Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle wandelt chemische Energie direkt in elektrische Energie um. Wasserstoff wird an der Anode oxidiert, Sauerstoff an der Kathode reduziert. Das einzige Abfallprodukt ist reines Wasser. Anders als eine Batterie wird die Brennstoffzelle nicht aufgeladen, sondern kontinuierlich mit Brennstoff versorgt.

Das Prinzip ist seit 1839 bekannt (Christian Friedrich Schönbein), fand aber erst in den 1960er Jahren praktische Anwendung: Die Apollo- und Gemini-Raumkapseln nutzten Brennstoffzellen für Strom und Trinkwasser. Heute werden sie in Bussen, LKWs, Gabelstaplern und stationären Stromversorgungen eingesetzt. Toyota und Hyundai verkaufen Brennstoffzellen-PKWs, allerdings mit begrenztem Erfolg: Die Infrastruktur aus Wasserstoff-Tankstellen wächst deutlich langsamer als das Ladenetz für Elektroautos.

Für die Raumfahrt bleiben Brennstoffzellen attraktiv: Sie liefern Strom, Wärme und Trinkwasser in einem System. Für Science-Fiction-Szenarien mit Mondbasen oder Mars-Kolonien sind Brennstoffzellen eine plausible Zwischenlösung, bis Fusionsreaktoren verfügbar werden.

Gerade die Brennstoffzelle besticht durch ihre Eleganz: Sie verwandelt Wasserstoff und Sauerstoff direkt in Strom, Wärme und Trinkwasser, ohne Verbrennung und ohne schädliche Abgase. Genau diese Dreifachnutzung machte sie schon für die Apollo-Missionen unverzichtbar und macht sie bis heute für die Raumfahrt attraktiv. Auf der Erde ringt sie dagegen mit der Konkurrenz des Akkus und einer fehlenden Tankstelleninfrastruktur. In den Science-Fiction-Visionen von Mond- und Marsbasen ist sie eine naheliegende Zwischenlösung für die Energieversorgung, bis eines Tages die Fusion verfügbar wird.

Auf dem Mars kommt der Brennstoffzelle eine besondere Rolle zu. Die dünne CO2-Atmosphäre bietet kaum Potential für Windkraft, und die Sonnenstrahlung am Mars ist nur halb so stark wie auf der Erde. Mit der Sabatier-Reaktion lässt sich aus CO2 und Wasser Methan und Sauerstoff gewinnen. Brennstoffzellen können diesen Sauerstoff mit dem Methan nutzen, um Strom zu erzeugen. Das MOXIE-Experiment an Bord des Mars-Rovers Perseverance hat 2021 gezeigt, dass Sauerstoff aus Marsluft direkt produziert werden kann. Die Brennstoffzelle ist deshalb in vielen ernsthaften Mars-Architekturstudien als Teil des Energiesystems vorgesehen.

Die tiefe Ironie der Brennstoffzellen-Geschichte auf der Erde ist die Infrastruktur. Der Wasserstoff muss irgendwo herkommen, und solange er größtenteils aus Erdgas gewonnen wird, ist der Umweltvorteil begrenzt. Grüner Wasserstoff aus erneuerbaren Energien würde das Problem lösen, ist aber teurer. Die Technologie ist bereit, die Wirtschaft noch nicht. Im Gegensatz zu Lithium-Akkus, die durch Konsumerelektronik Massenproduktion erreicht haben, wartet die Brennstoffzelle noch auf ihren Skalierungsmoment.