespeicherung ist nur bei ausreichendem Elektronenakzeptor sinnvoll. Während Methan in Turbinen mit akzeptablen Wirkungsgraden für die Stromerzeugung verbrannt werden kann, kann es auch in Brennstoffzellen verwendet werden. Es gibt jedoch keine Katalysatoren, die Methan an Elektroden bei Raumtemperatur oder darunter oxidieren. Die einzig mögliche Ausnahme bilden anaerobe Methanoxidationskonsortien, die auf natürliche Weise biologische Elektronentransportketten nutzen. Der Einsatz biologischer Elektronentransportketten eröffnet die Möglichkeit, die beim Transport in Elektronen gespeicherte Energie einzufangen. Da dies elektronenakzeptorunabhängig ist, können oxidierte Metallmineralien, die auf dem Mars häufig vorkommen, als Elektronenakzeptoren verwendet werden. Der Nachteil dieser Methanbrennstoffzellen ist, daß im Vergleich zu Sauerstoff weniger Energie eingefangen wird. Zudem existieren sie nur theoretisch.
Der hohe Säuregehalt auf dem Mars spricht jedoch für eine Reaktion, bei der aus Eisenoxiden und Protonen mithilfe der Reduktionskraft von Methan zusätzliches Wasser gebildet wird. Lösliches Fe2+ könnte für die Herstellung von Elektrostahl verwendet werden, da die Reduktion von Fe2+ zu Fe0 ein erheblich geringeres Redoxpotential und damit weniger Energie erfordert.
Perchloratsalze, die auf dem Mars vorhanden sind, können als Oxidationsmittel im Raketentreibstoff dienen. Ammoniumperchlorat und Calciumperchlorat, welches auf dem Mars häufiger vorkommt, sind explosive Oxidationsmittel. Um Calciumperchlorat in das Ammoniumsalz umzuwandeln, kann Ammonium durch eine Vielzahl von mikrobiellen Verfahren hergestellt werden, wie z.B. durch Stickstoffixierung (über die Nitrogenaseenzyme) und katabolische Ammonifizierung von Aminosäuren oder Abfallharnstoff (über das Ureaseenzym). Auch das Haber-Boschverfahren könnte zum Einsatz kommen. Sollte sich das Sammeln und Komprimieren des photosynthetisch gewonnenen O2-Gases in Raketentreibstoff als unpraktisch erweisen, könnte sich unser Ansatz mit festen Oxidationsmitteln als nützlich erweisen. Diese Doppeloxidationsstrategie sorgt für eine weitaus größere Flexibilität und mehr Sauerstoff zur Atmung. Abgebautes Perchlorat kann auch zur Desinfektion von Wasser verwendet werden.
Photosynthese-Krater zur Erzeugung von Sauerstoff und Biomasse
Die sauerstoffhaltige Biophotolyse von Wasser unter Verwendung von psychrophilen (Kälte-liebend), Distickstoff fixierenden Cyanobakterien, d.h. Blaualgen, die in bedeckten Kratern gezüchtet werden, ist ein plausibles Mittel, um den Bedarf an Sauerstoff und Biomasse zu decken. Der überschüssige Sauerstoff wird als Treibstoff und Bestandteil der künstlichen Luft im Oberflächenhabitat benötigt. Während dies für eine Marsmission zunächst nicht entscheidend ist, ist die Produktion von organischer Materie für längere Missionen mit größeren Teams und längerer Präsenz nützlich. Organisches Material ist für einen gesunden Boden unerläßlich, der wiederum für die Produktion von pflanzlichen Lebensmitteln auf dem Mars von entscheidender Bedeutung ist. Darüber hinaus benötigen Cyanobakterien und Algen wenig Technik und Energie, was sie ideal für die autonome Herstellung von organischem Material und Sauerstoff macht.
