Mondressourcen

SolarenergieBearbeiten

Das Tageslicht auf dem Mond dauert etwa zwei Wochen, gefolgt von etwa zwei Wochen Nacht, während beide Mondpole fast ständig beleuchtet sind. Der Mondsüdpol weist eine Region mit Kraterrändern auf, die fast ständig von der Sonne angestrahlt werden, während das Innere der Krater ständig vom Sonnenlicht beschattet wird und erhebliche Mengen an Wassereis in seinem Inneren enthält. Durch die Ansiedlung einer Anlage zur Verarbeitung von Mondressourcen in der Nähe des Mondsüdpols würde solar erzeugte elektrische Energie einen nahezu konstanten Betrieb in der Nähe von Wassereisquellen ermöglichen.

Solarzellen könnten direkt auf dem Mondboden von einem mittelgroßen (~200 kg) Rover hergestellt werden, der über die Fähigkeit verfügt, den Regolith aufzuheizen, die entsprechenden Halbleitermaterialien für die Solarzellenstruktur direkt auf dem Regolithsubstrat aufzudampfen und metallische Kontakte und Verbindungen abzuscheiden, um eine komplette Solarzellenanordnung direkt auf dem Boden fertigzustellen.

Das Kilopower-Kernspaltungssystem wird für eine zuverlässige Stromerzeugung entwickelt, die lang andauernde bemannte Basen auf dem Mond, dem Mars und anderen Zielen ermöglichen könnte. Dieses System ist ideal für Orte auf Mond und Mars, an denen die Stromerzeugung durch Sonnenlicht unregelmäßig ist.

SauerstoffEdit

Der elementare Sauerstoffgehalt im Regolith wird auf 45 Gewichtsprozent geschätzt. Sauerstoff ist häufig in eisenreichen Mondmineralen und -gläsern als Eisenoxid enthalten. Es wurden mindestens zwanzig verschiedene Verfahren zur Gewinnung von Sauerstoff aus Mondregolith beschrieben, die alle einen hohen Energieaufwand erfordern: zwischen 2-4 Megawattjahren Energie (d.h. 6-12×1013 J) zur Herstellung von 1.000 Tonnen Sauerstoff. Während bei der Sauerstoffgewinnung aus Metalloxiden auch nützliche Metalle gewonnen werden, ist dies bei der Verwendung von Wasser als Ausgangsstoff nicht der Fall.

WasserBearbeiten

Kumulative Hinweise von mehreren Orbitern deuten stark darauf hin, dass Wassereis auf der Oberfläche an den Mondpolen vorhanden ist, allerdings hauptsächlich in der Südpolregion. Die Ergebnisse dieser Datensätze sind jedoch nicht immer korreliert. Es wurde festgestellt, dass die kumulative Fläche der ständig beschatteten Mondoberfläche 13.361 km2 auf der Nordhalbkugel und 17.698 km2 auf der Südhalbkugel beträgt, was eine Gesamtfläche von 31.059 km2 ergibt. Das Ausmaß, in dem einige oder alle dieser permanent beschatteten Gebiete Wassereis und andere flüchtige Stoffe enthalten, ist derzeit nicht bekannt, so dass mehr Daten über die lunaren Eisvorkommen, ihre Verteilung, Konzentration, Menge, Anordnung, Tiefe, geotechnischen Eigenschaften und alle anderen Merkmale benötigt werden, die für die Planung und Entwicklung von Gewinnungs- und Verarbeitungssystemen erforderlich sind. Der absichtliche Einschlag des LCROSS-Orbiters in den Cabeus-Krater wurde überwacht, um die daraus resultierende Trümmerfahne zu analysieren, und man kam zu dem Schluss, dass das Wassereis in Form von kleinen (< ~10 cm), diskreten Eisstücken, die im Regolith verteilt sind, oder als dünne Schicht auf Eiskörnern vorliegen muss. In Verbindung mit monostatischen Radarbeobachtungen deutet dies darauf hin, dass das Wassereis in den ständig beschatteten Regionen der lunaren Polkrater wahrscheinlich nicht in Form von dicken, reinen Eisablagerungen vorhanden ist.

Wasser kann über geologische Zeiträume hinweg durch den regelmäßigen Beschuss von wasserhaltigen Kometen, Asteroiden und Meteoroiden auf den Mond gelangt sein oder kontinuierlich an Ort und Stelle durch den Aufprall von Wasserstoffionen (Protonen) des Sonnenwindes auf sauerstoffhaltige Mineralien erzeugt worden sein.

