BIOGAMO - Konzept für ein nachhaltiges Biogaskraftwerk auf dem Mond, eingereicht zur Teilnahme an der „LunaRecycle Challenge“ der NASA 

Heiko Zschenderlein Oktober 2024

 

Systemaufbau
Das Biogaskraftwerk besteht aus mehreren miteinander verbundenen Komponenten, die zusammenarbeiten, um organische Abfälle in wertvolle Ressourcen zu verwandeln. Diese umfassen den Haupttank für die Biogasproduktion, eine Zerkleinerungseinheit für Fäkalienbeutel, eine enzymatische Kunststoffverarbeitungseinheit sowie eine anaerobe Vergärungseinheit.

1. a) Doppelwandiger Haupttank (Biogastransformations-Reaktor)
   Der Haupttank ist das Herzstück des Biogaskraftwerks und erfüllt mehrere Funktionen. Er besteht aus mehreren Schichten, die thermische Isolierung und Strahlenschutz gewährleisten.

• Äußere Wand: Der äußere Tank ist aus robustem Edelstahl gefertigt, um den extremen mechanischen Anforderungen des Mondes standzuhalten. Er schützt vor den extremen Temperaturschwankungen und Strahlung. Die äußere Wand ist zusätzlich mit einem reflektierenden Material beschichtet, um solare Wärmestrahlung zu reflektieren und so die Innentemperatur zu stabilisieren.
• Innere Wand: Diese ist mit einer Schicht aus Phasenwechselmaterial (PCM) überzogen. PCM speichert überschüssige Wärme und gibt diese bei Bedarf ab, um die Temperatur konstant zu halten. Dadurch bleibt die biologische Vergärung ungestört und die Mikroorganismen im Tank arbeiten optimal.
• Zusatzheizelemente im PCM: Um die Temperatur bei Bedarf zu erhöhen, werden Heizelemente im PCM integriert, die in den kalten Mondnächten aktiviert werden können. Diese sind besonders wichtig, wenn die Außentemperaturen bis zu -150°C sinken.
• Demineralisiertes Wasser: Zwischen der inneren Wand und der zweiten Schicht mit dem PCM befindet sich eine Schicht aus demineralisiertem Wasser, die als zusätzliche Isolierung fungiert und für eine gleichmäßige Wärmeverteilung sorgt.
• Innere Edelstahl-Schicht: Diese schützt das Biogasreaktionsmaterial und das PCM vor mechanischen und chemischen Einflüssen der organischen Abfälle, wodurch Leckagen verhindert werden.
• PE-Schicht: Eine äußere PE-Schicht schützt vor mechanischen Schäden und verbessert die Isolation gegen den Regolith. Sie ist flexibel und passt sich den Bewegungen des Regoliths an.
• Vergrabung des Tanks: Der Tank wird 5 Meter unter der Mondoberfläche im Regolith vergraben, was ihn vor extremen Temperaturschwankungen und Strahlung schützt.

1. b) Zerkleinerungseinheit für Fäkalienbeutel
   Um den biologischen Abbau der Fäkalien zu optimieren, wird eine Zerkleinerungseinheit eingesetzt:

• Schredder Mechanismus: Ein mechanisches Schredderwerk zerkleinert die Fäkalienbeutel und vergrößert so die Oberfläche der Abfälle, was den Abbauprozess beschleunigt.
• Trennung von Kunststoffteilen: Nach der Zerkleinerung werden die organischen Abfälle von den Kunststoffresten getrennt. Die organischen Materialien gelangen in den Biogasreaktor, während die Kunststoffreste für den enzymatischen Abbau weiterverarbeitet werden.

1. c) Feststoffabtrennung mittels Zentrifuge

Eine besonders effektive Methode zur Feststoffabtrennung in diesem Biogaskraftwerk könnte die Nutzung einer Zentrifuge sein. Diese Technologie trennt Feststoffe durch die Anwendung von Fliehkraft und ist besonders geeignet, um grobe und schwerere Partikel von den flüssigen oder leichteren organischen Substanzen zu separieren.

Vorteile der Zentrifugen-basierenden Feststoffabtrennung:

• Hohe Effizienz: Eine Zentrifuge kann in einem einzigen Schritt Feststoffe mit unterschiedlicher Dichte präzise trennen, wodurch der Biogasprozess von unerwünschten Materialien befreit wird.
• Kompakte Bauweise: Im Vergleich zu Sieb- oder Filtermechanismen benötigt eine Zentrifuge weniger Platz, was auf der Mondstation von Vorteil ist, wo der Platz begrenzt ist.
• Reduzierung des Wartungsaufwands: Da die Zentrifuge durch die Fliehkraft arbeitet, sind weniger mechanische Teile erforderlich, was den Wartungsaufwand auf der Mondstation reduziert.
• Verarbeitung von Materialmischungen: Die Zentrifuge kann auch komplexe Materialmischungen aus verschiedenen Abfallarten verarbeiten, was sie ideal für die Feststoffabtrennung nach der Zerkleinerungseinheit macht, wenn die Abfallstoffe noch unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen.

