Treibstoffgewinnung auf dem Mars

Bis es eine Kolonie auf dem Mars gibt wird es sicher noch Jahrzehnte dauern, wenn überhaupt. Ich bin jetzt 60 und glaube nicht, das ich dies noch erleben werde. Chancen gäbe es für eine Expedition, also einen Flug zum Mars, einen Aufenthalt dort, der aus himmelsmechanischen Gründen etwa eineinhalb Jahre dauert und dann eine Rückkehr zur Erde. Wahrscheinlich wird es viele dieser Expeditionen geben wobei jede weitere Ausrüstung, Materialien, Wohnhäuser, Treibhäuser etc. bringt bis eine Besatzung dann auf dem Mars dauerhaft bleiben kann. Eine Option ist es den für die Rückreise benötigten Treibstoff auf dem Mars zu gewinnen. Das Thema ist nicht neu und findet sich auch bei mir auf der Website, aber ich will mal die Herausforderungen skizzieren.

Lese ich Artikel anderer Autoren so ist das ganz einfach: Der Mars enthält Kohlendioxid in der Atmosphäre und es gibt Wasser unter dem Boden im Permafrost. Das setzt man ganz einfach nach folgender Formel um:

CO₂ + 2 H₂O → CH₄ + 2 O₂

Das ergibt Methan und Sauerstoff, die Treibstoffe die man für LOX/LNG Weitertriebe braucht, aber man könnte auch Wasserstoff herstellen für LOX/LH2 Triebwerke:

CO₂ + H₂O → H₂ + O₂ + CO

und wenn man mal Methan hat, kann man aus ihm relativ einfach höhere Kohlenwasserstoffe wie Butan herstellen – Butan habe ich herausgesucht, weil es als leichtester Kohlenwasserstoff bei den Temperaturen des Mars noch flüssig ist:

4 CH₄ → C₄H₁₀ + 3 H₂

Den Wasserstoff kann man dann wieder zur Reduktion das Kohlendioxids einsetzen, Ich glaube die Summenformeln kann jeder der noch etwas vom Chemieunterricht in der Schule behalten hat, aufstellen. Doch die Summenformeln verraten nichts darüber, ob etwas einfach so geht. Kohlendioxid und Wasser sind stabile Moleküle, die reagieren nicht so einfach miteinander. Wasser eigentlich gar nicht, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten baucht man viel Energie. Diese Tabelle zeigt die Problematik:

 

Temperatur (K)	H₂O (%)	OH (%)	H₂ (%)	O₂ (%)	H (%)	O (%)
2000	99	0,8	0,1	0,03	<0,01	<0,01
3000	90	5	2	1	0,1	0,1
4000	60	20	9	6	2	3
5000	30	30	18	14	3	5

Also selbst bei 5.000 K, eine Temperatur fast so hoch wie bei der Sondenoberfläche liegt noch 30 Prozent des Wassers als H₂O vor und von den gewünschten Spaltprodukten Wasserstoff und Sauerstoff liegen nur 40 % vor. Etwas besser ist es beim Kohlendioxid, weil es eine zweite stabile Verbindung gibt, das Kohlenmonoxid. Bei dem reagieren nur die P-Elektronen, die S-Schale bleibt unangetastet.

Temperatur (°C)	Gleichgewichtslage	Bemerkung
< 700 °C	fast nur CO₂	kaum Zerfall
1000 °C	beginnende CO-Bildung	Reaktion läuft langsam
1500 °C	~10–20 % CO	deutlicher Zerfall
2000 °C	~40–50 % CO	Gleichgewicht stark nach rechts
> 2500 °C	überwiegend CO + O₂	fast vollständige Dissoziation

hier braucht man nur 2.500 K, immer noch eine Temperatur bei der fast alle bekannten Verbindungen schmelzen. Daher gewinnt man Kohlenmonoxid in der Industrie anders: Im sogenannten Boudard-Gleichgewicht stehen elementarer Kohlenstoff, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid im Gleichgewicht:

