Mondressourcen

Sonnenenergie, Sauerstoff und Metalle sind auf dem Mond reichlich vorhanden. Elemente, von denen bekannt ist, dass sie auf der Mondoberfläche vorhanden sind, umfassen unter anderem Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Silizium (Si), Eisen (Fe), Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Aluminium (Al), Mangan (Mn) und Titan (Ti). Zu den reicheren gehören Sauerstoff, Eisen und Silizium. Der atomare Sauerstoffgehalt im Regolith wird auf 45 Gew.-% geschätzt.

Solar Powerdit

Das Tageslicht auf dem Mond dauert ungefähr zwei Wochen, gefolgt von ungefähr zwei Wochen Nacht, während beide Mondpole fast ständig beleuchtet werden. Der Südpol des Mondes weist eine Region mit Kraterrändern auf, die nahezu konstanter Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind, Das Innere der Krater ist jedoch dauerhaft vor Sonnenlicht geschützt, und behalten erhebliche Mengen an Wassereis in ihrem Inneren. Durch die Lokalisierung einer Mondressourcenverarbeitungsanlage 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 mit den Fähigkeiten zum Erhitzen des Regoliths, zum Verdampfen der geeigneten Halbleitermaterialien für die Solarzellenstruktur direkt auf dem Regolithsubstrat und zum Abscheiden von metallischen Kontakten und Verbindungen hergestellt werden, um eine komplette Solarzellenanordnung direkt auf dem Boden fertigzustellen.

Das Kernspaltungssystem Kilopower wird für eine zuverlässige Stromerzeugung entwickelt, die langfristige bemannte Stützpunkte auf dem Mond, dem Mars und darüber hinaus ermöglichen könnte. Dieses System ist ideal für Standorte auf dem Mond und Mars, an denen die Stromerzeugung aus Sonnenlicht intermittierend ist.

OxygenEdit

Der Gehalt an elementarem Sauerstoff im Regolith wird auf 45 Gew.-% geschätzt. Sauerstoff kommt häufig in eisenreichen Mondmineralien und Gläsern als Eisenoxid vor. Es wurden mindestens zwanzig verschiedene mögliche Verfahren zur Gewinnung von Sauerstoff aus Mondregolith beschrieben, die alle einen hohen Energieeinsatz erfordern: zwischen 2-4 Megawattjahren Energie (d. H. 6-12 × 1013 J), um 1.000 Tonnen Sauerstoff zu produzieren. Während die Sauerstoffextraktion aus Metalloxiden auch nützliche Metalle erzeugt, ist die Verwendung von Wasser als Ausgangsmaterial nicht der Fall.

WaterEdit

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Bilder des LCROSS-Orbiters, der den Südpol des Mondes fliegt, zeigen Bereiche mit permanentem Schatten.

Das Bild zeigt die Verteilung des Oberflächeneises am Südpol des Mondes (links) und am Nordpol (rechts), betrachtet vom NASA-Spektrometer Moon Mineralogy Mapper (M3) an Bord des indischen Orbiters Chandrayaan-1

Kumulative Beweise von mehreren Orbitern deuten stark darauf hin, dass Wassereis auf der Oberfläche an den Mondpolen vorhanden ist, vor allem aber am Südpol. Ergebnisse aus diesen Datensätzen sind jedoch nicht immer korreliert. Es wurde festgestellt, dass die kumulierte Fläche der permanent beschatteten Mondoberfläche 13.361 km2 in der nördlichen Hemisphäre und 17.698 km2 in der südlichen Hemisphäre beträgt, was einer Gesamtfläche von 31.059 km2 entspricht. Das Ausmaß, in dem einige oder alle dieser permanent verschatteten Bereiche Wassereis und andere flüchtige Stoffe enthalten, ist derzeit nicht bekannt, Daher sind weitere Daten über Mondeisablagerungen erforderlich, seine Verteilung, Konzentration, Menge, Anordnung, Tiefe, geotechnische Eigenschaften und andere Merkmale, die für die Planung und Entwicklung von Extraktions- und Verarbeitungssystemen erforderlich sind. Der absichtliche Einschlag des LCROSS-Orbiters in den Cabeus-Krater wurde überwacht, um die resultierende Trümmerfahne zu analysieren, und es wurde der Schluss gezogen, dass das Wassereis in Form von kleinen (< ~ 10 cm), diskreten Eisstücken vorliegen muss, die im gesamten Regolith verteilt sind, oder als dünne Beschichtung auf Eiskörnern. Dies, gepaart mit monostatischen Radarbeobachtungen, legen nahe, dass das Wassereis, das in den permanent verschatteten Regionen der Mondpolkrater vorhanden ist, wahrscheinlich nicht in Form von dicken, reinen Eisablagerungen vorliegt.