Der lunare Südpol weist eine Region mit Kraterrändern auf, die einer nahezu konstanten Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind, wobei das Innere der Krater permanent vom Sonnenlicht abgeschattet wird, was einen natürlichen Einschluss und eine Sammlung von Wassereis ermöglicht, das in Zukunft abgebaut werden könnte.

Wassermoleküle (H
2O) können in ihre Elemente, nämlich Wasserstoff und Sauerstoff, zerlegt werden und molekularen Wasserstoff (H
2) und molekularen Sauerstoff (O
2) bilden, um als Raketentreibstoff verwendet zu werden oder Verbindungen für metallurgische und chemische Produktionsprozesse herzustellen. Allein für die Produktion von Treibstoff wurde von einem gemeinsamen Gremium aus Industrie, Regierung und akademischen Experten ein kurzfristiger jährlicher Bedarf von 450 Tonnen aus dem Mond gewonnenen Treibstoffs ermittelt, was 2.450 Tonnen verarbeitetem Mondwasser entspricht und jährliche Einnahmen von 2,4 Milliarden US-Dollar generiert.

WasserstoffEdit

Der Sonnenwind implantiert Protonen in den Regolith und bildet ein protoniertes Atom, das eine chemische Verbindung aus Wasserstoff (H) ist. Obwohl gebundener Wasserstoff reichlich vorhanden ist, stellt sich die Frage, wie viel davon in den Untergrund diffundiert, in den Weltraum entweicht oder in Kältefallen diffundiert. Wasserstoff wird für die Herstellung von Treibstoffen benötigt und hat eine Vielzahl industrieller Verwendungsmöglichkeiten. Beispielsweise kann Wasserstoff zur Herstellung von Sauerstoff durch Wasserstoffreduktion von Ilmenit verwendet werden.

MetalleBearbeiten

EisenBearbeiten

Eisen (Fe) ist in allen Mare-Basalten reichlich vorhanden (~14-17 Gew.-%), ist jedoch meist in Silikatmineralien (d. h. Pyroxen und Olivin) und in den Niederungen in das Oxidmineral Ilmenit eingeschlossen. Die Gewinnung wäre recht energieaufwendig, aber es wird vermutet, dass einige auffällige magnetische Anomalien auf dem Mond auf überlebende Fe-reiche Meteoritentrümmer zurückzuführen sind. Nur weitere Untersuchungen vor Ort werden zeigen, ob diese Interpretation richtig ist und wie verwertbar solche Meteoritentrümmer sind.

Freies Eisen kommt auch im Regolith vor (0,5 Gew.-%), natürlich legiert mit Nickel und Kobalt, und kann nach dem Zerkleinern leicht mit einfachen Magneten extrahiert werden. Dieser Eisenstaub kann mit pulvermetallurgischen Verfahren wie additiver Fertigung, 3D-Druck, selektivem Lasersintern (SLS), selektivem Laserschmelzen (SLM) und Elektronenstrahlschmelzen (EBM) zu Teilen verarbeitet werden.

TitanEdit

Titan (Ti) kann unter anderem mit Eisen, Aluminium, Vanadium und Molybdän legiert werden, um starke, leichte Legierungen für die Luft- und Raumfahrt herzustellen. Es kommt fast ausschließlich in dem Mineral Ilmenit (FeTiO3) mit einem Anteil von 5-8 % vor. Ilmenitminerale fangen auch Wasserstoff (Protonen) aus dem Sonnenwind ein, so dass bei der Verarbeitung von Ilmenit auch Wasserstoff entsteht, ein wertvolles Element auf dem Mond. Die ausgedehnten Flutbasalte auf der nordwestlichen Nahseite (Mare Tranquillitatis) weisen einige der höchsten Titangehalte auf dem Mond auf und enthalten zehnmal so viel Titan wie Gesteine auf der Erde.

AluminiumEdit

Aluminium (Al) kommt in einer Konzentration von 10-18 Gew.-% in einem Mineral namens Anorthit (CaAl
2Si
2O
8) vor, dem Calcium-Endglied der Plagioklas-Feldspatmineralreihe. Aluminium ist ein guter elektrischer Leiter, und zerstäubtes Aluminiumpulver ist auch ein guter fester Raketentreibstoff, wenn es mit Sauerstoff verbrannt wird. Die Gewinnung von Aluminium würde auch den Abbau von Plagioklas (CaAl2Si2O8) erfordern.

