Das neueste Experiment der NASA könnte den Weg für tiefgreifende Erkundungen von Mond und Mars ebnen. Das im Fuel Cell Test Laboratory der NASA in Cleveland, Ohio, durchgeführte Projekt zielt darauf ab, eine neue regenerative Brennstoffzelle zu bauen, die die Art und Weise, wie die NASA ihre Mondmissionen durchführt, verändern könnte. Ähnlich wie eine wiederaufladbare Batterie, die Wasserstoff und Sauerstoff kombiniert und spaltet, um Strom zu erzeugen, hofft die NASA, dass die Brennstoffzelle kritische Probleme bei der Erforschung der anderen Seite des Mondes lösen wird, wo Solarenergie aufgrund der zweiwöchigen Rotation des Mondes wirkungslos ist. Solche Einschränkungen haben die Agentur dazu veranlasst, Kernreaktoren und andere neuartige Energiesysteme für mögliche Mondbasen zu erforschen.
Diese Experimente finden statt, während das Artemis-Programm der NASA der Wiederherstellung der menschlichen Präsenz auf der Mondoberfläche näher kommt. Anfang dieses Jahres machte die NASA einen großen Schritt bei ihrer Rückkehr zum Mond, als die Artemis-II-Mission vier Astronauten auf eine neuntägige Reise um den Mond schickte, die erste bemannte Mission ihres neuen Weltraumprojekts. Die nächste Artemis-Mission der Agentur, die für 2027 geplant ist, wird kommerzielle Lander in einer erdnahen Umlaufbahn testen, ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur geplanten Rückkehr der NASA zum Mond im Jahr 2028.
Die NASA hofft, dass ihre regenerativen Brennstoffzellen dazu beitragen werden, eine langfristige Präsenz auf der Mondoberfläche aufzubauen. An dem Projekt beteiligte Wissenschaftler lobten seine vielfältigen Einsatzmöglichkeiten bei der Monderkundung als „eine ideale Technologie für Lebensräume, die Erkundung mit Rovern und viele der unter Artemis vorgesehenen Systeme“, so Dr. Kerrigan Cain, Chefingenieur am Glenn Research Center der NASA. „Der Aufbau einer langfristigen, nachhaltigen menschlichen Präsenz auf dem Mond erfordert Energie- und Energiespeicherlösungen, die auf diese Bedürfnisse zugeschnitten sind. Regenerative Brennstoffzellen passen perfekt in dieses Puzzle.“
In den regenerativen Brennstoffzellen der NASA
Das regenerative Brennstoffzellensystem der NASA, das Cain liebevoll als „ein Monster“ beschreibt, hat etwa die Größe einer kleinen Limousine. Obwohl es 270 Sensoren und rund 1.000 Komponenten enthält, loben Wissenschaftler sein relativ geringes Gewicht im Vergleich zu Batteriesystemen ähnlicher Kapazität. Die Zelle kombiniert Wasserstoff und Sauerstoff, um Strom, Wärme und Wasser zu erzeugen. Zum „Aufladen“ spaltet die Zelle das Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff auf, sodass der Betankungsprozess fortgesetzt werden kann. Leider nimmt die Ladeeffizienz immer noch erheblich ab. Derzeit wird die Batterie einen Photovoltaikgenerator oder eine andere externe Stromquelle nutzen, um dieses Ladesystem mit Strom zu versorgen.
Das Testen der Maschine ist keine leichte Aufgabe. Die zylindrische Brennstoffzelle, die die NASA als „einen Stapel abgeflachter silberner und goldener Getränkedosen in Gruppen“ beschreibt, muss mit einem kleinen Kran angehoben werden. Sobald sie gesichert sind, führen Wissenschaftler Experimente aus der Ferne über einen Kontrollraum durch. Ab 2019 erreichten die Forscher mehrere wichtige Meilensteine auf dem Weg zum geplanten Fertigstellungstermin September 2027. Derzeit arbeitet das Team an der Speicherung der Gase, die von ihrem neuen Nachladesystem erzeugt werden. Letztendlich hofft Dr. Cains Team, Testverfahren außerhalb der üblichen Laborumgebungen auf reale Analogien der rauen Bedingungen der Mondoberfläche zu übertragen.
Zusätzlich zum Team des NASA Glenn Research Center hat sich die Agentur mit zwei innovativen Industriepartnern zusammengetan, die an der Spitze der regenerativen Brennstoffzellentechnologien stehen. Das erste Unternehmen, Giner, Inc., arbeitete mit der NASA zusammen, um Wasserelektrolyseure zu bauen. Infinity Fuel Cell und Hydrogen, Inc., der andere Partner aus dem Privatsektor, haben im Jahr 2024 ihren Prototyp einer regenerativen Brennstoffzelle mit einer Batterielebensdauer von mindestens 500 Stunden ausgeliefert.
Regenerierung des Mondschubs der NASA
Der Mond stellt NASA-Ingenieure, die langfristige Stützpunkte und Explorationsprojekte betreiben wollen, vor mehrere Herausforderungen. Insbesondere die vierzehntägigen Tag- und Nachtzyklen stellen die Monderkundung vor mehrere Probleme. Einerseits können extreme Temperaturen zwischen 292 Grad unter Null und 248 Grad Fahrenheit prekäre Bedingungen schaffen. Darüber hinaus ist Solarenergie aufgrund des Mangels an konstantem Sonnenlicht keine vernünftige Energieoption mehr. Aus diesem Grund sucht die NASA nach neuen Betankungssystemen, die es Rovern und ihren Lebensräumen ermöglichen, die harten Bedingungen auf dem Mond zu überstehen.
Die Entwicklung ausreichender regenerativer Brennstoffzellentechnologien könnte für die Verwirklichung der NASA-Pläne für erweiterte Mondmissionen von entscheidender Bedeutung sein. Herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien fehlt die Energiedichte, um längere Missionen durchzuführen, und sie erfordern eine teure Ladeinfrastruktur. Regenerative Brennstoffzellen können die bis zu 3,4-fache Speicherkapazität von Batterien gleicher Masse aufnehmen. Nukleare Optionen, die in Diskussionen über Mondbasis immer beliebter werden, unterliegen immer noch erheblichen situativen Einschränkungen. Derzeit kann keine vorhandene Technologie den Betrieb eine ganze Mondnacht lang aufrechterhalten. Die Agentur hofft jedoch, dass ihr Programm für regenerative Brennstoffzellen den Trend umkehren kann.
Wissenschaftler der NASA hoffen, dass ihr Energiespeichersystem für die bevorstehenden Artemis-Missionen der Agentur betriebsbereit sein wird. Da für Anfang 2028 eine Mondlandung geplant ist und für Ende 2028 und darüber hinaus nachhaltige Mondmissionen geplant sind, hofft die Agentur, bis 2030 ihre erste Mondbasis errichten zu können. Nach 79 Starts, bis zu fünf Oberflächenlebensräumen und 30 Milliarden US-Dollar später hofft die NASA, innerhalb eines Jahrzehnts die erste dauerhafte Mondkolonie zu errichten. Regenerative Brennstoffzellen werden wahrscheinlich eine entscheidende Rolle bei der Verwirklichung dieser grandiosen Ambitionen spielen.