Energie für den Roten Planeten

23.07.2015

Energie für den Roten Planeten

TU-Studierende entwickeln ein Konzept zur Energiegewinnung auf dem Mars

Noch vor wenigen Jahren klang ein mögliches Marshabitat nach Science Fiction – nun soll es in nicht allzu ferner Zukunft Realität werden. Höchste Zeit zu prüfen, wie ein solches Habitat nachhaltig mit Energie versorgt werden könnte. Das haben drei TU-Studierende im Rahmen eines Projektseminars getan.

Der Mars-Rover Curiosity auf der Marsoberfläche. Bild: NASA/JPL-Caltech/MSSS
Momentan sind Mars-Rover wie Curiosity die einzigen Mars-Bevölkerer. Das könnte sich mit einem Mars-Habitat ändern. Bild: NASA/JPL-Caltech/MSSS

Könnte man ein Marshabitat allein durch erneuerbare Energie versorgen? Dieser Frage widmeten sich Asja Thielking, Joachim Bohn und Susanne Hanesch im Rahmen des Interdisziplinären Energieprojekts der Masterstudiengänge Energy Science and Engineering und Angewandte Geowissenschaften an der TU Darmstadt (mehr dazu in der Infobox). Ein ehrgeiziges Projekt. „Vor allem die Recherche war schwierig“, erinnert sich Asja, die wie die beiden anderen im Master Energy Science and Engineering studiert. „Wir konnten ja nicht hingehen und irgendwelche Tests durchführen. Und zuverlässige Informationen zu finden war nicht so einfach.“ Doch diese Hürde konnten die drei nicht zuletzt auch durch eine Korrespondenz mit der European Space Agency (ESA) überwinden. Es gab sogar ein Interview mit dem Ground Segment Manager and Flight Operations Director des dortigen Marsprojekts.

Nichts desto trotz blieb es eine sehr umfangreiche Aufgabe, ein Konzept für die gesamte Energieversorgung zu entwickeln. „Wir mussten nicht nur die Versorgung mit elektrischer Energie gewährleisten, sondern auch ein schlüssiges Konzept für die Wärmeenergie entwickeln. Auf dem Mars herrscht immerhin eine durchschnittliche Temperatur von minus 55°C“, sagt Joachim. Eine große Herausforderung waren auch die fehlenden Vorkenntnisse in Bezug auf den Mars.

Schon der Einstieg ist bei einem solchen Projekt anspruchsvoll, denn es stellt sich die Frage, wie man eigentlich anfangen soll. Welche Formen der Energiegewinnung sind auf dem Mars möglich? Wie viel Energie braucht man und wie kann man den Bedarf decken?

Sandstürme gefährden die Versorgungssicherheit

Studentin Asja Thielking präsentiert die Ergebnisse. Bild: Jannes Lüdtke
Asja Thielking bei der Präsentation der Team-Ergebnisse. Bild: Jannes Lüdtke

Als effektivste Energiequelle haben sich Photovoltaikanlagen herausgestellt. Im Frühjahr und Sommer kann dadurch sogar mehr Energie gewonnen werden, als im Habitat verbraucht wird. Allerdings sorgen Sandstürme, die sich über den gesamten Planeten ausbreiten und mehrere Monate dauern können, für Beeinträchtigungen in der Versorgungssicherheit. Auch in den Wintermonaten würde mit Photovoltaik zu wenig Energie produziert. Lösen ließe sich dieses Problem durch ein Speichersystem mit Brennstoffzellen, das die überschüssige Energie nutzt, um durch Elektrolyse Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten.

Um möglichst wenig Energie zu verschwenden, wird auch die Bewegungsenergie der Astronauten mittels eines Ergometers in elektrische Energie umgewandelt. Ein heißer Kandidat schien anfangs auch die Windenergie zu sein, denn die Windgeschwindigkeiten sind denen auf der Erde sehr ähnlich. Allerdings ist die Luftdichte so gering, dass man auf dem Mars in einem Orkan stehen könnte, ohne etwas davon zu merken. Dementsprechend gering fällt auch die Energieausbeute aus.

