China weist künstliche Photosynthese im Orbit nach und erzeugt Sauerstoff und Raketentreibstoff

Ein einfacher Test im Orbit weist den Weg zu einer unabhängigen Raumfahrt

China hat für sich eine Premiere bei der Produktion von Ressourcen im Weltraum beansprucht. An Bord der Raumstation Tiangong nutzte die Besatzung von Shenzhou-19 eine kompakte Anlage für künstliche Photosynthese, um aus Kohlendioxid und Wasser zwei essenzielle Stoffe zu erzeugen: atembaren Sauerstoff und Ethylen, einen Kohlenwasserstoff, der als Ausgangsstoff für die Herstellung von Raketentreibstoff dienen kann. Die Demonstration wurde in einem schubladenförmigen Gerät mit zwölf kontrollierten Durchläufen abgeschlossen. Sie zeigt, dass sich die grundlegende Chemie, die Pflanzen auf der Erde betreiben, so umsetzen lässt, dass sie auch im Orbit funktioniert.

Das Besondere an dem Ergebnis ist nicht nur, was dabei entstand, sondern auch, unter welchen Bedingungen es gelang. Das System lief bei Raumtemperatur und Normaldruck, statt unter den extremen Bedingungen, die viele chemische Anlagen erfordern. In der Schwerelosigkeit gelang es den Astronauten außerdem, die Bewegung von Gasen und Flüssigkeiten präzise zu steuern. Das ist bekanntermaßen schwierig, wenn Blasen nicht aufsteigen und Flüssigkeiten sich nicht absetzen. Das Team erfasste die Produkte in Echtzeit und bestätigte sowohl die Sauerstofferzeugung als auch die Bildung von Kohlenwasserstoffen.

Die Technologie wird in China seit 2015 entwickelt. Dass sie nun im Weltraum funktioniert, ist ein Meilenstein für alle Pläne, Besatzungen ohne ständige Nachschublieferungen zu versorgen. Wenn Raumfahrzeuge Luft und Treibstoff dort herstellen können, wo sie unterwegs sind, werden Missionen leichter, sicherer und flexibler. Dieselbe Technik könnte auch auf Außenposten auf dem Mond oder dem Mars zum Einsatz kommen, wo Wasser und Kohlendioxid in gefrorener oder atmosphärischer Form vorhanden sind.

Offiziellen Angaben zufolge lässt sich das System durch den Austausch von Katalysatoren auf die Herstellung verschiedener Produkte einstellen, darunter Methan und Ameisensäure. Methan ist bereits ein bevorzugter Raketentreibstoff. Ameisensäure kann als Baustein für komplexere chemische Prozesse dienen, etwa für Schritte auf dem Weg zur Zuckersynthese in der Lebensmittelforschung. Die Flexibilität deutet auf eine Zukunft hin, in der ein einziges Gerät mehrere Aufgaben übernimmt – von der Lebenserhaltung bis zur Treibstoffversorgung.

So funktioniert das System

Künstliche Photosynthese folgt der Logik von Pflanzen, nutzt dafür aber technische Materialien statt Blättern. Vereinfacht gesagt besteht der Prozess aus zwei Teilen. Der eine spaltet Wasser in Sauerstoff, der als O2 in die Kabine geleitet wird. Der andere nimmt Kohlendioxid auf und fügt Elektronen und Wasserstoff hinzu, um Moleküle wie Ethylen, Methan oder Formiat aufzubauen. Die Energie stammt entweder aus Sonnenlicht, das ein Solarpanel umwandelt, oder aus Licht, das direkt einen Halbleiterkatalysator im Gerät aktiviert.

Die Chemie einfach erklärt

Im Tiangong-Gerät bietet ein Halbleiterkatalysator eine Oberfläche, auf der Kohlendioxid und Wasser miteinander reagieren. Sobald Energie zugeführt wird, hilft der Katalysator dabei, Atome neu anzuordnen. Wasser gibt Sauerstoff und Wasserstoff ab. Das Kohlendioxid liefert den Kohlenstoff. Je nach Katalysator verbinden sich die Kohlenstoffatome auf unterschiedliche Weise. Katalysatoren auf Kupferbasis fügen Kohlenstoffatome meist zu Ethylen zusammen. Andere Materialien begünstigen die Bildung von Methan oder Kohlenmonoxid. Die Ingenieure wählen den Katalysator passend zur gewünschten Produktmischung aus.

