Festoxid-Elektrolyseurzellen (SOEC)
Könnte Glas der Schlüssel zum Leben auf dem Mars sein?
Ist das Leben auf anderen Planeten möglich? Um diese Frage zu beantworten, hat die US-Raumfahrtbehörde NASA im Juli 2020 ihren Rover Perseverance zum Mars geschickt. Im Februar 2021 landete Perseverance mit sieben einzigartigen Instrumenten an Bord auf dem Mars. Sie werden dazu beitragen, den Planeten besser zu erforschen als jemals zuvor. Eines der spannendsten Instrumente ist das MOXIE („Mars Oxygen ISRU Experiment“, wobei ISRU für „In-situ Resource Utilization“ steht). Bei dem Experiment wird zum ersten Mal versucht, durch Elektrolyse Sauerstoff aus dem Kohlendioxid der Marsatmosphäre zu gewinnen. Dazu nutzt MOXIE einen sogenannten „Solid Oxide Electrolysis“ (SOXE)-Stack, entwickelt von der US-Firma OXEon Energy. Auf seinem Weg durch den Weltraum ist der Stack extremen Bedingungen ausgesetzt: Er muss nicht nur den Schwingungen des Raketenstarts und dem Aufprall bei der Landung standhalten, sondern auch bei Temperaturen von -55°C bis über 800°C funktionieren. Um die hohe Effizienz des Stacks über die gesamte Einsatzdauer aufrechtzuerhalten, verwendet OXEon spezielle Glaskeramik-Dichtungen von SCHOTT.
So funktioniert MOXIE
MOXIE verwendet einen von OXEon Energy entwickelten solid oxide elxtrolysis (SOXE) stack zur Umwandlung von CO2 in O2. Seine Arbeitselemente bestehen aus gestapelten elektrolyt-gestützten Zellen, die auf der einen Seite mit einer Kathode und auf der anderen Seite mit einer Anode beschichtet sind. Die miteinander verbundenen Platten trennen die Gase und leiten sie durch den Stack. Diese Platten sind durch die hochtemperaturbeständige und leckdichte Glaskeramik von SCHOTT versiegelt.
Wenn CO2 unter einem angelegten elektrischen Potential über die Kathode fließt, kommt es zu einer Reaktion und diese wird elektrolysiert. Das CO wird ausgestoßen und das Sauerstoffion wird elektrochemisch durch die SOXE zur Anode geleitet, wo es oxidiert wird. Die O-Atome bilden zusammen O2.
Glasdichtungen verbinden Elektrolysestapel mit sicheren hermetischen Verbindungen
Bei der Herstellung des SOXE-Stacks wird das Glaspulver geschmolzen, um eine Verbindung zwischen dem keramischen Elektrolyten und der Metallverbindung der Zelle herzustellen. Das Einschmelzglas ist so formuliert, dass es genau dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Metalle und Keramiken entspricht, wodurch eine kompromisslose hermetische Abdichtung entsteht, die auch bei Temperaturschwankungen stabil bleibt. Darüber hinaus sind die Verbindungselemente der Zellen, die als Teil eines Stacks in Reihe geschaltet werden, durch das alkalifreie Glas auch bei hohen Temperaturen elektrisch isoliert.
„Die extremen Temperaturen und hohen Kräfte stellen eine besondere Herausforderung für das MOXIE dar“, erklärt Dr. Jens Suffner, Technical Sales Manager bei SCHOTT Electronic Packaging. „Viele Gläser werden bei Temperaturen ab 500°C weich und verformbar.“ Um dies zu verhindern, verwendet SCHOTT spezielle Einschmelzgläser mit definierten kristallinen Phasen. Dadurch bleibt die Glasdichtung gasdicht und mit ausreichender Festigkeit an Ort und Stelle, auch unter den rauen Bedingungen auf dem Mars.
Ein Erfolg von MOXIE könnte die Erkundung des Menschen auf dem Mars revolutionieren. Dann wäre es möglich, die für eine bemannte Raumfahrtmission benötigte Atemluft direkt vor Ort zu produzieren Der erzeugte Sauerstoff würde zudem als Oxidationsmittel für die Herstellung von Raketentreibstoff verwendet werden. Dies würde einen wesentlichen Teil dazu beitragen, die Herausforderungen eines Rückflugs zu lösen. Bisher ist der Weg zum roten Planeten eine Einbahnstraße
Warum SCHOTT Einschmelzglas auf dem Mars so gut funktioniert