Die Menge an schädlichen kosmischen Strahlen sowie UV-Strahlen kann aufgrund des Fehlens einer Ozonschicht und einer schützenden Magnetosphäre höher sein. Die Menge der kosmischen Strahlung (ca. 0,076 Gray pro Jahr) liegt für viele irdische Mikroben mit Sicherheit im erträglichen Bereich. So ist z.B. das Innere der internationalen Raumstation einer ähnlichen Strahlendosis ausgesetzt. UV-Licht mit seiner kürzeren Wellenlänge kann leicht durch eine dünne Abdeckung des Mars-Bodens blockiert werden, während längere Wellenlängen der photosynthetisch aktiven Strahlung weiter eindringen können. Die Mikroben werden in ihren Überlebenszonen selektiv angereichert. Alternativ könnte eine UV-Schutzhülle über dem Krater verwendet werden. Die leichte, aber haltbare und robuste Kraterabdeckung könnte die Form einer aufblasbaren Kuppel haben, die am Kraterrand verankert ist. Die durchsichtige obere Abdeckung läßt Sonnenlicht durch, hat jedoch eine Beschichtung, um schädliche Strahlung abzuhalten, während die gekrümmte untere Oberfläche reflektierend (um die Photosynthese zu maximieren) oder schwarz sein kann, um Wärme zu absorbieren. Solarbetriebene Gaspumpen könnten den Gasinnendruck regulieren, um die Kohlenstoff- und Stickstoff-Fixierungsraten sowie die Wasseransammlung aus dem verfügbaren Wasserdampf zu beschleunigen.
Die Umwandlung einer begrenzten Menge an Sonnenenergie mit gefrorenem Wasser, plus reichlich CO2 in biologisch erzeugten Sauerstoff, sowie organisches Material erfordert phototrophe Mikroben, die bei extrem niedrigen Temperaturen überleben können. Solche Temperaturen sind auf der Marsoberfläche üblich. Wir schlagen vor, terrestrische Cyanobakterien zu identifizieren, die dazu in der Lage sind, indem sie selektiv aus gemischten Biofilmkonsortien angereichert werden, die aus der Arktis oder Antarktis stammen. Proben aus felsigen Küstensolen werden in selektiven Anreicherungsreaktoren, die zur Nachbildung des Lebensraums der Marsbewohner eingerichtet sind, einer intensiven Untersuchung unterzogen. Der Befund, daß die Flechte Pleopsidium chlorophanum unter marsianischen Umweltbedingungen überleben, sich anpassen und wachsen kann, ist ein gutes Vorzeichen für diesen Ansatz.
Während der anfänglichen Phase der Nutzung der Oberflächenressourcen (siehe Abbildung oben) ist das Algenwachstum der zeitaufwändigste Schritt und daher hat die Gewinnung von flüssigem Wasser höchste Priorität. Durch die Verwendung von Kratern werden keine Behälter zum Wachsen benötigt und die Menge des zum Mars gebrachten Materials wird verringert. Im Idealfall handelt es sich bei solchen Kratern um äquatoriale Flachwasserteiche, die ein Maximum an Sonneneinstrahlung und ein Minimum an Wassererwärmung gewährleisten. Diese Voraussetzungen stimmen nicht mit dem anfänglichen Missionsaufbau (Landung in der Nähe von Polkappen) überein, sollten jedoch während der ersten Mission vorbereitet werden. Das heißt, Wasserleitungen von den peripheren Polargebieten zu den Äquatorgebieten müssen gebaut werden. Die Rohre müssen möglicherweise erwärmt werden, was zusätzliche Energie erfordert, oder das geschmolzene Wasser muss auf hohe Temperaturen und Drücke erhitzt werden, um die Eisbildung während des Transports zu verhindern.