Wasser kann dem Mond über geologische Zeitskalen durch den regelmäßigen Beschuss von wasserführenden Kometen, Asteroiden und Meteoroiden zugeführt worden sein oder kontinuierlich in situ durch die Wasserstoffionen (Protonen) des Sonnenwinds erzeugt worden sein, die auf sauerstoffhaltige Mineralien einwirken.

Der Südpol des Mondes weist eine Region mit Kraterrändern auf, die nahezu konstanter Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind, wo das Innere der Krater permanent vor Sonnenlicht geschützt ist, was ein natürliches Einfangen und Sammeln von Wassereis ermöglicht, das in Zukunft abgebaut werden könnte.

Wassermoleküle (H
2O) können in ihre Elemente Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden und bilden molekularen Wasserstoff (H
2) und molekularen Sauerstoff (O
2), um als Raketentreibstoff verwendet zu werden oder Verbindungen für metallurgische und chemische Produktionsprozesse herzustellen. Allein die Produktion von Treibmittel, die von einem gemeinsamen Gremium aus Industrie-, Regierungs- und akademischen Experten geschätzt wurde, identifizierte einen kurzfristigen jährlichen Bedarf von 450 Tonnen Treibmittel aus dem Mond, was 2.450 Tonnen verarbeitetem Mondwasser entspricht und jährlich einen Umsatz von 2,4 Milliarden US-Dollar generiert.

HydrogenEdit

Der Sonnenwind implantiert Protonen auf dem Regolith und bildet ein protoniertes Atom, das eine chemische Verbindung von Wasserstoff (H) ist. Obwohl gebundener Wasserstoff reichlich vorhanden ist, bleibt die Frage, wie viel davon in den Untergrund diffundiert, in den Weltraum entweicht oder in Kühlfallen diffundiert. Wasserstoff würde für die Treibstoffproduktion benötigt, und es hat eine Vielzahl von industriellen Anwendungen. Beispielsweise kann Wasserstoff zur Herstellung von Sauerstoff durch Wasserstoffreduktion von Ilmenit verwendet werden.

Metallbearbeiten

Eisenbearbeiten

Eisen (Fe) ist in allen Stutenbasalten reichlich vorhanden (~ 14-17% pro Gewicht), wird jedoch hauptsächlich in Silikatmineralien (d. h. pyroxen und Olivin) und in das Oxidmineral Ilmenit im Tiefland. Die Extraktion wäre ziemlich energieintensiv, aber einige prominente magnetische Anomalien des Mondes werden als auf überlebende Fe-reiche Meteoritentrümmer zurückzuführen vermutet. Nur eine weitere Exploration in situ wird bestimmen, ob diese Interpretation korrekt ist und wie ausbeutbar solche meteoritischen Trümmer sein können.

Freies Eisen gibt es auch im Regolith (0,5 Gew.-%), der natürlich mit Nickel und Kobalt legiert ist, und es kann nach dem Mahlen leicht durch einfache Magnete extrahiert werden. Dieser Eisenstaub kann unter Verwendung pulvermetallurgischer Techniken wie additive Fertigung, 3D-Druck, selektives Lasersintern (SLS), selektives Laserschmelzen (SLM) und Elektronenstrahlschmelzen (EBM) zu Teilen verarbeitet werden.

TitaniumEdit

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 im Mineral Ilmenit (FeTiO3) im Bereich von 5-8 Gew.-% vor. Ilmenitmineralien 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 riesigen Flutbasalte auf der Nordwestseite (Mare Tranquillitatis) besitzen einige der höchsten Titangehalte auf dem Mond und beherbergen 10-mal so viel Titan wie Gesteine auf der Erde.

