Der Sabbatierprozess<\/h3>\n
Daher wird heute vorgeschlagen, den Wasserstoff sofort weiter umzusetzen. Wasserstoff ist ein stärkeres Reduktionsmittel als der Kohlenstoff. Er kann daher den Sauerstoff aus Kohlenstoffverbindungen freisetzen:<\/p>\n
CO2<\/sub> + 4 H2<\/sub> \u2192 2 H2<\/sub>O + CH4<\/sub><\/p>\n Dieser Prozess ist schon lange bekannt. Sabbatier<\/a> hatte ihn 1872 entwickelt und dafür den Nobelpreis gewonnen. Man benutzt dazu Katalysatoren. Dieser Prozess wird heute auf der ISS eingesetzt um das Kohlendioxid aus der Luft zu binden, wobei der Wasserstoff aus der Elektrolyse von Brauchwasser stammt. Das Methan wird seltsamerweise nicht genutzt, obwohl man mit dem bei der Elektrolyse freiwerdenden Sauerstoff es verbrennen könnte und so als Lageregelungsantrieb nutzen könnte. Der Prozess wird auch untersucht, um damit Wind- und Solarstrom zu speichern, indem man mit ihm Wasser spaltet und dann Methan erzeugt, dass man ins Leitungsnetz einspeisen oder relativ leicht als Flüssiggas lagern kann. Hier rechnet man mit Wirkungsgraden von 49-64%.<\/p>\n Gegenüber der Erde ist man sogar beim Mars in der glücklichen Lage, dass man das Kohlendioxid nicht anreichern muss. Die Atmosphäre besteht zu 95% aus dem Gas (Erde: 0,04 %) und das zweite Spurengas Stickstoff stört nicht, bzw. wenn etwas Ammoniak als Nebenprodukt entsteht, so ist das kein Beinbruch, auch den kann man mit Sauerstoff verbrennen. Kurzum: Das funktioniert. Diese Treibstofferzeugung auf dem Mars sollte auch auf einer US-Raumsonde getestet werden, leider ging diese bei der Landung verloren.<\/p>\n Es gibt nur einen kleinen Nachteil: Wenn Methan mit Sauerstoff verbrannt wird, man ein Verhältnis von 3,5 zu 1 (leichter Überschuss an Methan) bis maximal 4:1 stöchiometrisches Verhältnis) bezogen auf das Methan anstreben. Beim Sabbatierprozess braucht man 4 Mole Wasserstoff die aus 4 Wassermolekülen stammen für ein Mol Methan, aus dem dann mit dem Sauerstoff ein Mol Kohlendioxid entsteht. Die beiden Sauerstoffatome im Kohlendioxid stammen aus zwei Wassermolekülen. Das heißt, man erhält zu wenig Sauerstoff, nur die Hälfte der stöchiometrischen Menge. Als Lösung kann man in einem zweiten Reaktor mit Wasserstoffunterschuss Kohlendioxid nur zu Kohlenmonoxid reduzieren und dabei neben Methan Wasser gewinnen, das man abscheiden und erneut elektrolysieren kann. Doch meiner Ansicht nach ist das nicht lohnend, denn dann muss man aufwendig das Kohlenmonoxid aus dem Gemisch abtrennen.<\/p>\n Zubrin hatte vor Wasserstoff auf den Mars zu bringen und mit Methan umzusetzen, also nicht aus dem Wasser zu gewinnen. Das ist, wenn das Ganze automatisch ablaufen will und man nicht weis, ob am Landeplatz Wasser ist und in welcher Tiefe sicher der bessere Weg. Das Wasser, das bei der Reaktion entsteht, würde man durch Abkühlen abscheiden und elektrolysieren. Das Ganze lohnt sich deswegen, weil man aus 8 Tonnen Wasserstoff 16 t Methan und 32 t Sauerstoff gewinnt. Das Methan wird dann in großem Überschuss verbrannt. Vor allem aber kann die sechsfache Treibstoffmenge gewinnen werden und der Oxidator muss nicht mitgeführt werden. Wie Zubrin aber den Wasserstoff auf der Reise zum Mars und dort lagern will, hat er nicht erläutert.