Produktion von Wasser als Medium für die methanogene Elektrolyse und Algen
Der Mangel an flüssigem Wasser ist ein Haupthindernis, da jeder aktive Metabolismus ein flüssiges wässriges Medium erfordert. Neben der Produktion von Methan ist das Schmelzen von Eis die größte Herausforderung für die erste bemannte Marsmission. Flüssiges Wasser ist für MERs und Algenkrater unverzichtbar. Daher sollte jeglicher Wärme- oder Stromüberschuß auf das Schmelzen von Eis gerichtet werden, nachdem die Methanproduktion sichergestellt ist. Die so gewonnene CO2-reiche Sole ist der Elektrolyt für die MERs. Der hohe Säuregehalt ist nicht hemmend für das mikrobielle Wachstum, da acidophileMethanogene und Algen aus terrestrischen Umgebungen verwendet werden könen. Der niedrige pH-Wert verringert das für die Wasserstofferzeugung erforderliche elektrische Überpotential. Wasserstoff ist der Zwischenschritt bei der methanogenen Elektrolyse. Andererseits hemmt der niedrige pH-Wert die Sauerstoffbildung, weshalb davon auszugehen ist, daß die Korrosion von Stahlanoden zu einem möglichen Problem werden kann. Die Anodenkorrosion muß überwacht werden und darf einen bestimmten, noch zu bestimmenden Schwellenwert nicht überschreiten. Verbrauchte Anoden können in Stahlgießereien wieder aufbereitet werden, die mit der ersten Mission gebracht wurden.
Die niedrigen Temperaturen auf dem Mars, die in äquatorialen Regionen nur 20°C erreichen, stellen auch eine große Hürde für den Unterhalt von flüssigem Wasser dar. Das heißt, Wasser muß möglicherweise durch parabolische Wärmekollektoren erwärmt werden, um flüssig zu bleiben. Fischer et al. haben festgestellt, daß sich „bei Kontakt der Salze mit Wassereis innerhalb weniger Minuten flüssige Salzlösung bildet, was darauf hinweist, daß sich vorübergehend wässrige Lösungen bilden können, wenn sich Salze und Eis auf der Marsoberfläche und im flachen Untergrund befinden.“ Wenn unser Kraterdach mit einer inneren reflektierende Beschichtung im Infrarotspektrum ausgestattet ist, können so Wärmespeicher erzeugt werden und die Sole bleibt länger flüssig.
Die MER enthält methanogene Mikroorganismen für die Methanproduktion, die vom Landerobotor zusammen mit Algen zum Mars gebracht werden. Die methanogenen Mikroben sind hocheffizient in der Methanproduktion, was zu Wirkungsgraden von nahezu 100% bei der Stromerzeugung führt. Edelmetallkatalysatoren sind nicht erforderlich. Im Gegensatz dazu kann für eine effektive Sauerstofferzeugung eine Platin- oder Palladiumbeschichtung auf der anodischen Seite der MER erforderlich sein. Anodische Algen scheinen eine mögliche Alternative, müssen aber weiter erforscht werden. Da die Menge an verwendetem Platin sehr gering ist, kann es als Salz zum Mars transportiert und auf Stahlelektroden elektroplattiert werden, sobald sie fertig sind. Das Galvanisieren ist ein einfaches Verfahren, so daß ein Roboter diese Aufgabe innerhalb weniger Minuten erledigen kann. Platinrecycling erfordert jedoch 1-2 Arbeitstage eines Besatzungsmitglieds.
Etwa 280 Tonnen Stahl für die strukturelle Unterstützung von Sonnenkollektoren werden benötigt (siehe „Herstellung von Stahl für die strukturelle Unterstützung von Mars-Oberflächenteilen“). Der Kohlenstoffgehalt von Stahl sollte 2,1% nicht überschreiten, um eine hohe Stabilität zu gewährleisten. Aus diesem Grund haben wir für Mars-Stahl 1,5% Kohlenstoff gewählt. Das heißt, für die Stahlproduktion werden ca. 4 Tonnen Kohlenstoff benötigt. Dies ist der Engpaß in der Stahlproduktion. Unter der Annahme, daß es auf dem Mars kalt ist wie in der Antarktis, kann man von einer Biomassekonzentration in der Sole von 5 mg/m3 ausgehen. Bei dieser Konzentration muß fast 1 Milliarde m3 Wasser aufbereitet werden. Während die vorhandene Menge von 821.000 km3 mehr als ausreichend wäre, ist es unmöglich, diese Eismenge innerhalb des Zeitrahmens der Mission unter Verwendung eines Kernreaktors von 40 kW zu schmelzen, selbst wenn andere Energiequellen einbezogen würden. Daher könnten Parabolkollektoren von der Erde mitgebracht werden. Bei einem energetischen Wirkungsgrad der Parabolwärmekollektoren von 80% wären 300 Tonnen dieser Kollektoren erforderlich, um diese Wassermenge innerhalb von 2 Jahren zu schmelzen. Mit 10 Tonnen Parabolkollektoren kann man 2 Jahre lang nur 26.000 m3 Wasser für die Algen schmelzen. Dies reicht aus, um bei einer konstanten Konzentration von 5 mg/m3 in etwas mehr als 2 Jahren 130 g Algenkohlenstoff zu produzieren. Es ist effizienter, 4 Tonnen Graphit für die anfängliche Stahlproduktion auf den Mars zu bringen oder andere reflektierende Oberflächen als polierten Stahl für die Wasserschmelze in Betracht zu ziehen.