AluminiumEdit

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

Silikonbearbeiten

Foto von einem Stück gereinigtem Silizium

Silizium (Si) ist ein reichlich vorhandenes Metalloid in allen Mondmaterialien mit einer Konzentration von etwa 20 Gew.-%. Es ist von enormer Bedeutung, Solarpanel-Arrays für die Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität sowie Glas, Glasfaser und eine Vielzahl nützlicher Keramiken herzustellen. Das Erreichen einer sehr hohen Reinheit für die Verwendung als Halbleiter wäre eine Herausforderung, insbesondere in der Mondumgebung.

Calciumbearbeiten

Anorthitkristalle in einem Basalt-Vug aus Vesuv, Italien (Größe: 6,9 × 4,1 × 3,8 cm)

Calcium (Ca) ist das vierthäufigste Element im Mondhochland und in Anorthitmineralien enthalten (Formel CaAl
2Si
2O
8). Calciumoxide und Calciumsilikate sind nicht nur für Keramiken nützlich, sondern reines Calciummetall ist flexibel und ein ausgezeichneter elektrischer Leiter in Abwesenheit von Sauerstoff. Anorthit ist selten auf der Erde, aber reichlich auf dem Mond.

Calcium kann auch zur Herstellung von Solarzellen auf Siliziumbasis verwendet werden, die nur Silizium, Eisen, Titanoxid, Calcium und Aluminium erfordern.

MagnesiumEdit

Magnesium (Mg) ist in Magmen und in den Mondmineralien Pyroxen und Olivin vorhanden, daher wird vermutet, dass Magnesium in der unteren Mondkruste häufiger vorkommt. Magnesium hat mehrere Verwendungen als Legierungen für Luft- und Raumfahrt, Automobil und Elektronik.

Seltenerdelementebearbeiten

Seltenerdelemente werden zur Herstellung von Elektro- oder Hybridfahrzeugen, Windkraftanlagen, elektronischen Geräten und sauberen Energietechnologien verwendet. Trotz ihres Namens sind Seltenerdelemente – mit Ausnahme von Promethium – in der Erdkruste relativ reichlich vorhanden. Jedoch wegen ihrer geochemischen Eigenschaften werden Seltenerdelemente gewöhnlich zerstreut und nicht häufig konzentriert in Seltenerdmineralien gefunden; infolgedessen sind wirtschaftlich ausnutzbare Erzvorkommen weniger allgemein. Große Reserven gibt es in China, Kalifornien, Indien, Brasilien, Australien, Südafrika und Malaysia, aber China macht über 95% der weltweiten Produktion von Seltenen Erden aus. (Siehe: Seltene Erden-Industrie in China.)

Obwohl aktuelle Hinweise darauf hindeuten, dass Seltenerdelemente auf dem Mond weniger häufig vorkommen als auf der Erde, betrachtet die NASA den Abbau von Seltenerdmineralien als eine lebensfähige Mondressource, da sie eine breite Palette industriell wichtiger optischer, elektrischer, magnetischer und katalytischer Eigenschaften aufweisen.

Helium-3bearbeiten

Nach einer Schätzung hat der Sonnenwind mehr als 1 Million Tonnen Helium-3 (3He) auf der Mondoberfläche abgelagert. Materialien auf der Mondoberfläche enthalten Helium-3 in Konzentrationen, die in sonnenbeschienenen Gebieten zwischen 1,4 und 15 ppb (Parts per Billion) geschätzt werden, und können in permanent beschatteten Regionen Konzentrationen von bis zu 50 ppb enthalten. Zum Vergleich: Helium-3 in der Erdatmosphäre kommt mit 7,2 Teilen pro Billion (ppt) vor.

