Humans on Mars

Projektbeschreibung

Die Erforschung des Weltraums durch den Menschen wird stark durch die Verfügbarkeit von In-situ-Ressourcen beeinträchtigt. Diese Ressourcen sind für die Senkung der Transportkosten und die Errichtung ständiger menschlicher Außenposten, z.B. auf dem Mond oder dem Mars, unerlässlich. Unter diesen Ressourcen ist Sauerstoff eine kritische Voraussetzung, da er in großen Mengen produziert werden muss - vor allem für Weltraumtransportsysteme und Lebenserhaltungssysteme - und dabei möglichst wenig Energie verbraucht werden soll. Die alkalische Wasserelektrolyse ist eine vielversprechende Methode zur Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff, die entweder mit elektrischer Energie oder direkt mit Sonnenenergie betrieben wird. Während dieses Prozesses kommt es jedoch durch die Keimbildung, das Wachstum und die Ablösung von Blasen an der Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche zum "Blaseneffekt", der die Leistung beeinträchtigt. Blasen verringern die aktive Oberfläche für elektrokatalytische Reaktionen und verbessern gleichzeitig den Stofftransport, indem sie Gasmoleküle aus der übersättigten Lösung auffangen.

In diesem Projekt "Bubble Trouble", welches Teil der Initiative "Humans on Mars" ist, wollen wir Elektroden mit unterschiedlich komplexen Oberflächen - von flach bis nanostrukturiert - aus Nickel und Eisen untersuchen. Unser Ziel ist es, die Wechselwirkungen zwischen strukturellen und thermodynamischen Parametern (wie Geometrie und Oberflächenspannung) und Betriebsparametern (einschließlich Temperatur, Druck und Elektrodenpotential) während der Bildung, des Wachstums und der Ablösung von Blasen besser zu verstehen. Dies wird durch eine Verschmelzung von Materialwissenschaft und -technik, fortschrittlichen zeitaufgelösten elektroanalytischen Techniken und mehrphasiger, mehrskaliger fluiddynamischer Modellierung erreicht werden. Das endgültige Ziel ist die Optimierung des Prozesses unter Bedingungen niedriger Schwerkraft.

In der Anfangsphase des Projekts simulieren wir die Bildung und Ablösung von Blasen direkt in unseren Laboren. Mit Hilfe von Mikroelektroden - bloße Querschnitte eines Platindrahtes mit einem Durchmesser von 25um - erforschen wir diesen Prozess auf kontrollierte, beobachtbare Weise. Ein Beispiel für diesen Vorgang, bei dem eine Blase periodisch wächst und sich ablöst, zeigt ein Video. Während das Wachsen und Ablösen der Blase von einer Kamera verfolgt wird, erfassen wir zeitaufgelöste Impedanzspektren durch dynamische Multifrequenzanalyse. Diese Daten geben tiefe Einblicke in die elektrochemischen Eigenschaften des Systems und enthüllen wertvolle Informationen über die Geschwindigkeit der Oberflächenreaktion und den Ladungstransferwiderstand, den Widerstand der Lösung und die Auswirkungen von Diffusion und Konvektion auf die Wasserstoff- und Ionenkonzentration.