Alternative Verwendung von bedeckten Kratern zur Anreicherung von Wasser mit natürlichen Perchloraten
Angesichts der erheblichen Schwierigkeiten, die mit der Installation langer Wasserleitungen verbunden sind, um Krater mit Wasser zu füllen, skizzieren wir eine elegante alternative Strategie zur schrittweisen Gewinnung von Wasser aus der Atmosphäre unter Verwendung von nativen Perchloraten in den Mars-Sedimenten.
Halophile Algen vertragen hohe Salzkonzentrationen und niedrige Temperaturen. Aufgrund der hohen CO2-Konzentration in der natürlichen Atmosphäre verstärkt die Kraterbedeckung die Erwärmungseffekte dieses Treibhausgases, um die Dauer des zur Fixierung von Stickstoff und Kohlenstoff erforderlichen Wassers im flüssigen Zustand zu verlängern. Durch den Transport von mehr aus dem Boden stammenden Perchloraten, möglicherweise mit Eisablagerungen, kann sich langsam Wasser in den bedeckten Kratern ansammeln. Biologisch gebildetes Distickstoffoxidgas könnte die innere Erwärmung dieses Gewächshauses und damit die biologischen Aktivitätsraten weiter verstärken.
Perchloratsalze aus dem Inneren des Kraters können aus der flüssigen Salzlösung gewonnen werden, um den Salzgehalt des Wassers allmählich zu verringern. Dies könnte durch parabolische Verdunstungsrinnen geschehen, die regelmäßig über die Salzoberfläche gehoben werden. Da Perchlorate giftig sind, können sie von einigen Mikroben wie Perchlorat-reduzierenden Bakterien (PRBs), die Percholorate als alternative Elektronenakzeptoren verwenden, entfernt werden. Solche PRBs könnten zu einem späteren Zeitpunkt eingeführt werden, um die mit Wasser gefüllten Krater für höhere Lebensformen ungiftig zu machen.
Bodenkonditionierung durch phototrophe Primärproduktivität
Flechten und Blaualgen werden seit Hunderten von Jahren als Nahrungsmittel auf der Erde verwendet. Spirulina ist ein Beispiel für ein weit verbreitetes Cyanobakterium, das mithilfe von Sonnenlicht essentielle Vitamine, Antioxidantien wie Beta-Carotin und Fettsäuren aus CO2 synthetisiert. Ein Hauptvorteil der Verwendung eines stickstoffixierenden Cyanobakteriums besteht darin, daß es Sonnenenergie verwenden kann, um atmosphärisches Stickstoffgas direkt in die essentiellen Aminosäuren umzuwandeln, die zukünftige bemannte Missionen benötigen, um Muskeln auf dem Roten Planeten aufzubauen und aufrechtzuerhalten. Dies reduziert die Menge an Treibstoff, die für den Transport von Nahrungsmitteln in benötigt wird. Überraschenderweise enthalten einige Arten von Cyanobakterien 60% Protein pro trockenes Gramm, was mehr Protein als im einem Rindersteak ist, ohne die hohe Menge an schädlichem Cholesterin. Gasförmiger Stickstoff macht etwa 2,7% der dünnen Marsatmosphäre aus und ist überall verfügbar. Stickstoffgas ist nicht die einzige bioverfügbare Form von Stickstoff, die zum Züchten von sauerstoffhaltigen Phototrophen benötigt wird. Nitrate sind ein idealer Dünger. Der Curiosity Rover identifizierte bioverfügbare Nitrate als wesentlichen Bestandteil des Sediments auf dem Mars. Spurenelemente sind auch in Gesteinen und Böden vorhanden, müssen jedoch möglicherweise verarbeitet werden.
