Künstliche Kiemen für Ozeangleiter
Hereon-Forscher entwickeln ein Energiesystem für autonome Unterwasserfahrzeuge
Autonome Unterwasserroboter, wie zum Beispiel Ozeangleiter, sind wichtige Hilfsmittel in der Meeresforschung. Die meisten tragen Lithium-Batterien in sich, die sie mit Strom versorgen. Doch diese Batterien bringen einige Nachteile mit sich. Deshalb haben Wissenschaftler am Helmholtz-Zentrum Hereon ein neues Energiesystem entwickelt. Mit Wasserstoff als Energieträger ist es deutlich nachhaltiger als Lithiumbatterien und ermöglicht eine größere Reichweite der Ozeangleiter. Die Besonderheit: Mittels Membrantechnologie entzieht es dem Meer Sauerstoff – ähnlich wie die Kiemen eines Fischs.
Ozeangleiter können sich mehrere Wochen lang eigenständig durch das Meer bewegen. Ihre Sensoren messen zum Beispiel Temperatur, Druck, Salzgehalt, Sauerstoffkonzentration oder Strömung. Mit Tauchgängen bis zu 1000 Metern Tiefe ermöglichen sie Messungen, die mit Forschungsschiffen kaum umsetzbar wären. Außerdem ist die Nutzung der Roboter kostengünstiger als die eines Schiffs. Doch die Lithiumbatterien stellen Forschungsteams vor Herausforderungen. Sie gelten als Gefahrgut und dürfen nur unter strengen Sicherheitsauflagen transportiert werden. Das erhöht die Kosten der Forschungsprojekte.
Dr. Lucas Merckelbach und Dr. Prokopios Georgopanos vom Helmholtz-Zentrum Hereon haben eine Alternative entwickelt. Statt Batterien wollen sie Gleiter mit einer Brennstoffzelle antreiben, die mit Wasserstoff und Sauerstoff Strom erzeugt. Der Wasserstoff soll erst am Einsatzort „getankt“ werden. Als sicherer und effizienter Speicher dient ein Behälter mit Metallhydriden. Diese speichern Wasserstoff, indem sie ihn chemisch in die Metallstruktur einbinden. Der nötige Sauerstoff wird hingegen nicht gespeichert, sondern direkt aus dem Meerwasser entnommen. „Die Natur ist da für uns eine große Inspiration“, sagt Dr. Lucas Merckelbach. Er arbeitet am Institut für Dynamik der Küstenmeere und nutzt Ozeangleiter selbst für seine Forschung. (Quelle: Hereon Pressemitteilung)
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Merckelbach, L., & Georgopanos, P. (2025): A Fuel Cell Power Supply System Equipped with Artificial Gill Membranes for Underwater Applications. Adv. Sci. 2025, 2410358, doi:10.1002/advs.202410358
Abstract:
This work proposes a fuel cell power supply system for underwater applications (e.g., autonomous underwater vehicles), where artificial gills, based on a polymer membrane, harvest the required oxygen from the ambient water. In this system, a circulating air-flow continuously supplies a proton exchange membrane fuel cell with oxygen, which is replenished using a polymer membrane. The membrane serves as the interface between the circulating air-flow and the ambient water, preventing water flux while allowing an oxygen flux across the membrane, driven by a partial oxygen pressure gradient. To demonstrate the feasibility of this concept, a prototype system was built based on guidelines derived from a mathematical model that was developed to describe the oxygen transfer process. A computational fluid dynamics model is developed and validated against the measurements from the prototype, resulting in a digital twin. The analysis indicates that the proposed power supply system has the potential to be superior to any battery-based solution currently available.
