Wasser-Elektrolyse-Antrieb
Der Antrieb im Weltraum erfolgt in der Regel durch hydrazinbasierte Treibstoffe, die in Triebwerken mit einer Schubkraft von 1N bis 1000N eingesetzt werden. Diese Antriebssubsysteme werden für die Lageregelung der Satelliten sowie für Orbitalmanöver verwendet. Der Treibstoff Hydrazin ist hochgiftig und bekanntermaßen krebserregend und birgt ein hohes Detonationsrisiko. Seine Derivate wie MMH weisen einige dieser unerwünschten Eigenschaften auf, ebenso wie Stickstofftetroxid (N2O4 oder NTO), ein häufig verwendetes Oxidationsmittel. Obwohl diese Treibstoffe hauptsächlich für Satelliten verwendet werden, kommen sie in einigen Trägersystemen wie den Trägerraketen Langer Marsch und Proton noch zum Einsatz. Die Verwendung dieser Treibstoffe hat Auswirkungen auf die Umwelt (am deutlichsten bei Abstürzen wie denen der Langer-Marsch-Hauptstufen oder des Ariane-5G-Flugs V88), aber auch auf den Betrieb, der kostspielige Gesundheitssysteme erfordert, um die Sicherheit der Menschen bei Verfahren wie der Treibstoffbeladung und -integration zu gewährleisten. Die Entwicklung alternativer Treibstoffe wird bereits seit Jahrzehnten auf Forschungsebene betrieben. Das Ziel bestand darin, Treibstoffe zu finden, die lagerfähig, aber sauber sind und eine mindestens ebenso gute Leistung wie Hydrazin aufweisen. Bei den jüngsten Entwicklungen wurden wässrige Mehrkomponentenlösungen von Ammoniumdinitramid (ADN) oder Hydroxylammoniumnitrat (HAN), konzentriertes Wasserstoffperoxid, Mischungen aus Kohlenwasserstofftreibstoffen und Distickstoffoxid oder energetische ionische Flüssigkeiten (EIL) untersucht. Keiner dieser Treibstoffe ist jedoch völlig umweltfreundlich, und ihre Leistung ist ähnlich wie die von Hydrazin.
Der Wasserelektrolyse-Antrieb hingegen nutzt nicht nur das sauberste aller Fluide, sondern hat auch das Potenzial, das auf Hydrazin basierende System deutlich zu übertreffen. Der Wasserelektrolyse-Antrieb nutzt einen Elektrolyseur, der mit der von den Sonnenkollektoren an Bord gelieferten Energie betrieben wird, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff für die Verbrennung in einem Triebwerk aufzuspalten. Die Technologie der Wasserelektrolyse gibt es zwar schon seit dem 19. Jahrhundert, aber erst in jüngster Zeit ist sie für Raumfahrtantriebe interessant geworden. Die Vorteile liegen klar auf der Hand: Wasser ist umweltfreundlich und extrem lagerfähig, und die Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung bietet Leistungen, die mit den derzeit für Satellitenantriebe verwendeten Treibstoffen nicht erreicht werden können. Die NASA und die ESA sowie die mit ihnen zusammenarbeitenden Organisationen [de Groot (1997), Herbertz (2022)] haben sich alle mit WEP als potenzieller Lösung für den Antrieb im Weltraum befasst, aber bisher wurde noch keine Demonstration durchgeführt. Mehrere Herausforderungen bleiben offen, vor allem im Zusammenhang mit dem Elektrolyseur, seiner Effizienz und seiner Widerstandsfähigkeit gegenüber Verunreinigungen und im Zusammenhang mit dem Triebwerk und der Verringerung der Wärmeverluste zur Maximierung der Effizienz sowie seiner Widerstandsfähigkeit gegenüber Feuchtigkeit im produzierten Sauerstoff und Wasserstoff und der Reinheit der Gase.