Stahl kann nicht zum Mars gebracht werden, da mindestens 2,2 Tonnen Stahl für die strukturelle Unterstützung von 1.400 m2 Perowskit-Solarmodulen benötigt werden. Während leichte Kohlefasermodule als strukturelle Unterstützung verwendet werden könnten, ist es möglich, Stahl vor Ort zu produzieren. Die Stahlproduktion auf dem Mars scheint angesichts der Fülle an Eisen, Nickel und Titan auf dem Mars eine offensichtliche Alternative zum Transport von Baumaterial zu sein. Es wird jedoch auch organischer Kohlenstoff benötigt, der durch CO2-fixierende Algen erzeugt werden soll, die zuerst in Anreicherungsbecken (transparente Plastiktüten) und später in bedeckten Kratern wachsen. Nachdem das Algenmedium entwässert, recycelt und wieder erwärmt wurde, werden trockene Algenpellets als Ergänzung für die Stahlproduktion verwendet. Der Dehydratisierungs- und Wiedererwärmungsprozess erfordert zusätzliche Energie, die mit Hilfe von Parabolkollektoren als Wärme bereitgestellt werden kann. Parabolkollektoren sind effizienter in Bezug auf die Energieerfassung und einfacher zu konstruieren, da polierter Stahl im Gegensatz zu organischen Pb/I-Verbundstoffen in Perowskit-Solarzellen verwendet werden kann. Anschließend wird Stahl geformt und poliert, um parabolische Wärmekollektoren zu bauen, die mehr Eis schmelzen und mehr Energie liefern, bis der Kernreaktor und die Solarkollektoren vollständig durch Parabolkollektoren ersetzt werden können. Diese können die auch Strom produzieren. Die Stahlproduktion ist begrenzt durch die Menge an verfügbarem organischem Kohlenstoff. Daher empfehlen wir, die Möglichkeit zu prüfen, Methangas als Reduktionsmittel und Kohlenstoffquelle für die Stahlerzeugung zu verwenden. Die Methangasproduktion ist schneller und erfordert weniger Wasserressourcen als Algen.
Die Landeroboter wird auch Eisenerze und Silikate für die Herstellung von Drähten, Sonnenkollektoren und Baumaterialien abbauen. Stahl wird in einem Induktionsofen aus Eisenerzen und Graphit oder organischer Biomasse hergestellt. Für die Stahlproduktion wird organische Biomasse aus Algentanks verwendet. Diese organische Biomasse wird zu einem späteren Zeitpunkt der Mission auch für die Graphitherstellung verwendet. Alternative Ofenkonzepte sind möglich. Beispielsweise kann Methan als Reduktionsmittel verwendet werden. Eine andere Alternative wäre ein Lichtbogenofen oder Opfergraphitelektroden. Graphit kann wie folgt aus organischem Kohlenstoff hergestellt werden:
Organischer Kohlenstoff aus CO2 durch kaltangepasste Algen
Organischer Kohlenstoff + 800ºC → C
C + SiO2 + 1.400 ° C → SiC
SiC + 4.200ºC → Graphit
Die Induktionsöfen aus Stahl und Graphit
Energie für die anfängliche Stahlerzeugung für den Bau der 170-kW-Solaranlage (siehe „Oberflächenenergiebedarf“) wird von einem Kernreaktor erzeugt. Ein 40 kW Kernreaktor wird empfohlen. Die Stahlproduktion aus Eisenerz mittels Elektroschmelze erfordert 900 kWh pro Tonne Stahl. Das heißt, um eine ausreichende strukturelle Basis für Solarmodule für 6 Personen zu erzeugen, sind etwa 2.000 kWh oder etwa 3 Tage Energieerzeugung bei voller Leistung erforderlich. Dies basiert auf der Annahme, daß der Stahl mit einer Dicke von 2 mm und 10% der Perowskitfläche von 1.400 m2 ausreichend sind. Um eine ausreichende strukturelle Stabilität für 3,5 MW (0,18 km2) Perowskit-Solarzellen zu erzeugen, die für die komfortable Rückgabeoption benötigt werden, werden 280 Tonnen Stahl benötigt. Das sind 50 Tagen Stahlproduktion mit den gesamten 210 kW (40 kW Kernreaktor + 170 kW Perowskit). Um 1,5% Kohlenstoff hinzuzufügen, werden 4 Tonnen Graphit benötigt, die als Ladung von der Erde transportiert werden.