Eine Reihe von Menschen haben seit 1986 vorgeschlagen, den Mondregolith zu nutzen und das Helium-3 für die Kernfusion zu verwenden, obwohl seit 2020 funktionierende experimentelle Kernfusionsreaktoren seit Jahrzehnten existieren – keiner von ihnen hat bisher kommerziell Strom geliefert. Aufgrund der geringen Konzentrationen von Helium-3 müsste jede Bergbauausrüstung extrem große Mengen Regolith verarbeiten. Nach einer Schätzung müssen über 150 Tonnen Regolith verarbeitet werden, um 1 Gramm (0,035 Unzen) Helium 3 zu erhalten. China hat mit dem chinesischen Monderkundungsprogramm zur Erforschung des Mondes begonnen und untersucht die Aussicht auf einen Mondabbau, insbesondere auf der Suche nach dem Isotop Helium-3 zur Verwendung als Energiequelle auf der Erde. Nicht alle Autoren halten die extraterrestrische Extraktion von Helium-3 für machbar, und selbst wenn es möglich wäre, Helium-3 aus dem Mond zu extrahieren, hat kein Fusionsreaktor-Design mehr Fusionsleistung erzeugt als die elektrische Leistungsaufnahme, was den Zweck zunichte macht. Ein weiterer Nachteil ist, dass es sich um eine begrenzte Ressource handelt, die nach dem Abbau erschöpft sein kann.

Kohlenstoff und Stickstoffbearbeiten

Kohlenstoff (C) wäre für die Herstellung von Mondstahl erforderlich, aber er ist im Mondregolith in Spurenmengen (82 ppm) vorhanden, die durch den Sonnenwind und Mikrometeorit-Einschläge verursacht werden.

Stickstoff (N) wurde aus Bodenproben gemessen, die auf die Erde zurückgebracht wurden, und er liegt in Spuren bei weniger als 5 ppm vor. Es wurde als Isotope 14N gefunden, 15N, und 16N. Kohlenstoff und fester Stickstoff würden für landwirtschaftliche Aktivitäten in einer versiegelten Biosphäre benötigt.

Regolith für den Baubearbeiten

Die Entwicklung einer Mondwirtschaft wird eine beträchtliche Menge an Infrastruktur auf der Mondoberfläche erfordern, die stark von In-situ-Ressourcennutzungstechnologien (ISRU) abhängen wird. Eine der Hauptanforderungen besteht darin, Baumaterialien für den Bau von Lebensräumen, Lagerplätzen, Landeplätzen, Straßen und anderer Infrastruktur bereitzustellen. Unverarbeiteter Mondboden, auch Regolith genannt, kann durch Techniken wie Sintern, Heißpressen, Verflüssigung, das Gussbasaltverfahren und 3D-Druck in brauchbare Strukturkomponenten umgewandelt werden. Glas und Glasfaser lassen sich auf dem Mond problemlos verarbeiten, und es wurde festgestellt, dass die Materialstärken von Regolith durch die Verwendung von Glasfasern wie 70% Basaltglasfasern und 30% PETG-Mischungen drastisch verbessert werden können. Erfolgreiche Tests wurden auf der Erde mit einigen Mondregolith-Simulatoren durchgeführt, darunter MLS-1 und MLS-2.

Der Mondboden kann, obwohl er für mechanisch bewegliche Teile ein Problem darstellt, beim Bau von Teleskopspiegeln mit einem Durchmesser von bis zu 50 Metern mit Kohlenstoffnanoröhren und Epoxiden gemischt werden. Mehrere Krater in der Nähe der Pole sind permanent dunkel und kalt, eine günstige Umgebung für Infrarotteleskope.

Einige Vorschläge schlagen vor, eine Mondbasis auf der Oberfläche mit Modulen zu bauen, die von der Erde gebracht wurden, und sie mit Mondboden zu bedecken. Der Mondboden besteht aus einer Mischung von Kieselsäure und eisenhaltigen Verbindungen, die unter Verwendung von Mikrowellenstrahlung zu einem glasartigen Feststoff verschmolzen werden können.

Die Europäische Weltraumorganisation hat 2013 mit einem unabhängigen Architekturbüro eine 3D-gedruckte Struktur getestet, die aus Mondregolith für die Verwendung als Mondbasis konstruiert werden könnte. 3D-gedruckter Mondboden würde sowohl „Strahlung als auch Temperaturisolierung“ bieten. Im Inneren wäre ein leichtes, unter Druck stehendes Schlauchboot mit der gleichen Kuppelform die Lebensumgebung für die ersten menschlichen Mondsiedler.“

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