SiliziumBearbeiten

Silizium (Si) ist ein reichlich vorhandenes Metalloid im gesamten Mondmaterial, mit einer Konzentration von etwa 20 Gewichtsprozent. Es ist von enormer Bedeutung für die Herstellung von Solarpaneelen für die Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität sowie von Glas, Glasfasern und einer Vielzahl nützlicher Keramiken. Eine sehr hohe Reinheit für die Verwendung als Halbleiter zu erreichen, wäre eine Herausforderung, insbesondere in der Mondumgebung.

CalciumEdit

Calcium (Ca) ist das vierthäufigste Element im Mondhochland und kommt in Anorthit-Mineralen vor (Formel CaAl
2Si
2O
8). Kalziumoxide und Kalziumsilikate sind nicht nur für Keramiken nützlich, sondern reines Kalziummetall ist flexibel und in Abwesenheit von Sauerstoff ein ausgezeichneter elektrischer Leiter. Anorthit ist auf der Erde selten, aber auf dem Mond reichlich vorhanden.

Kalzium kann auch zur Herstellung von Solarzellen auf Siliziumbasis verwendet werden, wofür mondnahes Silizium, Eisen, Titanoxid, Kalzium und Aluminium benötigt werden.

MagnesiumEdit

Magnesium (Mg) ist in Magmen und in den Mondmineralen Pyroxen und Olivin vorhanden, so dass vermutet wird, dass Magnesium in der unteren Mondkruste reichlicher vorhanden ist. Magnesium wird in zahlreichen Legierungen für die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie und die Elektronik verwendet.

Seltene ErdenEdit

Seltene Erden werden für die Herstellung von Elektro- oder Hybridfahrzeugen, Windturbinen, elektronischen Geräten und sauberen Energietechnologien verwendet. Trotz ihres Namens sind die Seltenen Erden – mit Ausnahme von Promethium – in der Erdkruste relativ reichlich vorhanden. Aufgrund ihrer geochemischen Eigenschaften sind die Seltenen Erden jedoch in der Regel verstreut und nicht in Seltenerdmineralien konzentriert; daher sind wirtschaftlich nutzbare Erzlagerstätten seltener. Größere Vorkommen gibt es in China, Kalifornien, Indien, Brasilien, Australien, Südafrika und Malaysia, wobei über 95 % der weltweiten Produktion von Seltenen Erden auf China entfallen. (Siehe: Seltene Erden-Industrie in China.)

Obwohl derzeitige Erkenntnisse darauf hindeuten, dass Seltene Erden auf dem Mond weniger häufig vorkommen als auf der Erde, betrachtet die NASA den Abbau von Seltenen Erden als eine rentable Mondressource, da sie eine breite Palette industriell wichtiger optischer, elektrischer, magnetischer und katalytischer Eigenschaften aufweisen.

Helium-3Edit

Nach einer Schätzung hat der Sonnenwind mehr als 1 Million Tonnen Helium-3 (3He) auf der Mondoberfläche abgelagert. Die Materialien auf der Mondoberfläche enthalten Helium-3 in Konzentrationen von schätzungsweise 1,4 bis 15 Teilen pro Milliarde (ppb) in sonnenbeschienenen Gebieten und können Konzentrationen von bis zu 50 ppb in ständig beschatteten Regionen aufweisen. Zum Vergleich: In der Erdatmosphäre kommt Helium-3 in einer Konzentration von 7,2 Teilen pro Billion (ppt) vor.

Seit 1986 haben mehrere Personen vorgeschlagen, das Mondregolith zu nutzen und das Helium-3 für die Kernfusion zu verwenden, obwohl es seit Jahrzehnten funktionierende experimentelle Kernfusionsreaktoren gibt (Stand 2020) – keiner von ihnen hat bisher kommerziell Strom geliefert. Aufgrund der geringen Helium-3-Konzentration müsste jede Bergbauanlage extrem große Mengen Regolith verarbeiten. Nach einer Schätzung müssten über 150 Tonnen Regolith verarbeitet werden, um 1 Gramm (0,035 Unzen) Helium-3 zu gewinnen. China hat mit dem chinesischen Monderkundungsprogramm zur Erforschung des Mondes begonnen und untersucht die Möglichkeit des Mondbergbaus, insbesondere die Suche nach dem Isotop Helium-3 zur Nutzung als Energiequelle auf der Erde. Nicht alle Autoren halten die extraterrestrische Gewinnung von Helium-3 für machbar, und selbst wenn es möglich wäre, Helium-3 auf dem Mond zu gewinnen, hat noch kein Fusionsreaktordesign mehr Fusionsenergie erzeugt als elektrische Energie zugeführt wird, was den Zweck verfehlt. Ein weiterer Nachteil ist, dass es sich um eine begrenzte Ressource handelt, die nach dem Abbau erschöpft sein kann.