CO₂ + C <→ 2 CO

Dieser Prozess wurde auch großtechnisch genutzt, um aus Kohle durch „Vergasung“ Kohlenmonoxid zu gewinnen. Kohlenmonoxid ist erheblich reaktiver als Kohlenmonoxid. Es kann mit Wasser oder Wasserstoff reagieren. Die Reaktion von Kohlenmonoxid (CO) mit Wasserstoff (H₂) ist zentral in der Synthese von Kraftstoffen und Chemikalien, insbesondere im sogenannten Wassergas-Shift (Water-Gas-Shift, WGS) und bei der Fischer-Tropsch-Synthese.

1. Wassergas-Shift-Reaktion (WGS):

CO+H₂O⇌CO₂+H₂

• Dies ist eine Gleichgewichtsreaktion, die zur Erhöhung des Wasserstoffanteils in Gasgemischen dient. Der Temperaturbereich liegt bei 200–450 °C. Die Reaktion ist endotherm: Wärmeaufnahme bei CO-Umwandlung zu CO₂ und H₂.

2. Fischer-Tropsch-Synthese (FTS):

(2n+1)H₂+nCO→C_nH_2n+2+nH₂O

• CO und H₂ reagieren zu Kohlenwasserstoffen (Alkane) und Wasser. Der Temperaturbereich liegt bei 150–350 °C. Die Reaktion ist exotherme, das begünstigt die Bildung langkettiger Kohlenwasserstoffe.

3. Direkte Reaktion zu Methan (Methanisierung):

CO+3H₂→CH₄+H₂O

• Der Sabatierprozess zählt zu den Verfahren der Methanisierung. Ein typischer Temperaturbereich sind 200–400 °C. Die Methanisierung wird für die für die Power-to-Gas-Technologie genutzt.

Temperaturabhängigkeit

• Niedrigere Temperaturen begünstigen die Bildung von CH₄ (Methan) und langkettigen Kohlenwasserstoffen.
• Höhere Temperaturen erhöhen die Geschwindigkeit der WGS-Reaktion und erhöhen die CO-Umwandlung zu CO₂ und H₂.
• Bei sehr hohen Temperaturen (>500 °C) können Nebenreaktionen wie CO-Disproportionierung oder Zersetzung auftreten.

Wir müssen also die beiden Verfahren trennen, da man für die Gewinnung des Wasserstoffs hohe Temperaturen braucht, für die Gewinnung von Kohlenwasserstoffen dagegen niedrige Temperaturen. Es geht nicht in einem Reaktor.

Zusammenfassung

Reaktion	Temperaturbereich (°C)	Hauptprodukte	Besonderheiten
Wassergas-Shift (WGS)	200–450	CO₂, H₂	Gleichgewichtsreaktion
Fischer-Tropsch-Synthese	150–350	Kohlenwasserstoffe, H₂O	Exotherm, Katalysatorabhängig
Methanisierung	200–400	CH₄, H₂O	Power-to-Gas-Technologie

Diese Reaktionen sind grundlegend in der chemischen Industrie und werden durch Katalysatoren (z.B. Eisen, Kobalt, Nickel) gesteuert. Sie alle benötigen aber Kohlenmonoxid, das man erst gewinnen muss. Das Verschieben des Bouduard-Gleichgewichts in Richtung CO benötigt weitaus höhere Temperaturen:

Temperatur (°C)	CO₂ (%)	CO (%)
400	99	1
450	98	2
500	95	5
600	77	23
700	42	58
800	10	90
900	3	97
1000	1	99

