Im All sind Brennstoffzellen längst Standard

Ob in Autos, Laptops oder Motorrollern – von wenigen Ausnahmen abgesehen sind Brennstoffzellensysteme meist noch Jahre von der Serienreife entfernt. In einem sogar besonders sensiblen Bereich der Technik ist die Brennstoffzelle jedoch seit vielen Jahren Standard: In der Raumfahrt werden seit mehr als vierzig Jahren Brennstoffzellen eingesetzt, um Strom, Wärme und Wasser für die Bordsysteme herzustellen. Eine wesentliche Triebfeder für die Weiterentwicklung dieser Technologie war die Raumfahrt dennoch nie – zu speziell und eng umrissen sind die Anforderungen an die Systeme.

An Bord der amerikanischen Space Shuttles sind Brennstoffzellen keine exotische Technologie, sondern sie waren von den Anfängen im Jahr 1981 an fester Bestandteil des technischen Konzepts. In den – derzeit vorrübergehend stillgelegten – Raumfähren verrichtet ein Brennstoffzellentrio des Herstellers UTC Fuel Cells seinen Dienst und versorgt die komplette Raumfähre mit elektrischer Energie.

Zum Einsatz kommen dabei Alkalische Brennstoffzellen (AFCs) – ein Brennstoffzellentyp, der außer in der Raumfahrt und beim Militär kaum Verwendung findet. Der Grund: AFCs arbeiten statt mit Luft nur mit sehr reinem Sauerstoff. Die als Elektrolyt verwendete Kalilauge (KOH) würde mit dem in der Luft enthaltenen Kohlendioxid zu Kaliumkarbonat reagieren, was die Poren der Elektroden blockiert. So muss neben dem Wasserstofftank ein weiterer für den Sauerstoff mitgeführt werden. Das macht den breiten Einsatz von AFCs beispielsweise für Autos indiskutabel. In der Raumfahrt spielt dieser Faktor freilich keine Rolle, denn für die Flüge ins All muss ja ohnehin Sauerstoff an Bord genommen werden. Bei den Millionensummen, die eine Weltraummission kostet, fällt auch der Preis für den Sauerstoff nicht ins Gewicht.

Mehrere Charakteristika machen AFCs für die Raumfahrt interessant: Mit Betriebstemperaturen von nur rund 80 Grad sind sie technisch leicht zu beherrschen. Zudem liegt der elektrische Wirkungsgrad mit bis zu 70 Prozent höher als bei jedem anderen Brennstoffzellentyp. Das macht die Zelle im Verhältnis zu ihrer Leistung auch besonders leicht.

Die im Space Shuttle eingesetzten drei UTC-Zellen arbeiten voneinander unabhängig und liefern bei einer Spannung von 28 Volt eine elektrische Dauerleistung von 12 Kilowatt. Eine einzige Zelle reicht damit aus, um die Raumfähre im Notfall alleine mit Strom zu versorgen. Ein System wiegt rund 120 Kilogramm und misst etwa vierzig mal vierzig mal hundert Zentimeter. Wasserstoff und Sauerstoff werden im Space Shuttle in flüssiger Form in isolierten Kühltanks mitgeführt. Auch das bei der kalten Verbrennung entstehende Wasser wird genutzt und in die Trinkwassertanks der Raumfähre gepumpt. Die freiwerdende Wärme wird in einem Kühlkreislauf abgeführt und dient der Vorheizung der Reaktionsgase.

Die Brennstoffzellensysteme im Space Shuttle waren jedoch längst nicht die erste Anwendung dieser Technologie in der Raumfahrt: Bereits bei den amerikanischen Gemini-Missionen der 60er Jahre waren Brennstoffzellen an Bord. Die PEMs lieferten 1 Kilowatt und hatten verglichen mit heutigen Systemen gigantische Ausmaße. Doch in punkto Leistung und Gewicht waren sie Batterien immer noch überlegen, zumal auch damals schon das freiwerdende Wasser genutzt werden konnte.

Ausgereifter waren die Systeme bereits in dem darauf folgenden Raumfahrtprogramm Apollo. Erstmals wurden dort AFC-Brennstoffzellen eingesetzt. Die drei in Serie geschalteten Zellen in den Apollo-Raumfähren leisteten maximal 2.300 Watt. Im Verhältnis zum heutigen Stand der Technik waren die Systeme dennoch Giganten: Ihre Leistungsdichte betrug nur ein Zehntel der im Space Shuttle eingesetzten Zellen.

Trotz dieser Entwicklungsschritte: Eine wesentliche Triebfeder für die Brennstoffzellenentwicklung ist die Raumfahrt nie gewesen – nicht nur, weil die AFC-Systeme für den breit angelegten Gebrauch kaum geeignet sind, sondern auch, weil es sich bei den Zellen um Einzelanfertigungen handelte, die auf die ganz speziellen Bedürfnisse zugeschnitten waren. Die Herausforderungen der Brennstoffzellenentwicklung liegen heute in ganz anderen Bereichen: alltagstaugliche Systeme in großen Stückzahlen und damit möglichst billig zu produzieren.