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Treibstoffgewinnung auf dem Mars

Bis es eine Kolonie auf dem Mars gibt wird es sicher noch Jahrzehnte dauern, wenn überhaupt. 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 braucht man viel Energie. Diese Tabelle zeigt die Problematik:

Temperatur (K)

H₂O (Prozent)

OH (Prozent)

H₂ (Prozent)

O₂ (Prozent)

H (Prozent)

O (Prozent)

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 Sonnenoberfläche, weit über dem Siedepunkt aller Elemente und Verbindungen, liegt noch 30 Prozent des Wassers vor und von den gewünschten Spaltprodukten Wasserstoff und Sauerstoff liegen nur 40 Prozent 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 CO

kaum Zerfall

1000 °C

beginnende CO-Bildung

Reaktion läuft langsam

1500 °C

~10-20 Prozent CO

deutlicher Zerfall

2000 °C

~40-50 Prozent CO

Gleichgewicht stark nach rechts

> 2500 °C

überwiegend CO + O

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

  1. Fischer-Tropsch-Synthese (FTS):

(2n+1)H2+nCO→CnH2n+2+nH2O

  1. Direkte Reaktion zu Methan (Methanisierung):

CO+3H2→CH4+H2O

Temperaturabhängigkeit

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 (Prozent)

CO (Prozent)

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 Prozent, 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 produzierten zwischen 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-Prozess 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 dafür 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 bei der Elekrolyse

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. Möglich wäre unter Marsbedingungen eine Umkehrosmose. Dabei wird das Rohwasser unter Druck durch eine semipermeable Membran gepumpt. Diese Membran lässt die kleinen Wassermoleküle durch, nicht aber die größeren Anionen und Kationen. Diese Methode wird zum Gewinnen von Trinkwasser aus salzhaltigem Wasser genutzt. Sie ist durch den Druck, der aufgebaut wird energieintensiv. Beim Mars rechnet man je nach Qualität des Rohwassers mit einem Druck von 5 bis 30 Bar, der untere Wert entspricht dem der Umkehrosmose von gering belastetem Brackwasser und der obere dem Druck, der bei der Meerwasserentsalzung benötigt wird.

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 Prozent 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.

Ebenso braucht man eine Rückverflüssigungsanlage, da die Siedepunkte von Sauerstoff und Methan immer noch 100 Grad Celsius unter der tiefsten Temperatur beim Mars liegen. Diese könnte den Wasserstoff flüssig halten, bis er vollständig umgesetzt ist. Sie müsste aber wegen des niedrigeren Siedepunktes des Wasserstoffs (70 Grad Celsius unter dem von Sauerstoff, 90 Grad unter dem von Methan) aber deutlich leistungsfähiger sein. Beim Raumschiff zum Mars sind die Treibstoffreserven kleiner, da man einen zusätzlichen Tank für den Wasserstoff einziehen muss. Wegen der niedrigen Dichte (0,068 g/cm³) von flüssigem Wasserstoff kann man ihn nicht in der Nutzlastsektion mitführen. Für ein Starship für das nach SpaceX Angaben 400 t Sauerstoff benötigt, würden 27,8 t Wasserstoff benötigt die ein Volumen von 409 m³ einnehmen würden. Dieses Volumen kann man nicht von den Haupttreibstofftanks abzweigen, da man so auf 172 t Methan oder 359 t Sauerstoff verzichten müsste. Dann wird es aber knapp, da man noch Treibstoff benötigt, um die Erdumlaufbahn zu verlassen.

SpaceX plant vollautomatische ISRU-Fabriken (ISRU: (In-situ Ressourcennutzung) 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 (Mischungsverhältnis der SpaceX-Raptoren), sondern eines von 4. Man muss aber nicht den ganzen Sauerstoff nutzen.

Mit dem produzierten Sauerstoff kann man die Rückflugmasse berechnen. Für ein Δv 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 Prozent 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.

Artikel erstellt am: 6.10.2025

Bücher vom Autor

Es gibt von mir vier Bücher zum Thema bemannte Raumfahrt. Alle Bücher beschäftigen vor allem mit der Technik, die Missionen kommen nicht zu kurz, stehen aber nicht wie bei anderen Büchern über bemannte Raumfahrt im Vordergrund.

