ESA-Wissenschaftler erzeugen Sauerstoff und Metalle aus Mondstaub

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Grafische Simulation einer zukünftigen Mondbasis. Copyright: ESA - P. Carril

Grafische Simulation einer zukünftigen Mondbasis.
Copyright: ESA – P. Carril

Noordwijk (Niederlande) – Im Labor für Werkstoffe und elektrische Komponenten des Europäischen Weltraumforschungs- und Technologiezentrums (ESTEC) haben Wissenschaftler den Prototyp einer Anlage konzipiert, die aus Mondboden, dem sogenannten Regolith, Sauerstoff und Metalle erzeugt.

Grundlage des Prozesses ist simulierter Mondboden, aus dem Sauerstoff gewonnen wird, der mit einem Massenspektrometer identifiziert werden kann, berichten Beth Lomax von der University of Glasgow und Kollegen aktuell im Fachjournal „Planetary and Space Science“ (DOI: 10.1016/j.pss.2019.104748). Auf diese Weise soll die Anlage zukünftige Missionen und Mondstationen in die Lage versetzten, Sauerstoff direkt auf dem Mond selbst, aus den vor Ort vorhandenen Ressourcen zu gewinnen. „Sowohl für zukünftige Mondbewohner als Atemluft wie auch für die Treibstoffproduktion, wäre eine solche Technologie von großem Nutzen.“

ESA-Forschungskollege Alexandre Meurisse fügt hinzu: „Jetzt haben wir die Anlage in Betrieb, bei der wir uns um die Feinabstimmung kümmern können, indem wir beispielsweise die Betriebstemperatur senken, um schließlich eine Version dieses Systems konzipieren, die eines Tages zum Mond operieren könnte.”

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Tatsächlich zeigten Analysen von Mondproben, dass der Regolith des Mondes zu 40 bis 45 Gewichtsprozent aus Sauerstoff besteht. Dieser Sauerstoff ist jedoch chemisch als Oxide in Form von Mineralien oder Glas gebunden und steht dadurch für den unmittelbaren Gebrauch nicht zur Verfügung.

Die Sauerstoffextraktion des ESTEC erfolgt nach der Methode der Salzschmelze-Elektrolyse, bei der der Regolith als Elektrolyt in einen Metallkorb mit geschmolzenem Calciumchloridsalz gegeben und auf 950°C erhitzt wird. Bei dieser Temperatur bleibt der Regolith fest. Wird nun Strom durchgeleitet, wird dem Regolith der Sauerstoff entzogen, der über das Salz wandert und sich an einer Anode sammelt. Als Bonus wandelt dieser Prozess auch den Regolith in verwendbare Metalllegierungen um.

Das Bild zeigt die Ausgangsprobe simulierten Mondbodens, sog. Regolith (l.), und die gleiche Probe nachdem jeglicher Sauerstoff daraus extrahiert wurde, wodurch ein Gemisch aus Metalllegierungen zurückbleibt (r.). Sowohl der Sauerstoff als auch die Metalle können von zukünftigen Mondbewohner genutzt werden. Copyright: Beth Lomax - University of Glasgow

Das Bild zeigt die Ausgangsprobe simulierten Mondbodens, sog. Regolith (l.), und die gleiche Probe nachdem jeglicher Sauerstoff daraus extrahiert wurde, wodurch ein Gemisch aus Metalllegierungen zurückbleibt (r.). Sowohl der Sauerstoff als auch die Metalle können von zukünftigen Mondbewohner genutzt werden.
Copyright: Beth Lomax – University of Glasgow

Ursprünglich wurde dieses Salzschmelze-Elektrolyse-Verfahren von der britischen Firma Metalysis für die kommerzielle Metall- und Legierungsherstellung entwickelt. Lomax promovierte im Unternehmen, um den Prozess zu studieren, bevor sie ihn bei ESTEC neu aufbaute.

„Bei Metalysis ist der durch den Prozess erzeugte Sauerstoff ein unerwünschtes Nebenprodukt und wird stattdessen als Kohlendioxid und Kohlenmonoxid freigesetzt, was bedeutet, dass die Reaktoren nicht dafür ausgelegt sind, Sauerstoffgas selbst zu widerstehen“, erklärt Lomax. „Daher mussten wir die ESTEC-Version neugestalten, um den Sauerstoff zur Verfügung zu haben, der gemessen werden kann.“

„Der Produktionsprozess hinterlässt ein Gemisch verschiedener Metalle“, fügt Alexandre Meurisse hinzu. „Dies ist eine weitere nützliche Forschungsrichtung, um herauszufinden, welche Legierungen am nützlichsten und für welche Anwendungen sie geeignet sind. Könnten sie zum Beispiel direkt in 3D gedruckt werden, oder müssten sie zuvor verfeinert werden?“ Die genaue Kombination der Metalle hänge davon ab, woher der Regolith auf dem Mond stammt, da es erhebliche regionale Unterschiede in der Zusammensetzung des Mondbodens geben.“

Laut den ESA-Wissenschaftlern sei nun das ultimative Ziel, eine „Pilotanlage“ zu entwerfen, die nachhaltig auf dem Mond betrieben werden kann. Die erste Technologie-Demonstration soll Mitte der 2020er Jahre stattfinden.

“Die ESA und die NASA kehren mit bemannten Missionen zum Mond zurück, diesmal mit der Absicht, dort auch zu bleiben”, erläutert Tommaso Ghidini, Leiter der Abteilung Strukturen, Mechanismen und Materialien bei der ESA. „Dementsprechend verlagern wir unseren technischen Ansatz auf eine systematische Nutzung der Mondressourcen vor Ort. Wir arbeiten mit unseren Kollegen in der europäischen Industrie und Wissenschaft zusammen, um erstklassige wissenschaftliche Ansätze und Schlüsseltechnologien wie diese bereitzustellen. Zunächst mit dem Ziel einer dauerhaften menschlichen Präsenz auf dem Mond und vielleicht eines Tages auch auf dem Mars.“

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Quelle: ESA

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