Man muss also die Temperatur des Gases auf über 800 °C steigern, damit man vor allem Kohlenmonoxid erhält. In der Praxis – die Prozesse wurden im dritten Reich und in Südafrika während des Embargos des Apartheidregimes großtechnisch eingesetzt – wird Kohle dafür teilweise verbrannt. Die Wärme erzeugt heißes Kohlendioxid und heizt auch die Kohle für die Umsetzung im Sabatierprozess auf, die nachfolgenden Prozesse laufen bei niedrigeren Temperaturen ab und tragen daher weniger zur Energiebilanz bei. Die Fischer-Tropsch-Synthese hat einen Wirkungsgrad von 45 %, bei den Power-To-Liquid Prozessen die man heute für die Synthese von synthetischen Kraftstoffen „e-Fuels“ nutzt, rechnet man mit 30 bis 50 Prozent Wirkungsgrad. Das gilt aber für großtechnische Anlagen. Man kann ja nicht nur das Gas erhitzen, sondern auch den Reaktorbehälter. Solche Anlagen können dann einen Teil des Bedarfs an Erdölprodukten eines Landes abdecken. Die zehn Anlagen im Dritten reich prouzierten zwichen 40.000 und 180.000 t pro Jahr. Für kleinere Anlagen auf dem Mars rechnet man mit erheblich schlechteren Wirkungsgraden von 13 bis 17 Prozent auch weil man den Wasserstoff dort durch Elektrolyse gewinnen muss.

Da man auf dem Mars keine Kohle findet, gibt es nur die Möglichkeit Kohlendioxid und Wasser als Edukte zu nutzen. Man kann direkt Kohlendioxid einsetzen wie dies bei der Herstellung von e-Fuels der Fall ist oder es erst zu Kohlenmonoxid reduzieren. Für e-Fuels plant man Wasser durch Elektrolyse zu spalten und dieses dann mit Kohlendioxid in solaren Turmkraftwerken umzusetzen. Spiegel bündeln die Hitze der Sonne auf eine Reaktorkammer in einem Turm, da der Sabatier-Prozesse bei 300 bis 400 Grad Celsius stattfindet. Das lohnt sich schon auf der Erde nur in Gegenden mit viel Sonnenschein. Solche Solarturm-Kraftwerke stehen in Spanien oder Nordafrika. Auf dem Mars liefert die Sonne maximal die halbe Einstrahlung und es gibt viel Staub, der die Spiegel bedecken würde. Da scheidet diese Technologie aus.

Die NASA hat daher von 2021 bis 2023 das Experiment MOXI auf dem Rover Perseverance eingesetzt, da direkt aus Kohlendioxid Sauerstoff und Kohlenmonoxid erzeugt, das Kohlenmonoxid reagiert mit Wasserstoff bei viel geringeren Temperaturen von typisch 250 bis 360 Grad Celsius. Dagegen braucht man daür die Spaltung des Kohlendioxids in Kohlenmonoxid und Sauerstoff Temperaturen von 500 bis 650 Grad Celsius. Das Experiment MOXI arbeitete bei 800 Grad Celsius, wog 17,1 kg hatte einen Strombedarf von 300 Watt und produzierte gerade mal 10 g Sauerstoff und 17 g Kohlenmonoxid pro Stunde – länger konnte es wegen des Strombedarfs nicht betrieben werden. Eine Anlage für eine echte Mission wäre etwa 100-mal größer nach NASA Angaben.

Während die Gasreaktionen relativ unproblematisch sind, muss man aber den Wasserstoff erst mal aus Wasser gewinnen. Wasser gibt es auf dem Mars. Aber sicher sein, das man vor Ort etwas findet, kann man eigentlich nur bei den permanenten Polkappen, die aus Eis bestehen. Die Pole sind aber wohl kaum das bevorzugte Landegebiet für eine Expedition. Die dürften eher am Äquator landen, wo es am meisten Sonnenschein gibt und damit die beste Chance für einen Anbau von Pflanzen und die solare Stromversorgung für die Treibstoffproduktion. Selbst wenn man durch eine Vorerkundung, z.B. eine unbemannte Mission Wasservorkommen gefunden hat, ist das Wasser gebunden im Permafrostboden. Eis und Boden sind miteinander verbunden. Erwärmt man den Boden, so kann man das Eis zwar schmelzen, aber man erhält Schlamm, den man erst mal mechanisch durch Filtrieren vom Wasser trennen muss und selbst dann dürften noch viele lösliche Mineralstoffe und Anionen im Wasser verbleiben.