Das erste bemannte Raumfahrtprogramm der USA, das Mercuryprogramm begann schon vor Gründung der NASA und jährt sich 2018 zum 60-sten Mal. Das war für mich der Anlass, ein umfangreiches (368 Seiten) langes Buch zu schreiben, das alle Aspekte dieses Programms abdeckt. Der Bogen ist daher breit gestreut. Es beginnt mit der Geschichte der bemannten Raumfahrt in den USA nach dem Zweiten Weltkrieg. Es kommt dann eine ausführliche technische Beschreibung des Raumschiffs (vor 1962: Kapsel). Dem schließt sich ein analoges Kapitel über die Technik der eingesetzten Träger Redstone, Little Joe und Atlas an. Ein Blick auf Wostok und ein Vergleich Mercury bildet das dritte Kapitel. Der menschliche Faktor - die Astronautenauswahl, das Training aber auch das Schicksal nach den Mercurymissionen bildet das fünfte Kapitel. Das sechs befasst sich mit der Infrastruktur wie Mercurykontrollzentrum, Tracking-Netzwerk und Trainern. Das umfangreichste Kapitel, das fast ein Drittel des Buchs ausmacht sind natürlich die Missionsbeschreibungen. Abgeschlossen wird das Buch durch eine Nachbetrachtung und einen Vergleich mit dem laufenden CCDev Programm. Dazu kommt wie in jedem meiner Bücher ein Abkürzungsverzeichnis, Literaturverzeichnis und empfehlenswerte Literatur. Mit 368 Seiten, rund 50 Tabellen und 120 Abbildungen ist es das bisher umfangreichste Buch von mir über bemannte Raumfahrt.

Mein erstes Buch, Das Gemini Programm: Technik und Geschichte gibt es mittlerweile in der dritten, erweiterten Auflage. "erweitert" bezieht sich auf die erste Auflage die nur 68 Seiten stark war. Trotzdem ist mit 144 Seiten die dritte Auflage immer noch kompakt. Sie enthält trotzdem das wichtigste über das Programm, eine Kurzbeschreibung aller Missionen und einen Ausblick auf die Pläne mit Gemini Raumschiffen den Mond zu umrunden und für eine militärische Nutzung im Rahmen des "Blue Gemini" und MOL Programms. Es ist für alle zu empfehlen die sich kurz und kompakt über dieses heute weitgehend verdrängte Programm informieren wollen.

Mein zweites Buch, Das ATV und die Versorgung der ISS: Die Versorgungssysteme der Raumstation , das ebenfalls in einer aktualisierten und erweiterten Auflage erschienen ist, beschäftigt sich mit einem sehr speziellen Thema: Der Versorgung des Raumstation, besonders mit dem europäischen Beitrag dem ATV. Dieser Transporter ist nicht nur das größte jemals in Europa gebaute Raumschiff (und der leistungsfähigste Versorger der ISS), es ist auch ein technisch anspruchsvolles und das vielseitigste Transportfahrzeug. Darüber hinaus werden die anderen Versorgungsschiffe (Space Shuttle/MPLM, Sojus, Progress, HTV, Cygnus und Dragon besprochen. Die erfolgreiche Mission des ersten ATV Jules Verne wird nochmals lebendig und ein Ausblick auf die folgenden wird gegeben. Den Abschluss bildet ein Kapitel über Ausbaupläne und Möglichkeiten des Raumfrachters bis hin zu einem eigenständigen Zugang zum Weltraum. Die dritte und finale Auflage enthält nun die Details aller Flüge der fünf gestarteten ATV.

Das Buch Die ISS: Geschichte und Technik der Internationalen Raumstation ist eine kompakte Einführung in die ISS. Es wird sowohl die Geschichte der Raumstation wie auch die einzelnen Module besprochen. Wie der Titel verrät liegt das Hauptaugenmerk auf der Technik. Die Funktion jedes Moduls wird erläutert. Zahlreiche Tabellen nehmen die technischen Daten auf. Besonderes Augenmerk liegt auf den Problemen bei den Aufbau der ISS. Den ausufernden Kosten, den Folgen der Columbia Katastrophe und der Einstellungsbeschluss unter der Präsidentschaft von George W. Bush. Angerissen werden die vorhandenen und geplanten Transportsysteme und die Forschung an Bord der Station.

Durch die Beschränkung auf den Technischen und geschichtlichen Aspekt ist ein Buch entstanden, das kompakt und trotzdem kompetent über die ISS informiert und einen preiswerten Einstieg in die Materie. Zusammen mit dem Buch über das ATV gewinnt der Leser einen guten Überblick über die heutige Situation der ISS vor allem im Hinblick auf die noch offene Versorgungsproblematik.

Die zweite Auflage ist rund 80 Seiten dicker als die erste und enthält eine kurze Geschichte der Raumstationen, die wesentlichen Ereignisse von 2010 bis 2015, eine eingehendere Diskussion über die Forschung und Sinn und Zweck der Raumstation sowie ein ausführliches Kapitel über die Versorgungsraumschiffe zusätzlich.

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Dieser Text stammt von Bernd Leitenberger
© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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