Forscher stehen vor einem Dilemma: Wir müssen die Atemluft in Raumschiffen ausdünnen – doch das ist brandgefährlich. Jetzt loten Astronauten auf der ISS die Grenzen aus

Raumschiffe von morgen brauchen neue Technik – und dünne Außenwände. Der Weg dahin führt über aufwendige Experimente. (Bildquelle: Pixabay, Janson_G und Yuri_B)

Wer ein Feuer auf der Internationalen Raumstation (ISS) entzündet, dürfte sich mehr als nur einer Anklage gegenübersehen – es sei denn, er oder sie begeht die vermeintliche Ursünde im Auftrag der Wissenschaft. Deutsche Forscher aus Bremen sind Teil eines Teams, das Experimente im Orbit verantwortet, um eines der kritischsten Themen der Raumfahrt zu untersuchen: Wie weit können wir Grenzen ausreizen, ehe wir buchstäblich riskieren, in Flammen aufzugehen?

Die Ergebnisse sollen einer der bedeutendsten Ingenieursaufgaben der kommenden Jahrzehnte zugutekommen: dem Bau von Raumschiffen und -stationen für die Reisen und Erforschung von Erde, Mond und Mars durch Astronauten.

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Dünnere Raumschiffhülle = Win

Ein Forschungsteam des Zentrums für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) an der Universität Bremen arbeitet an etwas brandheißen. Gemeinsam mit Wissenschaftlern aus Japan, deren Raumfahrtbehörde JAXA und dem DLR untersuchen sie die Ausbreitung von Bränden in der Schwerelosigkeit – und was das für künftige Raumfahrtmissionen bedeutet.

Die Versuchsreihen dienen zentral einem pragmatischen Endziel: Hersteller würden gerne den Luftdruck im Inneren von künstlichen, bemannten Strukturen im All in Zukunft deutlich herabsetzen.
Warum? Zwei gute Gründe:

• Außeneinsätze (EVAs) lassen sich schneller vorbereiten.
• Raumfahrzeuge können mit geringerer Masse gebaut werden (weniger Druck nach außen muss widerstanden werden) – was Kosten und Treibstoff spart.

Aber was hat das jetzt mit Feuer zu tun?

Sobald wir den Luftdruck in einem Raum herabsenken, reduzieren wir die Dichte an Molekülen in der Luft pro Kubikmeter – inklusive Sauerstoff. Wir heben den Raum quasi einen Berg empor, zum Beispiel ins Himalaja-Gebirge. Damit Astronauten regulär atmen können, ohne Masken oder an Leistungsfähigkeit einzubüßen, geschweige denn ohne sich gesundheitlich zu gefährden, muss der Sauerstoffgehalt steigen, von derzeit etwa 21 auf 35 Prozent. Wir ersetzen also relativ betrachtet einen Teil des Stickstoffs durch ein Mehr an Sauerstoff.

Effizientere Sauerstoffproduktion im All dank Magnetismus

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Eine weitere Studie, an der Forscher aus Bremen beteiligt sind, beschäftigt sich mit der Zukunft der Erzeugung von Sauerstoff im All. Magnete vereinfachen vielleicht in Zukunft einen heute noch enorm wartungs- und energieintensiven Prozess, der zudem schwere Hardware erfordert.

An Bord der ISS wird derzeit zum Beispiel aus Wasser durch Elektrolyse Sauerstoff gewonnen. Letzterer wird vom Wasserstoff abgetrennt. Dies geschieht durch hohe elektrische Spannungen und normalerweise wäre das ein bekannter und leicht beherrschbarer Prozess – in Schwerkraft zumindest.

Denn in der Schwerelosigkeit steigen die Gasblasen nicht einfach von den Elektroden auf, sondern haften daran oder werden in Flüssigkeit quasi gefangen gehalten. Um alles voneinander zu trennen und den Sauerstoff zur Nutzung als Gas zu extrahieren, kommen stromfressende Zentrifugen zum Einsatz, um die Schwerkraft durch Fliehkraft zu ersetzen. Sie trennt Masseärmeres von Massereicherem und so kommen wir in der Schwerelosigkeit an den Sauerstoff aus dem Wasser.

Solche Verfahren sind aber aufgrund von Kosten, Gewicht, Komplexität und Energiebedarf kaum zu gebrauchen. Deshalb haben Forscher an Bord der ISS erfolgreich Magnete eingesetzt, um die Gasblasen von den Elektroden zu trennen und sie aus der Flüssigkeit zu ziehen.

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Mithilfe von handelsüblichen Dauermagneten entwickelten die Forschenden ein passives System, das die Blasen automatisch zu bestimmten Sammelpunkten leitet – ganz ohne bewegliche Teile oder zusätzlichen Energiebedarf. Experimente im Bremer Fallturm (siehe unten) bestätigten, dass magnetische Kräfte die Ablösung und Bewegung der Gasblasen deutlich verbessern und die Effizienz der Elektrolysezellen um bis zu 240 Prozent steigern können. Dabei greift das System doppelt an:

• Wasser reagiert ohne Manipulation auf Magnetfelder und so lassen sich in ihm schwebende Gasblasen lenken.
• Zudem kommt es zu einer Wechselwirkung von Magnetfeldern und den bei der Elektrolyse entstehenden elektrischen Strömen: Eine Drehbewegung setzt in der Flüssigkeit ein. Sie trennt Gas und Flüssigkeit voneinander – ähnlich wie mechanischen Zentrifugen auf der ISS. Nur übernehmen die durchweg effizienteren Magnetfelder die Rotation.

Ömer Akay war für die Durchführung der erdgebundene Erprobungen zuständig und erklärt:

Unsere Elektrolysezellen ermöglichen die Sauerstoff- und Wasserstoffproduktion aus Wasser in Schwerelosigkeit mit einer Effizienz, die der auf der Erde sehr nahekommt.

Als nächster Schritt soll das System auf Höhenforschungsraketen weiter getestet werden.

Das Problem dabei ist, dass wir eventuell ausbrechenden Feuern, zum Beispiel durch Kurzschlüsse, einen Gefallen tun, denn: Unter erhöhter Sauerstoffkonzentration können selbst Materialien, die unter irdischen Umständen als nicht brennbar gelten, Feuer fangen. Hinzu kommt, dass sich Brände deutlich schneller ausbreiten.

Diese Erkenntnisse haben die Forschenden bereits durch Schwerelosigkeitsexperimente im Fallturm Bremen gewonnen. Dabei handelt es sich um eine spezielle Anlage, in der für maximal 9,5 Sekunden Schwerelosigkeit hergestellt werden kann – und wo sich für zwei Sekunden einst der kälteste Ort des Universums befand.

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Die aktuell auf der ISS laufenden Versuche liefern nun weitere realitätsnahe Daten. Im Vergleich zum Fallturm stehen auf der ISS logischerweise deutlich längere Versuchszeiten zur Verfügung, sodass dickere Materialproben analysierbar werden.

Davon versprechen sich die Forscher, die Mechanismen der Flammenausbreitung besser zu verstehen und darauf aufbauend Methoden zu entwickeln, um Brände noch vor Ausbruch oder zumindest ihrem Übergreifen auf die Umgebung vereiteln zu können.