Kohlenstoff und StickstoffEdit

Kohlenstoff (C) wäre für die Herstellung von Mondstahl erforderlich, ist jedoch im Mondregolith in Spurenmengen (82 ppm) vorhanden, die durch den Sonnenwind und Mikrometeoriteneinschläge eingebracht werden.

Stickstoff (N) wurde in Bodenproben gemessen, die zur Erde zurückgebracht wurden, und ist in Spurenmengen von weniger als 5 ppm vorhanden. Er wurde in den Isotopen 14N, 15N und 16N gefunden. Kohlenstoff und fixierter Stickstoff werden für landwirtschaftliche Aktivitäten in einer geschlossenen Biosphäre benötigt.

Regolith für den BauBearbeiten

Die Entwicklung einer lunaren Wirtschaft wird eine beträchtliche Menge an Infrastruktur auf der Mondoberfläche erfordern, deren Entwicklung in hohem Maße von In-situ-Ressourcennutzungs-Technologien (ISRU) abhängen wird. Eine der wichtigsten Anforderungen ist die Bereitstellung von Baumaterialien für den Bau von Habitaten, Lagerbehältern, Landeplätzen, Straßen und anderer Infrastruktur. Unverarbeitete Monderde, auch Regolith genannt, kann durch Techniken wie Sintern, Heißpressen, Verflüssigung, das Schmelzbasaltverfahren und 3D-Druck in brauchbare Strukturkomponenten verwandelt werden. Glas und Glasfasern lassen sich auf dem Mond problemlos verarbeiten, und es wurde festgestellt, dass die Festigkeit des Regoliths durch die Verwendung von Glasfasern, z. B. einer Mischung aus 70 % Basaltglasfasern und 30 % PETG, drastisch verbessert werden kann. Auf der Erde wurden erfolgreiche Tests mit einigen Mondregolith-Simulanzien durchgeführt, darunter MLS-1 und MLS-2.

Die Monderde stellt zwar ein Problem für mechanisch bewegliche Teile dar, kann aber beim Bau von Teleskopspiegeln mit einem Durchmesser von bis zu 50 Metern mit Kohlenstoff-Nanoröhren und Epoxiden gemischt werden. Mehrere Krater in der Nähe der Pole sind dauerhaft dunkel und kalt, eine günstige Umgebung für Infrarot-Teleskope.

Einige Vorschläge schlagen vor, eine Mondbasis auf der Oberfläche zu errichten, indem man von der Erde mitgebrachte Module verwendet und sie mit Mondboden bedeckt. Die Monderde besteht aus einer Mischung aus Siliziumdioxid und eisenhaltigen Verbindungen, die mit Hilfe von Mikrowellenstrahlung zu einem glasartigen Feststoff verschmolzen werden können.

Die Europäische Weltraumorganisation hat 2013 in Zusammenarbeit mit einem unabhängigen Architekturbüro eine 3D-gedruckte Struktur getestet, die aus Mondregolith für die Verwendung als Mondbasis gebaut werden könnte. Die 3D-gedruckte Monderde würde sowohl „Strahlungs- als auch Temperaturisolierung“ bieten. Im Inneren würde eine leichte, aufblasbare Druckkabine mit der gleichen Kuppelform die Lebensumgebung für die ersten menschlichen Mondsiedler bilden.“

Anfang 2014 finanzierte die NASA eine kleine Studie an der University of Southern California, um die 3D-Drucktechnik Contour Crafting weiterzuentwickeln. Zu den möglichen Anwendungen dieser Technologie gehört die Konstruktion von Mondstrukturen aus einem Material, das zu 90 Prozent aus Mondmaterial bestehen könnte, wobei nur zehn Prozent des Materials von der Erde transportiert werden müssten. Die NASA prüft auch eine andere Technik, bei der Mondstaub mit Hilfe von Mikrowellenstrahlung geringer Leistung (1500 Watt) gesintert wird. Das Mondmaterial würde durch Erhitzen auf 1.200 bis 1.500 °C (2.190 bis 2.730 °F), also etwas unterhalb des Schmelzpunkts, gebunden werden, um den Nanopartikelstaub zu einem festen Block zu verschmelzen, der keramikähnlich ist und keinen Transport eines Bindemittels von der Erde erfordert.