Bei der Wasserelektrolyse um daraus den Wasserstoff zu gewinnen, können verschiedene Verunreinigungen den Prozess stören, die Effizienz verringern oder unerwünschte Nebenprodukte erzeugen.

Typische störende Verunreinigungen

• Chlorid-Ionen (Cl⁻): Besonders in salzhaltigem Wasser führen sie zur Chlorfreisetzung an der Anode statt Sauerstoff, was die Gasreinheit und die Ausbeute beeinträchtigt und zudem giftiges Cl₂-Gas freisetzt. Auf dem Mars wurden an vielen Stellen Chlorid-Ablagerungen (Salze) entdeckt. Sie bestehen überwiegend aus Natriumchlorid (NaCl), können aber auch Magnesiumchlorid (MgCl₂), Kaliumchlorid (KCl) und andere enthalten. Diese Chloridvorkommen wurden vor allem durch Orbiter (Mars Odyssey, Mars Reconnaissance Orbiter) und Rover (Spirit, Curiosity, Perseverance) identifiziert.
• Schwermetalle (z.B. Eisen, Kupfer): Können sich an den Elektroden abscheiden oder elektrochemisch umgesetzt werden und so den Wirkungsgrad reduzieren oder die Elektroden beschädigen. Der gesamte Mars ist durch Staub der Eisenoxide enthält, rot gefärbt.
• Carbonat- und Bicarbonationen (CO₃²⁻, HCO₃⁻): Verschieben das pH-Gleichgewicht, bilden mit Calcium/Magnesium schwerlösliche Verbindungen und können die Elektroden passivieren. Nur lokale Vorkommen an Carbonaten wurden bisher entdeckt.
• Sulfationen (SO₄²⁻): Bei hohen Konzentrationen können sie unerwünschte Nebenreaktionen hervorrufen, sind bei moderater Menge aber meist unkritisch. Mars Express und MRO stellten an vielen Stellen Sulfatgesteine fest.
• Phosphate: Können die Bildung von Wasserstoff und Sauerstoff hemmen, weil sie die Elektrodenoberfläche passivieren. Drei der letzten vier Rover fanden an ihren Landeplätzen Phosphate.
• Härtebildner (Ca²⁺, Mg²⁺): Bilden schwer lösliche Hydroxide oder Carbonate, die die Elektroden beschichten und deren Leitfähigkeit sowie Katalyseleistung mindern. Magnesium und Calcium finden sich ubiquitär auf dem Mars.
• Peroxide (z.B. Wasserstoffperoxid, H₂O₂): Können an den Elektroden zersetzt werden und dabei den Wirkungsgrad der Wasserzersetzung beeinträchtigen. Sie könnten zudem unerwünschte Oxidationsreaktionen verursachen und die Sauerstoffentwicklung beeinflussen. Sie wurden in der Mars-Atmosphäre detektiert; zeigen räumliche und saisonale Schwankungen.
• Perchlorate (ClO₄⁻): Sind sehr stabile Oxidationsmittel. In geringen Konzentrationen stören sie die Wasserelektrolyse kaum. In höheren Mengen können sie auf Dauer die Materialbeständigkeit der Elektroden beeinträchtigen und elektrochemische Nebenreaktionen hervorrufen. Perchlorate wurden direkt nachgewiesen (z. B. Phoenix, Curiosity, Perseverance); in hohen Konzentrationen ~0,5–1 % und offenbar weit verbreitet im Boden

