Der Mond – Der neue autarke Hafen der Menschheit

Der Mond fasziniert die Menschen seit jeher. Unzählige Legenden weltweit ranken sich um ihn. Jules Verne hat schon 1873 die Reise dahin literarisch vorweggenommen. Mittlerweile ist er nicht mehr als Endziel, vielmehr als neuer Startpunkt für weitere Missionen im All vorgesehen. Doch was brauchen wir noch, damit das klappt?

Menschen waren zuletzt 1972 auf dem Mond bei der Apollo 17 Mission. Heute, 50 Jahre später, steht die bemannte Mondexploration im Fokus. Durch seine deutlich geringere Masse und damit niedrigere Schwerkraft, ist er als Startpunkt für weitere Missionen im Weltall, z.B. zum Mars, gut geeignet. Damit ist es aber notwendig auf dem Erdtrabanten weitgehend autark agieren zu können. Das kann gelingen, wenn lokale Ressourcen vor Ort auf dem Mond verarbeitet und genutzt werden. Mit In Situ Resource Utilization (ISRU) wird die Nutzung von den dort vorhandenen Materialien wie dem Eis zur Sauerstofferzeugung und dem Mondstaub (Regolith) u.a. als Baumaterial für den Schutz vor Strahlung bezeichnet. Damit kann die launch Masse erheblich reduziert und die Reichweite erhöht werden. Parallel dazu soll die In Situ Manufacturing (ISM) genannte Produktion diverser Ausstattung direkt auf dem Mond erzeugen. Dazu gehören Habitat-Strukturen, Werkzeuge, Ersatzteile, etc. Damit werden die Flexibilität und die logistische Resilienz der Missionen massiv erhöht.

Der Mond ist auch im Fokus der Aktivitäten bei der Europäischen Raumfahrt Behörde ESA. Moon Village, eine bemannte Mondbasis, ist ein erklärtes Ziel für dieses Jahrzehnt. Für Erprobungs- und Trainingszwecken ist das neue Areal LUNA Space auf dem ESA Gelände in Köln entstanden.

Die additive Fertigung ist eine der Schlüsseltechnologien für die lokale Ressourcennutzung und die lokale Produktion. Sie erlaubt eine hohe Vielfalt an Bauteilgeometrien und sehr effiziente Materialnutzung. Es wurden bereits 3D-Drucker für den Einsatz auf der internationalen Raumstation ISS entwickelt, um die additive Fertigung in der Schwerelosigkeit zu erforschen und zu erproben. Ziel ist, diese Technologie für die Herstellung von Ersatzteilen und Werkzeugen einzusetzen. Bisher handelt es sich um polymere Materialien, die durch Filamentextrusion (Fused Filament Fabrication, FFF) zu dreidimensionalen Objekten verarbeitet werden. Zunächst wurde das zu druckende Material von der Erde mitgebracht. Die Kosten für das Senden von 1 kg zur ISS legen derzeit bei ca. 10.000 Euro. Für Transporte zum Mond ist mit deutlich höheren Aufwänden zu rechnen. Daher erweist es sich als sinnvoll, lokal auf dem Mond vorhandenen Materialien wie Regolith und vor Ort vorhandene mitgebrachte und nicht mehr benötigte Kunststoffe, z.B. aus den Verpackungen für die Experimente zu verwenden.

Bisher werden Kunststoffabfälle auf der ISS gesammelt, kompaktiert und zur Erde zurückgeschickt, wo sie beim Eintritt in die Erdatmosphäre verglühen. Für Forschungszwecke wird der Mondstaub Regolith in Bezug auf die chemische Zusammensetzung und Partikelgröße nachgestellt. In Europa wird meist das EAC-1 Regolith Simulant basierend auf Gestein aus der Eifel verwendet.

Regolith eignet sich grundsätzlich als Verstärkung für die polymeren Werkstoffe, so dass sie auch als Metallersatz in Frage kämen. Es ist aber auch als Baumaterial sehr interessant. Dabei hat das Polymer die Rolle des Binders.

Das Labor für Werkstoffe an der TH Köln am Campus Gummersbach entwickelt zusammen mit dem Austronautenzentrum ESA EAC in Köln neue Verbundwerkstoffe sowie die entsprechende Prozessführung beim 3D-Druck basierend auf recycelten Kunststoffabfällen und Mondstaub für die additive Fertigung auf dem Mond. Für gute Eigenschaften ist die gleichmäßige Verteilung des Regoliths im Polymer entscheidend. Grundsätzlich geeignet für das Mischen sind Doppelschneckenextruder. Um das benötigte Equipment auf dem Mond aber einfacher und gleichzeitig vielseitiger zu halten, wird angestrebt, einen Einschneckenextruder dafür einzusetzen, der nicht nur ausformen, sondern auch mischen soll.

Die Herausforderung besteht darin, homogene Composits mit möglichst hohem Füllgrad zu realisieren. Insbesondere für die Anwendung im Baubereich ist hoher Regolithanteil wünschenswert. Aber auch um grundsätzlich den Polymerteil niedriger zu halten, da die Kunststoffe nach wie vor von der Erde mitzubringen sind. Und auch wenn sie recycelt werden, so ist einerseits die vorhandene Menge begrenzt und andererseits sinkt mit jedem Recycling-Zyklus das Eigenschaftsniveau ab. Vielleicht gelingt es in der Zukunft auch Polymere aus den organischen Abfällen der Astronauten vor Ort herzustellen. Dies wäre ein weiterer großer Schritt für den Mond als autarke Basis für die weitere Weltraumexploration.