Stahl ist auch für Parabol-Wärmekollektoren vor Ort erforderlich. Parabolische Wärmekollektoren werden zum Schmelzen des Eises für das Algenwachstum benötigt. Ungefähr 600 Tonnen Stahl werden für Parabolkollektoren für 1 Milliarde m3 Eisschmelze benötigt. D.h. es müssen 9 zusätzliche Tonnen Graphit mitgebracht werden. Um diese Menge Stahl auf dem Mars herzustellen, sind mindestens zwei weitere Jahre erforderlich. Dies scheint der beste Kompromiß zwischen Transport und Wartezeit für eine Marsmission zu sein, ist aber immer noch eine Annäherung. Auch das Algennebenprodukt Sauerstoff rechtfertigt diesen Ansatz. Da der Start einer bemannten Mission nicht von der Algenproduktion abhängt, gilt dies nicht als Wartezeit, die weitere 4 Jahre vor dem Start erforderlich macht. Dies soll nur die Machbarkeit der Stahlproduktion auf dem Mars belegen. Alternativ muß die Verwendung von auf dem Mars erzeugtem Methan als Kohlenstoff- und Elektronenquelle für Stahl untersucht werden, da dadurch möglicherweise kein Graphittransport mehr erforderlich ist.
Mögliche Perowskitproduktion und Wiederverwendung von Blei aus dem Kernspaltungsreaktor
Bleireste aus dem Kernspaltungsreaktor 235U an Bord des Landeroboters können verwendet werden, da sie ein Nebenprodukt des radioaktiven Zerfalls der Kontamination von 238U sind. Es gibt keine bestätigten höheren Jodkonzentrationen auf dem Mars. Um das PbI und Methylammoniumiodid in Solarzellen zu produzieren, muß dieses Element in Form von elementarem Jod, KI oder NaI mit dem Landeroboter mitgebracht werden. Da jedoch Jod durch das Element Chlor zur Herstellung von Perowskit ersetzt werden kann, muß die ursprüngliche Menge Jod möglicherweise nicht nachgefüllt werden. Chlor ist auf dem Mars ein reichlich vorhandenes Element.
Lösungsmittel, die für Perowskit-Zellen benötigt werden, können vor Ort unter Verwendung von Methangas und Essigsäure (ebenfalls ein mögliches Nebenprodukt von MERs) als Vorläufer hergestellt werden, sobald sie verfügbar sind. Um die Zwischenlücke zu schließen, können Lösungsmittel und organische Substrate verwendet werden, die vom Landeroboter auf den Mars gebracht werden. Diese Materialien sind:
Da die Synthese von Perowskit-Zellen auf dem Mars immer noch zu schwierig sein kann, empfehlen wir den Transport dieser Komponenten. Wie unten gezeigt (Energiebedarf des Oberflächenlebensraums) werden nur 9 kg Perowskit-Sonnenkollektoren benötigt. Da Photovoltaikanlagen ständig verbessert werden, kann man in Zukunft eine bessere Leistung und geringere Gewichte erwarten.
Die in dieser Tabelle zum aktuellen Stand der Technik enthaltenen Geräte weisen Wirkungsgrade auf, die von unabhängigen, anerkannten Prüflabors (NREL, AIST, JRC-ESTI und Fraunhofer-ISE) bestätigt und standardisiert gemeldet werden (Quelle: NREL 2019).