Das auf Tiangong eingesetzte Gerät scheint Reaktionswege zu nutzen, die bei Raumtemperatur ablaufen und weder Hochdrucktanks noch erhöhte Temperaturen erfordern. Das senkt den Strombedarf, was auf einem Raumfahrzeug, bei dem jedes Watt zählt, entscheidend ist. Zudem lässt sich das Gerät dadurch leichter in die Luftversorgung integrieren: Sauerstoff kann bei Kabinendruck strömen, während Kohlenwasserstoffe gespeichert oder zur Weiterverarbeitung geleitet werden können, ohne dass schwere Kompressoren nötig sind.

Was die Besatzung von Tiangong tatsächlich tat

Die Besatzung von Shenzhou-19, deren Mission Ende Oktober 2024 begann, führte zwölf Experimente in einem schubladenförmigen Modul durch. Das Gerät enthielt die Katalysatoren, Flüssigkeitskanäle und Sensoren, die für die Steuerung einer Reaktion mit drei Phasen erforderlich waren: Gas, Flüssigkeit und Feststoff. Das Team bestätigte die Sauerstoffproduktion und maß die Entstehung von Ethylen, einem wichtigen Zielprodukt für die Treibstoffforschung.

Eine zentrale Herausforderung war die Steuerung von Flüssigkeiten in der Schwerelosigkeit. Auf der Erde trennen sich Gase und Flüssigkeiten von selbst. Im Orbit dominiert die Oberflächenspannung. Die Tiangong-Anlage verfügte über Kanäle, Membranen und Durchflussregler, die dafür sorgten, dass die Reaktionsstoffe mit dem Katalysator in Kontakt blieben und die Produkte abtransportiert wurden, damit die Reaktion weiterlaufen konnte. Das Experiment erfasste die Gasbewegung und das Trennverhalten, um künftige Konstruktionen zu verbessern.

Warum der Umgang mit Flüssigkeiten in der Schwerelosigkeit wichtig ist

Wenn Blasen an einem Katalysator haften bleiben, sinkt die Ausbeute. Erreichen Flüssigkeiten die Reaktionsoberfläche nicht gleichmäßig, entstehen Überhitzungsstellen oder trockene Bereiche. Eine präzise Durchflusssteuerung entscheidet darüber, ob es bei einem Labornachweis bleibt oder ein Produktstrom entsteht, der einen Speichertank befüllen kann. Die auf Tiangong gesammelten Daten liefern Ingenieuren die nötigen Grundlagen, um das Verfahren hochzuskalieren.

Der Versuch ergänzt eine wachsende Zahl von Tests auf Raumstationen, die untersuchen, wie alltägliche Prozesse ohne Schwerkraft ablaufen. Auf Tiangong wurden zuvor unter anderem Salat und Tomaten angebaut und sogar ein Streichholz angezündet, um das Verhalten von Flammen zu erforschen. Solche Studien schaffen das praktische Wissen, das für den Betrieb von Fabriken und Landwirtschaft außerhalb der Erde nötig ist.

Warum das für Lebenserhaltung und Antrieb wichtig ist

Jedes Kilogramm, das nicht mit einer Rakete von der Erde starten muss, spart Kosten und senkt Risiken. Sauerstoff ist ein gutes Beispiel. Die Internationale Raumstation erzeugt Sauerstoff, indem sie Wasser in einer Elektrolyseanlage spaltet, die von Solarpaneelen mit Strom versorgt wird. Schätzungen zufolge beansprucht die Sauerstofferzeugung etwa ein Drittel des Energiebedarfs der Lebenserhaltungssysteme der Station. Das Verfahren funktioniert, doch der Strombedarf ist hoch und weiterhin sind regelmäßige Lieferungen von Wasser und Verbrauchsmaterialien nötig.

Künstliche Photosynthese eröffnet einen zweiten Weg. Sie kann das von Astronauten ausgeatmete Kohlendioxid wieder in Sauerstoff umwandeln und im selben Gerät zugleich Kohlenwasserstoffmoleküle für Treibstoff erzeugen. Die Reaktionen können bei Raumtemperatur und Kabinendruck ablaufen, was den Strombedarf senkt. Eine Station oder Basis, die eigenen Sauerstoff und Treibstoff herstellt, kann die Abstände zwischen Nachschublieferungen vergrößern und mehr Energie für Forschung und Betrieb freihalten.

Auch die Auswahl an möglichen Produkten ist ein Vorteil. Methan wird in vielen modernen Triebwerken, auch in wiederverwendbaren Ausführungen, mit flüssigem Sauerstoff kombiniert. Ameisensäure kann Wasserstoff chemisch für eine spätere Nutzung speichern. Ethylen kann direkt verbrannt oder zu anderen Treibstoffen und Materialien weiterverarbeitet werden. Ein System, das Abfallkohlenstoff in nützliche Moleküle umwandelt, steigert den Nutzen jedes Liters Wasser und jedes Watts Sonnenenergie an Bord einer Station.