<\/p>\n Für alle Prozesse braucht man Strom, doch das ist nicht so kritisch. Einen niedrigen Gesamtwirkungsgrad von 40% angesetzt braucht man für die Erzeugung von 1 t Methan und 2 t LOX eine Energie von rund 40.000 kWh. Ein 7 t schweres Raumschiff braucht für ein \u0394<\/span>V von 5000 m\/s bei einem spezifischen Impuls von 3600 m\/s und einem Voll-\/Leermasseverhältnis eine Raketenstufe von etwa 35,5 t voll und 3,5 t Leermasse, also 32 t Treibstoff. Das sind Ingesamt 434.000 kWh. Klingt auf den ersten Blick nach viel, doch man hat bei einer bemannten Marslandung 500 bis 550 Tage dafür Zeit, bis sich das Rückstartfenster wieder öffnet. Bei 400 Tagen (mit etwas Luft für Probleme und Anlaufschwierigkeiten) sind das 45,2 KW Dauerleistung. Das ist also ein überschaubarer Strombedarf, Ein Reaktor produziert weitaus mehr und eventuell ist er sogar noch solarelektrisch deckbar (bei 8 h Einstrahlung mit 500 W\/m\u00b2 pro Tag braucht man rund 1100 m\u00b2 Fläche. Im Allgäu habe ich schon größere Solarfarmen gesehen)<\/p>\n Das Problem ist wahrscheinlich aber ein anderes, denn 32 t Treibstoff flüssig zu halten braucht eine viel höhere Leistung als diese 0,14 kW. Das ist auch der Hauptgrund gegen die Idee den Wasserstoff von der Erde auf den Mars zu bringen, denn die Kühlleistung, die man für Wasserstoff braucht, ist wegen seiner geringen Dichte, tieferen Temperaturen und des geringen Bereichs, in dem er flüssig ist, noch viel größer. Da man aus 1 t Wasserstoff 6 t Treibstoff gewinnen kann und der Sauerstoff im Unterschuss vorliegt, wäre es sogar überlegenswert, ob man Wasser zum Mars bringt. Das ist problemlos zu lagern, und wenn man es spaltet, bekommt man aus 18 t Wasser 12 t Treibstoff und 16 t Sauerstoff, wobei dann das LOX\/LNG Verhältnis auf das stöchiometrische 4:1 bringt und man hat immer noch mehr Treibstoff, als wenn man lagerfähige Treibstoffe einsetzt und einen um 20% höheren spezifischen Impuls.<\/p>\n Vor allem wundert es mich wenn man schon Wasserstoff, von der Erde bringt, diesen also mindestens 250 Tage lang kühlen muss, bis er verwendet wird, man ihn dann zu Methan umsetzt. Stattdessen könnte man ihn auch weiter kühlen und aus der Atmosphäre Sauerstoff freisetzen, indem man das Kohlendioxid ind Kohlenmonoxid und Sauerstoff spaltet. Das braucht zwar mehr Energie, aber man kann dann LOX mit LH2 umsetzen mit einem deutlich höheren spezifischen Impuls und man erhält aus 1 t Wasserstoff 9 t Treibstoff und Oxidator, also ein viel besseres Verhältnis als das bei der Umsetzung zu Methan (1:6).<\/p>\n Das ist die entscheidende Frage. Die Effizienz der Treibstofferzeugung auf dem Mars hängt im wesentlichen von der Architektur der Mission ab. Es gibt hier zahlreiche Varianten. Auf der einen Seite sind, da Varianten die Ionentriebwerke einsetzen. Diese sind, selbst wenn man den höheren Geschwindigkeitsbedarf einkalkuliert deutlich effizienter als chemischer Treibstoff. Bei ihnen wird man nur so viel chemischen Treibstoff einsetzen, wie man unbedingt braucht und das ist während der ganzen Reise etwas für die Landung und dann noch einen Batzen für den Start in eine Marsumlaufbahn. Dann wird man eine kleine Kapsel (nehmen wir mal 8 t an, so viel soll eine Dragon wiegen<\/a>) in eine niedrige Marsumlaufbahn befördern, was ein \u0394<\/span>V von etwa 4 bis 4,2 km\/s bedeutet. Bei einem spezifischen Impuls von 3600 braucht man dann eine 26 t schwere Stufe, davon 23,4 t Treibstoff. Bei einer Gesamtmasse zum Mars von >200 t spart man nicht sehr viel ein, wenn man diesen vor Ort produziert.<\/p>\nZubrins Plan<\/h3>\n
Lohnt sich die\u00a0Treibstofferzeugung auf dem Mars<\/h3>\n