Energiebedarf des Oberflächenlebensraums
Der durchschnittliche Energiebedarf pro Kopf in der Europäischen Union betrug 150 GJ/Jahr. Obwohl diese Schätzung für eine permanente Kolonie auf dem Mars wahrscheinlich zu hoch ist, haben wir dies hier als Referenz verwendet. Ein Perowskit-Solarmodul, das mit einem Wirkungsgrad von 12% betrieben wird, kann aus dem Mars-Aphel 8 Stunden Sonnenstrahlung mit einer angenommenen Leistung von 170 W/m² also 14 MJ/Tag/m² erzeugen. Das heißt, 240 m² Methylammonium-Bleihalogenid-Perowskit-Sonnenkollektoren sind erforderlich, um die Anwesenheit einer Person auf dem Mars aufrechtzuerhalten. Dies erfordert 350 g mesoporöses TiO2 und 370 g Au pro Kopf. Das geringe Gewicht von ca. 720 g pro Kopf ermöglicht einen Transport dieser Komponenten von der Erde zum Mars (insgesamt 8,5 kg). Die Montage des dünnen Solarkollektors auf einer stabilen Stahloberfläche ist auf dem Mars nur möglich, wenn Stahl vor Ort hergestellt wird. NASAs Human Exploration of Mars Design empfiehlt eine Mission von 6 Forschern. Das heißt, daß bei einer Leistung von ca. 1.400 m² Perowskit-Solarmodulen oder 170 kW nur eine bemannte Forschungsmission überleben braucht. Vor dem Einbau dieser Paneele muß Stahl hergestellt werden, auf dem sie montiert werden können. Für den geplanten höheren Energiebedarf sind 3,5 MW erforderlich, wofür etwa 6,3 Tonnen Perowskit zum Mars transportiert werden können.
Auf dem Mars hergestellte Verbindungen (Zweck in Klammern)
Hefen wie Saccharomyces cerevisiae werden, wie der Name erraten läßt, zur Herstellung von Bier und anderen alkoholischen Getränken im großen Maßstab eingesetzt. Ihre hohe Salz- und Ethanoltoleranz macht sie dabei aber nicht nur für die Herstellung von Getränken nützlich, sondern auch für hohe Alkoholkonzentrationen bei der Produktion von Kraftstoffen. Wie wir schon berichteten, sind dabei neben dem bekannten Ethanol besonders auch die langkettigen Fuselalkohole interessant. Schon heute wird Bioethanol mit Benzin gemischt und verbessert somit die CO2-Bilanz von Verbrennungsmotoren. Dieser flüssiger Biokraftstoff wird entweder aus Stärke oder Lignocellulose hergestellt. Die lokale Produktion und Verwendung von Bioethanol unterstützt lokale Volkswirtschaften, verringert den CO2-Ausstoß und fördert die Selbstversorgung. Letzteres ist besonders wichtig für ressourcenarme Binnenländer von Bedeutung.
Um Ethanol und andere Alkohole effizient aus Lignocellulose-Hydrolysaten herzustellen, müssen Hefen sowohl Glucose als auch Pentosen wie Xylose und Arabinose verwenden. Dies liegt daran, daß Biomasse sowohl reich an Lignocellulose und damit auch Glucose und Xylose ist. Dies ist allerdings auch der Hauptnachteil der Verwendung von Saccharomyces cerevisiae, da sie Xylose nicht fermentieren kann. Dementsprechend ist die Identifizierung von Hefestämmen, die sowohl Glucose als auch Xylose fermentieren können, von großer Bedeutung. Hocheffiziente Hefestämme können, z.B. in Co-Kulturen mit anderen Hefen, die zur Lignocellulosefermentation fähig sind, für die Ethanolherstellung verwendet werden. Eine solche Hefe ist z.B. Wickerhamomyces anomalous.
Um die Ethanolproduktion weiter zu verbessern, kann bioelektrische Fermentationstechnologie eingesetzt werden, die die traditionelle Fermentation unterstützt. Der mikrobielle Metabolismus kann so elektrochemisch gesteuert werden. Die Vorteile sind vielfältig. Die Fermentation wird durch das Anlegen eines elektrochemischen Potentials selektiv, wodurch sich die Effizienz der von Zuckerverwertung erhöht. Zudem wird so der Einsatz von Additiven zur Kontrolle das Redoxgleichgewichts sowie des pH-Wertes minimiert. Auch das Zellwachstum kann dadurch verbessert werden.