Kann Ethylen echte Raumfahrzeuge antreiben?

Ethylen ist ein einfacher Kohlenwasserstoff mit zwei Kohlenstoffatomen. Es verbrennt gut mit flüssigem Sauerstoff und kann als Treibstoff in Triebwerken oder Schubdüsen dienen. Es kam bereits in Forschungsantrieben und Testflügen zum Einsatz. Die Leistung hängt von der Triebwerkskonstruktion ab, doch Ethylen gehört zur selben Stoffgruppe wie Methan und Propan. Im Orbit besteht sein Vorteil darin, dass es bei Verwendung eines Katalysators auf Kupferbasis direkt aus der Reduktion von Kohlendioxid entstehen kann.

Es gibt jedoch Nachteile. Bei Raumtemperatur ist Ethylen gasförmig, weshalb es für die Lagerung komprimiert oder gekühlt werden muss. Viele Missionen bevorzugen Methan, weil es sich bei kryogenen Temperaturen zusammen mit flüssigem Sauerstoff leichter handhaben lässt. Ethylen kann auch als Ausgangsstoff dienen. Durch weitere Verarbeitung lässt es sich in Flüssigkeiten oder Kunststoffe umwandeln, die für die Fertigung nützlich sind. Das Tiangong-Experiment zeigte, dass das Team gezielt Ethylen erzeugen kann. Bei künftigen Missionen könnte der Katalysator jedoch je nach Anwendung auf Methan oder Formiat eingestellt werden.

Die Wahl des Treibstoffs ist nur ein Teil der Geschichte. Bei fast allen chemischen Raketen macht Sauerstoff den größten Anteil der Treibstoffmasse aus. Jedes Gerät, das Sauerstoff kostengünstig im Weltraum herstellt, verringert die Masse, die von der Erde gestartet werden muss. Selbst wenn die Kohlenwasserstoffkomponente zunächst von der Erde geliefert wird, verbessert eine Station, die Sauerstoff vor Ort bereitstellt, die Missionsplanung erheblich.

Von der Raumstation zum Mond

China hat öffentlich das Ziel ausgegeben, vor 2030 eine bemannte Mondlandung durchzuführen und in den frühen bis mittleren 2030er-Jahren eine Internationale Mondforschungsstation einzurichten. Berichten aus dem Jahr 2024 zufolge gibt es Pläne, Roboter einen kompakten Kernreaktor für die Stromversorgung der Basis montieren zu lassen. Strom ist ein Teil davon. Als Nächstes braucht es eine Versorgung mit Luft und Treibstoff, die nicht von Frachtflügen abhängt. Der Tiangong-Versuch wird als Grundlage für dieses Ziel dargestellt.

Eine künftige Versorgungskette im Orbit

Ein weiterer Baustein ist die Möglichkeit, Treibstoff im Orbit zu transportieren und weiterzugeben. Im Januar 2025 startete China den Satelliten Shijian 25, um Technologien zum Betanken im Weltraum zu testen. Zusammen mit der Produktion an Bord einer Station weisen solche Betankungstests auf eine Versorgungskette hin, in der eine Plattform Treibstoffkomponenten herstellt und eine andere sie an Satelliten oder Transferfahrzeuge verteilt. Ein mögliches Szenario könnte so aussehen: Eine bemannte oder robotische Plattform nutzt künstliche Photosynthese, um CO2 und Wasser in Sauerstoff und Methan umzuwandeln. Tanksatelliten nähern sich ihr, nehmen Treibstoff auf und liefern ihn an Raumfahrzeuge, die einen Schub benötigen. Auf der Mondoberfläche versorgt ein ähnliches Gerät Habitate mit Sauerstoff und speichert Methan für den Start zurück in den Orbit. An jedem Standort treiben Sonnenlicht oder Kernenergie die chemischen Prozesse an.

Was als Nächstes geschehen muss

Das Tiangong-Gerät ist ein Machbarkeitsnachweis, noch keine Fabrik. Um eine Besatzung zu versorgen oder Raumfahrzeuge aufzutanken, muss die Ausbeute um Größenordnungen steigen. Dafür braucht es größere Reaktionsflächen, ein besseres Wärmemanagement und Katalysatoren, die monatelang halten, ohne sich zu zersetzen oder zu verstopfen. Weltraumstrahlung und Temperaturschwankungen können Materialien beschädigen. Ingenieure müssen die Haltbarkeit testen und Bauteile austauschen können, ohne sperrige Ausrüstung hochzuschicken.