Integration der Zentrifuge im Prozessablauf:

Die Zentrifuge würde nach der Zerkleinerungseinheit und der ersten Materialtrennung eingebaut, um die organischen Abfälle von schwereren Feststoffen wie Kunststoff, Glas oder anderen nicht abbaubaren Stoffen zu trennen. Die abgetrennten Feststoffe könnten dann in der Kunststoffverarbeitungseinheit weiterverwendet oder als Abfallprodukte entfernt werden. Die verbleibenden, biologisch abbaubaren organischen Materialien würden anschließend in den Biogasreaktor überführt.

Durch diese hochpräzise Feststoffabtrennung wird der anaerobe Vergärungsprozess optimiert, indem nur die für die Biogasproduktion relevanten Materialien weiterverarbeitet werden, was sowohl die Effizienz als auch die Lebensdauer der gesamten Anlage verbessert.

1. c) Enzymatischer Reaktor zur Kunststoffverarbeitung
   Die Kunststoffreste der Fäkalienbeutel werden mit Enzymen abgebaut:

• Enzymatische Abbauprozesse: Enzyme wie PETase und MHETase zersetzen Kunststoffe wie PET und Polyethylen in ihre Monomeren, die anschließend für das Recycling oder die Herstellung neuer Produkte verwendet werden können.
• Reaktorumgebung: Der enzymatische Abbau erfolgt in einem Reaktor mit präziser Temperatur- und Feuchtigkeitskontrolle, um den maximalen Abbau bei minimalem Energieverbrauch zu gewährleisten.

1. d) Anaerobe Vergärungseinheit im Haupttank
   Die organischen Abfälle werden im Haupttank von Mikroorganismen vergoren:

• Mikroorganismen: Spezialisierte Mikroben, wie Methanogene, zersetzen die organischen Abfälle und produzieren dabei Methan (CH₄), das zur Energiegewinnung genutzt wird.
• Rührwerk: Ein mechanisches Rührwerk sorgt für eine gleichmäßige Verteilung des Materials im Tank und gewährleistet eine effiziente Verarbeitung durch die Mikroorganismen.
• Gasgewinnung: Das produzierte Methan wird für die Energieversorgung der Mondstation verwendet und kann in Brennstoffzellen oder Generatoren genutzt werden.
• Energiegewinnung: Die durch die Vergärung entstehende thermische Energie unterstützt den Energetischen Bedarf derart, dass weniger externe Energie zur Erhaltung des Prozesses zugeführt werden muss.

Energieversorgung und Nachhaltigkeit durch Solarenergie
Um den Betrieb des Biogaskraftwerks auf dem Mond nachhaltig und autark zu gestalten, wird ein Solarsystem zur Energiegewinnung integriert. Dieses Solarsystem soll folgende Bereiche des Kraftwerks versorgen:

• Energie für das Rührwerk: Das Rührwerk im Biogastank benötigt kontinuierliche Energie, um eine gleichmäßige Mischung der organischen Abfälle und Mikroorganismen zu gewährleisten. Solarzellen auf der Mondoberfläche können diese Energie liefern, um den Betrieb des Rührwerks während des Mondtages zu sichern.
• Heizung des Phasenwechselmaterials (PCM): In den extrem kalten Mondnächten wird zusätzliche Energie benötigt, um das Phasenwechselmaterial (PCM) im Tank zu heizen und die Temperatur konstant zu halten. Solarenergie, die während des Mondtages gesammelt wird, wird in Batterien gespeichert und zur Aufheizung des PCM in den Nächten verwendet.
• Betrieb von Zusatzkomponenten: Für die Unterstützung der Temperaturregelung, Ventilsteuerungen, Pumpen und weiteren, für den Betrieb notwendigen Komponenten wird ebenfalls Solarenergie benötigt.

Das Solarsystem besteht aus einer Vielzahl von Solarpanelen, die auf der Mondoberfläche installiert sind und die gesamte notwendige Energie für das Biogaskraftwerk und zusätzliche Prozesse wie die Aufheizung des PCM und den Betrieb des Rührwerks bereitstellen. Diese Solarenergie wird in Batterien gespeichert und bei Bedarf genutzt, um die Autarkie des Systems auch während der Mondnächte sicherzustellen.

Befüllung und Entnahme unter Verwendung des Mond-Vakuums
Die Befüllung des Biogaskraftwerks erfolgt unter Berücksichtigung der spezifischen Bedingungen auf dem Mond:

• Befüllung mit organischen Abfällen: Die Abfälle werden über ein geschlossenes Rohrsystem zum Tank transportiert. Da auf dem Mond kein atmosphärischer Druck herrscht, kann ein spezielles Vakuum-basierendes System eingesetzt werden, das die Befüllung der Tanks mit minimalem Energieaufwand ermöglicht. Über eine Pumpe werden die Abfälle in den Tank eingeleitet, wobei das Mondvakuum den Druckunterschied ausnutzt, um den Fluss der Substanzen zu unterstützen.
• Entnahme von Biogas: Das produzierte Biogas wird ebenfalls unter Nutzung des Mondvakuums entnommen. Durch den niedrigen Druck auf der Mondoberfläche wird das Gas effizient aus dem Tank abgeführt, ohne dass ein externer Druckaufbau nötig ist. Dies ermöglicht eine einfache und energieeffiziente Entnahme des Methans, Wasserstoffs und Sauerstoffs, die für die Energieversorgung der Mondstation verwendet werden.

