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May 12, 2023

Ein neues Eisenzeitalter: Metallbrennstoff für Kohlenstoff

Von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) 4. Juni 2023 Wissenschaftler haben Forschungen durchgeführt

Von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), 4. Juni 2023

Wissenschaftler haben Untersuchungen zum diskreten Brennen durchgeführt, einer Form des Feuers, das mithilfe von Eisenpulver in der Schwerelosigkeit von einer Brennstoffquelle zur anderen springt. Das nach der Verbrennung verbleibende Produkt ist Eisenoxid, eine Substanz, die kein Kohlendioxid produziert und endlos recycelt werden kann. Im Anschluss an diese Mikrogravitationsexperimente wurden effiziente Eisenöfen entwickelt, die zur Schaffung einer zirkulären, kohlenstofffreien Energiespeicherung führten. In den Niederlanden ist eine Demonstrationsanlage in Betrieb, und mehrere Start-ups erforschen diesen kohlenstofffreien Kraftstoff für Fabriken und Industrieprozesse. Mit Blick auf die Zukunft könnte dieser Metallbrennstoff auch für nachhaltige Mondaußenposten verwendet werden, wobei möglicherweise Mondmineralien und Eis zur Herstellung von Metallpulvern für den Antrieb und Wasser für den Verbrauch genutzt werden. Bildnachweis: Iron+

Forscher haben Mikrogravitationsexperimente genutzt, um die diskrete Verbrennung von Eisenpulver zu untersuchen, was zu einer kohlenstofffreien, endlos recycelbaren Energiespeicherung führt. Dies hat vielversprechende Anwendungen auf der Erde und für zukünftige nachhaltige Außenposten auf dem Mond.

Alles brennt. In der richtigen Umgebung können alle Stoffe durch die Zugabe von Sauerstoff verbrennen, aber wenn man die richtige Mischung findet und ausreichend Wärme erzeugt, verbrennen manche Materialien leichter als andere. Forscher, die daran interessiert waren, mehr über eine Art von Feuer namens diskretes Brennen zu erfahren, nutzten für ihre Untersuchungen die Mikrogravitationsexperimentanlagen der ESA.

In einer Reihe von Parabelflügen und auf von Schweden 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. Ihre Forschung war reine Physik, die Wissenschaftler wollten mehr über die diskrete Verbrennung wissen, bei der Flammen nicht kontinuierlich durch Kraftstoff brennen, sondern von einer Kraftstoffquelle zur anderen springen. Diese Form von Feuer kommt auf der Erde kaum natürlich vor, aber ein Beispiel ist ein Waldbrand, bei dem ein Baum vollständig verbrennt und das Feuer auf den nächsten Baum überspringt, wenn die Temperatur so weit ansteigt, dass es zu einer Verbrennung kommt.

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

Durch das Verbrennen von Eisenstaub in Experimenten in Schwerelosigkeitsflugzeugen und Raketenflügen konnten die Eisenpartikel schweben und sich diskret entzünden. Hochgeschwindigkeitskameras hielten das Spektakel fest und ermöglichten den Forschern ein besseres Verständnis des Phänomens. Das Ergebnis waren Computermodelle, die die idealen Bedingungen für die Verbrennung des Treibstoffs auf der Erde zeigten.

Wussten Sie, dass Eisen brennen kann? Die hier gezeigte Verbrennung von Eisenpulver erfolgt völlig rauch- und kohlenstofffrei. Bildnachweis: TU/e ​​/ Solid / Bart van Overbeeke

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

Der Vorteil der Eisenverbrennung liegt in der Chemie. Beim Verbrennen von Brennstoff handelt es sich im Wesentlichen um den Prozess der Umwandlung eines Materials durch Zugabe von Sauerstoffatomen. Aus diesem Grund entsteht bei kohlenstoffbasiertem Kraftstoff das Treibhausgas Kohlendioxid, wenn dem kohlenstoffbasierten Kraftstoff wie Holz, Kohle oder Öl zwei Sauerstoffatome hinzugefügt werden. Bei Eisen bleibt nach der Verbrennung Eisenoxid zurück, besser bekannt als Rost. Es entsteht kein Kohlendioxid und das verrostete Eisen kann leicht eingesammelt werden, da es kein Gas bildet – beim Verbrennen von Eisen entstehen überhaupt keine schädlichen Gase.

Eisenrost kann sogar verarbeitet werden, um den 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, endlos recycelbaren Energiespeicher werden.

In Budel, in der Nähe von Eindhoven, Niederlande, ist bereits eine Demonstrationsanlage in Betrieb. Mit Eisen als Brennstoffquelle kann dieser Generator in einer Einheit, die in einem Lagerhaus steht, 1 MW Dampf erzeugen. Im größeren Maßstab könnte ein solches Eisenkraftwerk viel mehr Energie produzieren.

Mehrere Start-ups nutzen diesen kohlenstofffreien Kraftstoff bereits für den Antrieb von Fabriken und industriellen Prozessen.

Demonstrationsanlage für Eisenöfen. Bildnachweis: Metalot

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

Künstlerische Darstellung eines Monderkundungsszenarios. Bildnachweis: ESA–ATG

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

Metals could be produced using clean energy, such as from solar cells or wind turbines. That electricity is stored as chemical energy in the metal powder at energy densities that are competitive with fossil fuels. This has the potential to reduce greenhouse gasses emission globally, but a barrier to implementing this technology is the development of combustion systems that can efficiently burn the metal fuels, which requires a solid understanding of their combustion physics. Credit: ESA – European Space AgencyThe European Space Agency (ESA) is an intergovernmental organization dedicated to the exploration and study of space. ESA was established in 1975 and has 22 member states, with its headquarters located in Paris, France. ESA is responsible for the development and coordination of Europe's space activities, including the design, construction, and launch of spacecraft and satellites for scientific research and Earth observation. Some of ESA's flagship missions have included the Rosetta mission to study a comet, the Gaia mission to create a 3D map of the Milky Way, and the ExoMars mission to search for evidence of past or present life on Mars." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Europäische Weltraumorganisation