Luft aus Mondgestein: ESA testet „Sauerstofffabrik“

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Die Errichtung einer permanenten Mondbasis ist bislang noch ein ferner Traum. Die europäische Raumfahrtagentur ESA ist nun aber der Verwirklichung einen Schritt näher gekommen: Forscher haben eine Methode entwickelt, mit der sie aus Mondgestein Sauerstoff gewinnen können.

„ESA und NASA kehren mit bemannten Missionen zum Mond zurück, diesmal mit der Absicht zu bleiben“, sagt Tommaso Ghidini, Leiter der ESA-Abteilung für Strukturen, Mechanismen und Materialien. Sowohl die Raumfahrtorganisation NASA als auch ihr europäisches Pendant ESA verfolgen derzeit eifrig Konzepte, nach denen auf dem Erdtrabanten eine dauerhafte Mondstation errichtet werden könnte. Doch damit eine solche Mondbasis eine Überlebenschance hat, müssen einige Versorgungsprobleme gelöst werden: Wollen Menschen längere Zeit auf dem Mond bleiben, brauchen Sie schließlich Strom, Lebensmittel, Material – und vor allem Luft zum Atmen.

Eine Möglichkeit, Sauerstoff auf dem Mond – oder auch auf dem Mars – zu gewinnen, bestünde aus der Elektrolyse von Wasser, weswegen verschiedene NASA- und ESA-Sonden bereits seit Jahrzehnten nach lunarem Eis suchen. Forscher des European Space Research and Technology Centre, ESTEC im niederländischen Noordwijk haben sich aber einem anderen Material zugewandt, dass zur Sauerstoff-Gewinnung dienen könnte und auf dem Mond reichlich vorhanden ist: Das Mondgestein Regolith.

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Gebundenen Sauerstoff aus dem Gestein ziehen

Mit Rigolith ist generell nicht-irdisches Lockermaterial gemeint. Die Oberfläche des Mondes ist von einer teilweise mehrere Meter tiefen Schicht an Gesteinstaub überzogen. Dieser Mond-Regolith enthält zwischen 40-45% Sauerstoff, der in Chemisch gebundener Form wie Eisenoxid (Rost) oder Siliziumdioxid (Glas) vorliegt.

In einer Laboranlage, dem Prototypen einer möglichen lunaren „Sauerstofffabrik“, haben Forscher der ESA und der University of Glasgow ein Verfahren entwickelt, mit dem es möglich sein soll, im großen Stil Sauerstoff aus dem Mondgestein zu gewinnen. Das Verfahren ist eine Abwandlung der sogenannten Schmelzflusselektrolyse, dass für gewöhnlich zur Gewinnung von Metall aus Erzen eingesetzt wird.

„Der bei diesem Prozess entstehende Sauerstoff ist ein unerwünschtes Nebenprodukt und wird als Kohlenmonoxid oder CO₂ freigesetzt“, erklärt Beth Lomax von der University of Glasgow, einer der an dem Projekt arbeitenden Doktorandin. Darum war das Hauptziel der Forscher, das entstehende Gas aufzufangen, ohne dass es mit Kohlenstoff oder sonstigen Mineralien und Gasen reagiert.

In der am ESTEC verfeinerten Methode wird das Regolith in einem Metallkorb zunächst mit geschmolzenem Kalziumchlorid versetzt und anschließend auf 950°C erhitzt. Dabei bleibt das Mondgestein in einem festen Zustand. Wird nun an den Metallkorb ein Strom angesetzt, wird dem Regolith der Sauerstoff entzogen. Der Sauerstoff „wandert“ durch das geschmolzene Salz und kann an einer angelegten Anode aus Zinnoxid (SnO₂) gesammelt werden.

Da Mondgestein auf der Erde nur in geringen Mengen in Forschungslaboren einzelner Raumfahrtbehörden vorhanden ist, verwendeten die Forscher für ihre Tests sogenannten Tuff. Dieser enthält eine vergleichbare Menge an gebundenem Sauerstoff, was ihn für Laborzwecke als „simuliertes“ Mondgestein eignet . Für ihren Labor-Prototypen setzten die Wissenschaftler zwei Tage lang eine Stromstärke von 4 Ampere an ihrem Versuchsaufbau an.

Verwertbares Metall als Nebenprodukt

Die Forscher geben an, dass sie mit der Methode aus dem Regolith innerhalb von 15 Stunden etwa 34% seines Gewichts an Sauerstoff (bzw. 75% seines Sauerstoffanteils) gewinnen können. Theoretisch seien bis zu 96% möglich (was 42% Gewichtsprozent entsprächen), was aber mit deutlich mehr Energieaufwand verbunden und damit weniger wirtschaftlich sei.

Als „Abfallprodukt“ bleiben an der Kathode die nun ungebundenen Metalle aus dem Regolith zurück, die in nutzbares Material weiterverarbeitet werden können. „Wir wollen herausfinden, welche nutzbaren Legierungen sich damit herstellen lassen und für welche Anwendungen sie geeignet wären“, erklärt Alexandre Meurisse von der ESA. Die genaue Kombination der entstehenden Metalle wird jedoch auch davon abhängen, wo auf dem Mond die „Fabrik“ später steht – denn der Regolith ist regional leicht unterschiedlich zusammengesetzt.

Derzeit habe man das Experiment nur in kleinen Größen mit Gesteinsmengen von nicht mehr als 30 Gramm unternommen. Die ESA plant allerdings, den Prozess hochzuskalieren: Bis zur Mitte des Jahrzehnts soll auf Basis des Prototypen eine Pilotanlage entstehen, die auch auf dem Mond oder auf Asteroiden genutzt werden und Sauerstoff in Größenordungen von mehreren Tonnen produzieren kann. Der dafür nötige Strom ließe sich durch Solarzellen gewinnen.

„Sauerstoff aus den Ressourcen vor Ort zu gewinnen, wäre natürlich enorm vorteilhaft für zukünftige Bewohner einer Mondstation, sowohl für das Atmen als auch für die lokale Herstellung von Raketentreibstoff,“ meint Lomax.

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