Solche bioelektrischen Zellen sind galvanische Zellen. Die in der bioelektrischen Zelle verwendeten Elektroden können als Elektronenakzeptoren oder -quelle wirken. Solche elektrochemischen Veränderungen wirken sich nicht nur auf den Stoffwechsel und die Zellregulation aus, sondern auch auf die Wechselwirkungen zwischen den eingesetzten Hefen aus. Jetzt hat eine Forschergruppe aus Nepal (einem ressourcenarmen Binnenland) neue Hefestämme von Saccharomyces cerevisiae und Wickerhamomyces anomalous in einem bioelektrischen Fermenter verwendet, um die Ethanolproduktion aus Biomasse zu verbessern. Die Ergebnisse haben die Wissenschaftler im Fachmagazin Frontiers in Energy Researchpubliziert.
Für die Studie wurden Saccharomycescerevisiae und Wickerhamomyces anomalus ausgewählt, da beide gute Ethanolproduzenten sind und von letzterer gezeigt wurde, daß sie Xylose in Ethanol umwandeln können. Nachdem die Forscher eine Spannung an das System angelegt hatten, verdoppelte sich die Ethanolproduktion durch die verwendeten Hefen. Beide Hefen bildeten einen Biofilm auf den Elektroden, was das System ideal für den Einsatz als Durchflußsystem macht, da die Mikroorganismen nicht ausgewaschen werden.
Die Forscher spekulierten, daß die erhöhte Ethanolproduktion durch die stärker angetrieben Umwandlung von Pyruvat zu Ethanol zu Stande kam − dem zentralen Stoffwechselmechanismus der Hefe. Dies führten die Forscher auf einen Beschleunigung der Redoxreaktionen an der Anode und Kathode zurück. Die zugeführte externe Spannung polarisierte die im Cytosol vorhandenen Ionen und erleichtert so den Elektronentransfer von der Kathode. Dies und die beschleunigte Glucoseoxidation führten wahrscheinlich zu einer erhöhten Ethanolproduktion.
Normalerweise wird Pyruvat in Gärhefen zu Ethanol umgewandelt. Eine externe Spannungseingabe kann die Kinetik des Glukosestoffwechsels in Saccharomyces cerevisiae sowohl unter aeroben als auch unter anaeroben Bedingungen zu steuern. Dabei spielen intrazelluläre wie das Transplasmamembran-Elektronentransfersystem eine wichtige Rolle für den Elektronentransport durch die Zellmembran. Das Elektronentransfersystem besteht aus Cytochromen und verschiedenen Redoxenzymen, die der Membran an bestimmten Stellen Redoxaktivität verleiht.
Die Autoren haben zudem festgestellt, daß eine erhöhte Salzkonzentration die Leitfähigkeit und damit die Ethanolproduktion fördert. Die erhöhte Ethanolproduktion aus lignocellulosehaltiger Biomasse könnte auch auf das Vorhandensein verschiedener Naturstoffe zurückzuführen sein, die das Wachstum von Hefestämmen fördern könnten. Wenn die Celluloseacetatmembran durch eine Nafion™-Membran ersetzt wurde, erhöhte dies die Ethanolproduktion ebenfalls. Das könnte auf einen verbesserten Transport von Xylose durch die Nafion™-Membran sowie auf die Abnahme des Innenwiderstands zurückzuführen sein. Eine weitere Steigerung der Ethanolproduktion wurde beobachtet, wenn der bioelektrische Reaktor mit feinen Platinpartikeln betrieben wurde, die auf die Platinanode aufgetragen waren, und Neutralrot auf der Graphitkathode abgeschieden wurde.
Bei Frontis Energy denken wir, daß die vorliegende Studie vielversprechend ist. Für die Zukunft sollten aber langkettige Fuselalkohole in Betracht gezogen werden, da diese weniger flüchtig und besser mit derzeitigen Verbrennungsmotoren verträglich sind. Diese können zudem leicht in die entsprechenden langkettigen Kohlenwasserstoffe umgewandelt werden.
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