Auch Trennung und Lagerung sind anspruchsvoll. Sauerstoff muss in hoher Reinheit zum Atmen und für Triebwerke bereitgestellt werden. Kohlenwasserstoffe müssen von Nebenprodukten getrennt und sicher komprimiert oder verflüssigt werden. Der Umgang mit Sauerstoff und Treibstoffen in einem Raumfahrzeug erhöht die Brandgefahr, die Konstrukteure mithilfe von Ventilen, Sensoren und strikter räumlicher Trennung verringern müssen. Keines dieser Probleme ist unlösbar, doch sie erfordern sorgfältige Konstruktion und wiederholte Tests.

Wie stark die Vorteile tatsächlich ausfallen, hängt davon ab, wie gut sich das System in die Lebenserhaltungskreisläufe integrieren lässt. Auf der ISS wird die Elektrolyse mit einem Reaktor kombiniert, der CO2 und Wasserstoff zu Wasser und Methan verbindet und so den Kreislauf teilweise schließt. Eine künftige Station könnte zwischen verschiedenen Verfahren wählen oder sie kombinieren. Die beste Konstruktion könnte CO2 aus der Luft auffangen, kontinuierlich Sauerstoff erzeugen und bei überschüssiger Energie Treibstoffprodukte in Speicher leiten. Für den Routinebetrieb wird eine robotische Steuerung unverzichtbar sein.

Wie sich das in die weltweiten Bemühungen einfügt

Die Produktion von Ressourcen außerhalb der Erde ist ein gemeinsamer Schwerpunkt der Raumfahrtagenturen. Die NASA ließ das MOXIE-Experiment auf dem Rover Perseverance fliegen, um Sauerstoff aus der Marsatmosphäre zu gewinnen. Damit wurde gezeigt, dass eine kleine Anlage auf dem Mars Sauerstoff erzeugen kann. Die Europäische Weltraumorganisation und zahlreiche Forschungslabore untersuchen Photokatalysatoren, die CO2 mithilfe von Sonnenlicht oder Strom umwandeln können. Private Unternehmen entwickeln Methantriebwerke, die mit vor Ort erzeugtem Sauerstoff betrieben werden sollen. All diese Projekte beruhen auf derselben Idee: lokale Ressourcen nutzen und so Startmasse sparen.

Bislang lag der Schwerpunkt der meisten Tests zur Lebenserhaltung im Orbit auf Pflanzenwachstum, Biologie und Elektrolyse. Der Tiangong-Versuch ist der erste Bericht über ein System zur Reduktion von Kohlendioxid, das bei Raumtemperatur und Normaldruck im Orbit einen Kohlenwasserstoff und Sauerstoff erzeugt. Damit werden Lebenserhaltung und Treibstoffversorgung in einem Gerät vereint. Das setzt die Messlatte für künftige Plattformen höher – ob im erdnahen Orbit, im Raum zwischen Erde und Mond oder auf der Mondoberfläche.

Wettbewerb kann den Fortschritt beschleunigen. Mit Plänen für eine Mondbasis und Missionen in den tiefen Weltraum wird China die Technologie weiterentwickeln wollen. Die Vereinigten Staaten, Europa, Japan und andere Länder betreiben aktive Programme zur Nutzung lokaler Ressourcen und könnten bald eigene Demonstrationen ins All schicken. Für Ingenieure zählt am Ende vor allem eine praxistaugliche Ausrüstung, die monatelang zuverlässig funktioniert.

Die wichtigsten Punkte

• Die Astronauten von Shenzhou-19 führten auf Tiangong zwölf Experimente zur künstlichen Photosynthese durch.
• Das Gerät wandelte CO2 und Wasser bei Raumtemperatur und Normaldruck in Sauerstoff und Ethylen um.
• Die Steuerung von Flüssigkeiten in der Schwerelosigkeit und die Echtzeiterfassung wurden während der Versuche erprobt.
• Durch den Austausch von Katalysatoren kann das System je nach Verwendungszweck auf Methan oder Ameisensäure eingestellt werden.
• Im Vergleich zur Wasserelektrolyse auf der ISS soll das Verfahren weniger Energie benötigen.
• Ethylen kann als Treibstoff oder als Ausgangsstoff für andere Treibstoffe und Materialien dienen.
• China verbindet die Produktion im Orbit mit Betankungstests und plant eine bemannte Mondlandung vor 2030.
• Zu den wichtigsten Herausforderungen zählen eine höhere Ausbeute, langfristige Stabilität sowie die sichere Lagerung und Handhabung.