Für eine saubere und effiziente Elektrolyse wird daher idealerweise demineralisiertes oder destilliertes Wasser verwendet, ggf. mit einer definierten kleinen Zugabe eines Elektrolyten wie KOH oder NaOH zur Erhöhung der Leitfähigkeit, aber ohne störende Fremdionen. Die Reinigung dürfte also sehr aufwendig sein. Daher würde ich eine andere Vorgehensweise vorschlagen. Vom Wasser brauchen wir eigentlich nur den Wasserstoff um aus Kohlendioxid Methan zu bilden. Den Sauerstoff können wir auch aus Kohlendioxid gewinnen. 25 % des Gewichts eines Methanmoleküls sind Wasserstoff. Das wird aber im Starship im Verhältnis 3,6 zu 1 mit Sauerstoff umgesetzt. Berücksichtigt man dies, so kann man aus 1 t Wasserstoff 18,4 t Treibstoff herstellen. Das ist ein so günstiges Verhältnis, das ich den Wasserstoff von der Erde mitbringen würde. Man spart ja auch etwas, nämlich die kompletten Anlagen, um Boden abzubauen, Tone von Wasser zu trennen, das Wasser zu reinigen und eine Elektrolyse durchzuführen auf die bei der Treibstoffherstellung der höchste Energieanteil entfällt. Die Anlagen für die Spaltung von CO2 in CO und O2 braucht man sowieso um Methan herzustellen, aber auch den Sauerstoff für die Menschen und Tiere. Sie können aber die Atmosphäre direkt nutzen.

SpaceX plant vollautomatische ISRU-Fabriken auf dem Mars, bevor Menschen ankommen. Wie das funktionieren soll, haben sie aber nicht gesagt. Auf der Erde kenne ich keine Anlage die obige Prozesse einfach so durchführen kann, ohne dass man sie mit den verschiedenen Leitungen und Teilfabriken zusammenbauen müsste und die auch noch in die Nutzlastverkleidung eines Starships passt. Geplant sind für eine solche Fabrik die Produktion von ca. 100–200 t Methan + 400 t Sauerstoff pro Rückflug und Nutzung von Solarstrom, Elektrolyse und Sabatier-Reaktoren in geschlossenen Systemen, wobei SpaceX schon mal offen lassen, wie sie an das gereinigte Wasser kommen.

Das wären also die Reaktionen:

CO₂ → CO + 1/2 O₂ (MOXI-Experiment)

3 H₂O → 3 H₂ + 1 ¹/₂ O₂ (Wasser-Elektrolyse)

CO+3H₂→CH₄+ H₂O (Sabatierprozess)

in der Summe:

2 H₂O + CO₂ → CH4₂ + 2 O₂

Man sieht, man erhält so nicht das benötigte stöchiometrische Verhältnis von 3,6 O₂ zu 1 CH4, sondern eines von 4. Man muss aber nicht den ganzen Sauerstoff nutzen.

Mit dem produzierten Sauerstoff kann man die Rückflugmasse berechnen. Für ein dV von 6.500 m/s wären es je nach Methanmenge 100 bis 108 t, das heißt ein leeres Starship, was wenig Sinn macht. Außerdem braucht man ziemlich viel Energie, 15 bis 20 MWh pro Tonne Treibstoff werden genannt. Wenn man im selben Startfenster zurück starten will, hat man rund 500 Tage Zeit um den Treibstoff herzustellen, doch die Fabriken müssen ja erst mal aufgebaut werden und anlaufen. Nimmt man 400 Tage, 24 Stunden betrieb am Tag so entspricht dies einer Dauerleistung von 1,1 MW. Dazu käme noch die Leistung, die man für die Kohleverflüssigung durch Verdampfung benötigt. Das bekommt man nicht mit Solarpaneelen hin, die zudem verstauben und so an Leistung verlieren. Paneele erreichen unverstaubt beim Mars 25 % Wirkungsgrad, man benötigt eine Fläche von rund 7.500 m² für diese Leistung und kommerzielle Paneele mit der Leistung wiegen rund 55 t, da ist die Aufständerung noch nicht mal dabei. Alles in meinen Augen noch Utopie. Bisher erproben sie ja noch das Starship, seit drei Jahren und das ist nur eine evolutionäre Weiterentwicklung der Technologie, die SpaceX seit 20 Jahren bei den Falcon Raketen einsetzt. Ich glaube nicht das ich diese Treibstoffproduktion noch erleben werde.