Selten kommen die Darrieusturbinen über eine Leistung von 500W. Auf der Erde stehen dem Spitzenleistungen von einigen Megawatt entgegen. „Es hat sich herausgestellt, dass Windenergie auf dem Mars wenig sinnvoll zu nutzen ist. Es lohnt sich eher, die Astronauten ein paar Stunden auf den Ergometern fahren zu lassen, anstatt eine Windturbine auf dem Mars aufzustellen“, erklärt Asja. Dennoch reichen Photovoltaikanlage, Brennstoffspeichersystem und Ergometer aus, um das Habitat das gesamte Jahr über mit ausreichend Strom zu versorgen.

Das Habitat muss gekühlt werden

Porträt von drei Studierenden. Bild: Jannes Lüdtke
Haben sich mit der Energieversorgung eines Mars-Habitats beschäftigt: Asja Thielking, Joachim Bohn und Susanne Hanesch (von links). Bild: Jannes Lüdtke

Bei der Wärmeenergie stellt sich allerdings ein ganz anderes Problem: Durch die sehr gute Dämmung des Habitats entstehen kaum Wärmeverluste und die Elektronik, das Life-Support-System sowie der auf dem Ergometer strampelnde Astronaut produzieren so viel Abwärme, dass trotz einer Außentemperatur von -55°C das Habitat gekühlt werden muss. Dies soll über oberflächennahe Geothermiesonden geschehen, welche die Wärme abführen.

Fazit: Ein Marshabitat als vollständig autarkes System allein über erneuerbare Energien zu versorgen, ist durchaus realistisch. Auch der Marsrover „Opportunity“ wird über Photovoltaik versorgt und ist nach elf Jahren auf unserem Nachbarplaneten immer noch in Betrieb. „Für zukünftige Marsmissionen spielt das eher eine untergeordnete Rolle. Laut ESA wird die Raumfahrt aller Wahrscheinlichkeit nach primär auf Radionuklidbatterien zurückgreifen“, räumt Susanne ein. „Damit ist die Versorgungssicherheit einfach höher.“

Gibt es Tipps für etwaige Nachfolger beim Interdisziplinären Energieprojekt? „Genau dieses Projekt wird es nicht noch einmal geben, aber grundsätzlich sollte man immer das machen, was einen am meisten interessiert“, empfiehlt Asja. „Und als Team arbeiten. Gemeinsam lösen sich Probleme viel leichter“, sagt Joachim. Die drei Studierenden haben jedenfalls einiges gelernt und sind laut eigener Aussage auch als Gruppe näher zusammengerückt.

Campusreporter Jannes Lüdtke / bjb

Das Interdisziplinäre Energieprojekt

Der interdisziplinär ausgerichtete Master-Studiengang „Energy Science and Engineering“ bietet eine Spezialisierung mit dem Schwerpunkt Energie an, der regenerative Energietechnologien genauso wie die effiziente Nutzung konventioneller Energieträger sowie gesellschaftswissenschaftliche Fragestellungen umfasst.

Das Interdisziplinäre Energieprojekt ist eine Gruppenarbeit im zweiten Studiensemester und hat einen Umfang von sechs Kreditpunkten. Es wird dieses Jahr zum dritten Mal in Zusammenarbeit mit dem Masterstudiengang Angewandte Geowissenschaften durchgeführt.

Die Studierenden bearbeiten in interdisziplinär zusammengesetzten Kleingruppen zu drei bis fünf Studierenden energiebezogene Aufgabenstellungen. Bei der Bearbeitung der praxisbezogenen Themen aus unterschiedlichen Bereichen der Energietechnik lernen sie Techniken zur selbstständigen fachbezogenen Projektarbeit und zur interdisziplinären Verknüpfung ihres Fachwissens, und bekommen dabei Einblick in praktische Fragen rund um die Energieversorgung.

Abgeschlossen wird das Modul mit einem Vortragstag, an dem alle Projektteams sich gegenseitig die Ergebnisse ihrer Arbeit vorstellen, sowie mit einem schriftlichen Projektbericht.

Tanja Drobek

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