Ein mineralischer Brennstoff für kohlenstofffreie Energie auf der Erde … und dem Mond

Mithilfe von Mikrogravitationsexperimenten untersuchten die Forscher die diskrete Verbrennung von Eisenpulver, was zu einer unbegrenzt recycelbaren kohlenstofffreien Energiespeicherung führte. Dies hat vielversprechende Anwendungen auf der Erde und für nachhaltige Außenposten auf dem Mond in der Zukunft.

Alles brennt. In der richtigen Umgebung können alle Materialien durch Zugabe von Sauerstoff brennen. Wenn man jedoch die richtige Mischung findet und ausreichend Wärme erzeugt, brennen einige Materialien leichter als andere. Forscher, die mehr über eine Art von Feuer namens „Split Burn“ erfahren wollten, nutzten für die Untersuchung die Mikrogravitationsexperiment-Einrichtungen der Europäischen Weltraumorganisation.

In einer Reihe von Parabelflügen und auf von Schweden aus gestarteten Höhenforschungsraketen untersuchte ein Team von Professor Jeffrey Bergthorson von der McGill University in Kanada und der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden das Verbrennen von Eisenpulver in der Schwerelosigkeit. Bei ihrer Forschung handelte es sich um reine Physik. Die Wissenschaftler wollten mehr über die diskrete Verbrennung erfahren, bei der Feuer nicht kontinuierlich Brennstoff durchbrennt, sondern von einer Brennstoffquelle zur anderen springt. Diese Art von Feuer kommt auf der Erde selten vor, aber ein Beispiel ist ein Waldbrand, bei dem ein Baum vollständig verbrennt und das Feuer auf den nächsten überspringt, wenn es heiß genug wird, um zu brennen.

Dieses hypnotische Video der abgetrennten Verbrennung wurde während eines Parabelflugexperiments an Bord der Falcon-20 des Canadian National Research Center aufgenommen, das Forschern bis zu achtzehn Sekunden kostbare Schwerelosigkeit bietet. Bildnachweis: Perwaves-Team

Durch die Verbrennung von Eisenstaub in Experimenten in Schwerelosigkeitsflugzeugen und Raketenflügen konnten die Eisenpartikel schweben und sich diskret entzünden. Hochgeschwindigkeitskameras erfassten die Szene und ermöglichten den Forschern ein besseres Verständnis des Phänomens. Das Ergebnis waren Computermodelle, die ideale Bedingungen für die Kraftstoffverbrennung auf der Erde zeigten.

Wussten Sie, dass Eisen brennen kann? Die hier dargestellte Verbrennung des Eisenpulvers erfolgt rauch- und kohlenstofffrei. Bildnachweis: TU/e/Solid/Bart van Overbeeke

Separate Verbrennung für nachhaltige Energie

Mit den neuen Erkenntnissen der Mikrogravitationsforschung ist es möglich geworden, effiziente und praktische Eisenöfen zu bauen.

Der Vorteil der Eisenverbrennung liegt in der Chemie. Grundsätzlich handelt es sich bei der Kraftstoffverbrennung um den Prozess der Umwandlung einer Substanz durch Zugabe von Sauerstoffatomen. Aus diesem Grund entsteht bei kohlenstoffbasierten Kraftstoffen das Treibhausgas Kohlendioxid, wenn kohlenstoffbasierten Kraftstoffen wie Holz, Kohle oder Öl zwei Atome Sauerstoff hinzugefügt werden. Bei Eisen bleibt nach der Verbrennung Eisenoxid zurück, besser bekannt als Rost. Es entsteht kein Kohlendioxid, und rostiges Eisen lässt sich leicht sammeln, da es kein Gas bildet – und bei der Verbrennung von Eisen entstehen überhaupt keine schädlichen Gase.

Eisenrost kann sogar behandelt werden, um Sauerstoff zu entfernen und ihn mithilfe von Wasserstoff als Eisen zurückzugeben. Durch die Nutzung von Strom aus nachhaltigen Quellen kann Eisen als Brennstoff zu einem zirkulären Energiespeicher werden und unendlich oft recycelt werden.

In Bodl bei Eindhoven (Niederlande) ist bereits eine Pilotanlage in Betrieb. Mit Eisen als Brennstoffquelle kann dieser Generator in einer in einem Lagerhaus untergebrachten Einheit 1 Megawatt Dampf erzeugen. Der Ausbau eines solchen Eisenkraftwerks könnte mehr Energie produzieren.

Viele Startups suchen bereits nach diesem kohlenstofffreien Kraftstoff, um Fabriken und Industrieprozesse anzutreiben.

Demonstrationsanlage für einen Eisenofen. Bildnachweis: Metallot

Vom Weltraum zur Erde und dann zum Mond

Während sich Raumfahrtbehörden auf den Bau nachhaltiger Außenposten auf dem Mond vorbereiten, ist die Stromversorgung der Astronauten auf dem Mond nur eine der Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt. Mineralische Kraftstoffe könnten eine Lösung sein. Mithilfe von Sonnenenergie lassen sich nicht nur Aluminium- und Siliziumpulver aus Mondmineralien herstellen, sondern auch Wasserstoff und Sauerstoff aus Mondeis nutzen. Der Wasserstoff könnte dann verwendet werden, um Mondstaub, der viel Eisen und Titan enthält, in Wasser und Eisenpulver umzuwandeln. Mineralpulver und Sauerstoff aus Wassereis können als Treibstoff für Raketen oder Bodentransporte verwendet werden, und das Wassernebenprodukt kann auch als Trinkwasser verwendet werden.

Künstlerische Darstellung des Monderkundungsszenarios. Bildnachweis: ESA-ATG

Dieser Prozess mag heute wie Science-Fiction klingen, aber die Nutzung von Eisen als Brennstoffquelle auf der Erde begann erst vor einem Jahrzehnt als Idee. Die Gemeinschaft mineralischer Brennstoffe umfasst mittlerweile Hunderte von Wissenschaftlern und Ingenieuren auf der ganzen Welt und ist eine Leuchtturmtechnologie für CO2-neutrale alternative Kraftstoffe. In nicht allzu ferner Zukunft könnten Sie Ihr Auto oder Ihr Zuhause mit Eisen füllen!

Mineralien können mithilfe sauberer Energie wie Solarzellen oder Windkraftanlagen hergestellt werden. Elektrizität wird als chemische Energie im Metallpulver gespeichert, mit einer Energiedichte, die mit der von fossilen Brennstoffen mithalten kann. Dies hat das Potenzial, die Treibhausgasemissionen weltweit zu reduzieren, aber das Hindernis für die Implementierung dieser Technologie ist die Entwicklung von Verbrennungssystemen, die mineralische Brennstoffe effizient verbrennen können, was ein solides Verständnis der Verbrennungsphysik erfordert. Bildnachweis: ESA – Europäische Weltraumorganisation