Energie- und Gasgewinnung
Das Biogaskraftwerk liefert neben Methan auch Wasserstoff und Sauerstoff:

• Methan (CH₄): Das Hauptprodukt der anaeroben Vergärung, das primär für die Stromerzeugung genutzt oder als Brennstoff gespeichert wird.
• Wasserstoff (H₂): Durch Reformierung von Methan (sekundäre Verwendung) kann Wasserstoff gewonnen werden, der in Brennstoffzellen oder als Treibstoff verwendet wird. Die Frage des energetischen Aufwands zur Gewinnung des Wasserstoffes aus Methan ist dabei zu berücksichtigen. Es ist außerdem zu prüfen, ob eine elektrolytische Gewinnung von Wasserstoff effizienter ist.
• Sauerstoff (O₂): Durch Elektrolyse von CO₂ kann Sauerstoff erzeugt werden, der für die Mondstation oder die Verbrennung von Wasserstoff benötigt wird.

Nutzung und Recycling von Zielmaterialien

• Düngerproduktion: Die festen Reste der Biogasproduktion, wie der verbleibende organische Abfall, können als Dünger für Gewächshäuser auf der Mondstation verwendet werden.
• Recycling von Kunststoffmonomeren: Die abgebauten Kunststoffmonomere können für die Herstellung neuer Produkte oder Materialien wie z.B. Regolith-Kunststoffplatten zur thermischen Isolierung, Strahlungsminderung oder den Bau komplexer Strukturen verwendet werden, was ebenfalls zu einem geschlossenen Recyclingkreislauf führt.

Vorteile der erweiterten Technologie

• Autarkie und Nachhaltigkeit: Das Biogaskraftwerk trägt zur autarken Energie- und Ressourcennutzung auf der Mondstation bei. Abfälle werden in wertvolle Produkte umgewandelt, wodurch der Bedarf an externen Ressourcen verringert wird.
• Geschlossener Kreislauf: Durch das Recycling und die Verwertung von Abfällen wird der Kreislauf der Mondstation geschlossen, was zur Effizienz und Nachhaltigkeit beiträgt.
• Flexibilität und Effizienz: Das System kann an die Bedürfnisse der Mondstation angepasst werden und ist in der Lage, verschiedene Arten von Abfällen zu verarbeiten, einschließlich der Kunststoffreste der Fäkalienbeutel.

Zukünftige Erweiterungen
Das Biogaskraftwerk kann in Zukunft um zusätzliche Recyclingmethoden für andere Abfälle erweitert werden, die auf dem Mond anfallen, z. B. Metall- und Glasabfälle, sowie um zusätzliche Möglichkeiten zur Energieerzeugung.

Ergebnis

Das Konzept für das Biogaskraftwerk auf dem Mond stellt eine innovative und nachhaltige Lösung dar, um organische Abfälle in wertvolle Ressourcen wie Methan, Wasserstoff und Sauerstoff umzuwandeln. Durch den Einsatz fortschrittlicher Technologien wie Phasenwechselmaterialien zur Temperaturregelung, enzymatischer Kunststoffverarbeitung und Vakuumtechnologien für Befüllung und Entnahme wird eine effiziente und autarke Energie- und Abfallwirtschaft auf der Mondstation möglich.

Der Hauptvorteil dieses Systems liegt in seiner Fähigkeit, nicht nur die Abfälle von Bewohnern zu verarbeiten, sondern auch wertvolle Produkte zu liefern, die die Lebensbedingungen auf dem Mond verbessern können. Insbesondere die Kombination aus Biogasproduktion und Kunststoffrecycling bietet eine ganzheitliche Lösung für die Herausforderungen der Abfallbewirtschaftung auf der Mondbasis.

Durch die Nutzung erneuerbarer Solarenergie für den Betrieb des Systems wird das Biogaskraftwerk zu einem umweltfreundlichen und ressourcenschonenden Bestandteil einer langfristig tragfähigen Mondstation. Das Konzept ist flexibel und skalierbar, um zukünftigen Anforderungen gerecht zu werden und könnte auch als Modell für nachhaltige Abfallwirtschaft auf anderen Planeten dienen.

Insgesamt trägt dieses Biogaskraftwerk zur Autarkie der Mondstation bei und bietet eine wichtige Grundlage für die Lebensunterstützung und Ressourcennutzung in einer außerirdischen Umgebung.

 Heiko Zschenderlein – Maistr. 21 – 52525 Heinsberg GERMANY – Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!

10.10.2024