Wir könnten große Mengen Wasser vom Mond gewinnen, indem wir die Sonne auf ihn richten

Eine der am häufigsten diskutierten Herausforderungen zu Beginn der Weltraumforschungsreise unserer Spezies ist die Frage, wie wir die für das Leben notwendigen Ressourcen von der Erde befreien können. Normalerweise stellt man sich dabei zwei Dinge vor: Wasser und Sauerstoff, aber glücklicherweise kann Sauerstoff durch die Spaltung eines Wassermoleküls bereitgestellt werden, sodass die wichtigste Ressource, die wir im Weltraum finden können, Wasser ist.

Wasser, das in der Sprache der Weltraumressourcen allgemein als „flüchtig“ bezeichnet wird, steht im Mittelpunkt vieler Pläne zur In-situ-Ressourcennutzung auf dem Mond, dem Mars und anderswo. Einige dieser Pläne waren gut durchdacht, andere nicht. Eines davon erwies sich als vielversprechend, als es 2019 im Rahmen der Finanzierung durch das Institute for Advanced Concepts (NIAC) der NASA ausgewählt wurde, und hier werden wir es uns genauer ansehen.

Das Konzept, das in einem Bericht mit dem Titel „Thermal Mining of Ices on Cold Solar System Bodies“ veröffentlicht wurde, im Folgenden aber als „Thermal Mining“ bezeichnet wird, ist die Idee von George Sowers, einem Weltraumressourcenexperten und Professor für Maschinenbau an der Colorado School of Minen (CSM). Das zugrunde liegende Konzept ist überraschend einfach und jedem bekannt, der als Kind mit einer Lupe gespielt hat.

Wenn Sie mithilfe eines riesigen Spiegels oder einer anderen Technologie Sonnenlicht auf eine bestimmte Stelle richten, erwärmt sich diese Stelle. Wenn Sie einen Bereich erhitzen, der Eis enthält und dieser sich in einem Vakuum befindet, sublimiert dieses Eis zu Wasserdampf und beginnt, sich von der erhitzten Oberfläche zu lösen. Dieser Wasserdampf kann dann mit einer Kühlfalle oder einem ähnlichen Mechanismus aufgefangen und das Wasser dann für die Verwendung bei Erkundungsaktivitäten wie Trinken, Atmen oder sogar Betanken von Raketen gewonnen werden.

Die grundlegende Systemarchitektur der Thermal-Mining-Idee ist also einfach und besteht aus drei Hauptkomponenten. Der erste ist ein großer Spiegel (ein sogenannter Heliostat), der das Sonnenlicht auf einen bestimmten Bereich auf einer anderen Welt lenkt. Das zweite ist ein riesiges Zelt, das das sublimierte Wasser auffängt, und das dritte ist eine Kühlfalle/ein Transportsystem, das das Wasser auffängt, wenn es von der Oberfläche entweicht.

Nichts davon ist ein riesiger Technologiesprung – wir müssen keine ausgefallenen Technologien entwickeln, um diese drei Komponenten herzustellen. Allerdings wurden sie noch nie für diesen Zweck genutzt, daher lohnt es sich, etwas Zeit damit zu verbringen, sie zu entlasten. Genau das haben Dr. Sowers und sein Team im Rahmen ihres NIAC-Berichts getan.

Zunächst untersuchten sie potenzielle Orte, an denen das System nützlich sein könnte. Vier jenseitige Körper hatten die Nase vorn: der Mars, wo das Vorhandensein von Wassereis wiederholt nachgewiesen wurde; Ceres, wo Wasserdampfstrahlen aus seiner Oberfläche ausgestoßen werden; und zwei Asteroiden des Hauptgürtels – 24 Themis und 65 Cybele, von denen man aufgrund ihres Reflexionsvermögens annimmt, dass sie beide mit Eis bedeckt sind. Alle befinden sich im inneren Sonnensystem, was sie zu relativ einfachen Zielen für Erkundungs- und Ressourcenausbeutungsmissionen mit dieser Technik macht.

Aber der Ort, der am meisten verspricht, die Ressourcennutzung der Menschheit im Weltraum anzukurbeln, ist der Mond. Die zweite Aufgabe von Dr. Sower und seinem Team bestand darin, eine Architektur für den Einsatz in den dauerhaft beschatteten Regionen des Mondes zu entwickeln, in denen sich vermutlich ein großer Teil der 600 Milliarden kg Wasser unseres nächsten Nachbarn befindet.

Der Mond hat bei dieser thermischen Bergbautechnik einige Vorteile gegenüber Asteroiden wie 24 Themis. Einer davon ist, dass die Schwerkraft ausreicht, um das Eis mit herkömmlichen Rovern dorthin zu transportieren, wo es benötigt wird. Ein weiterer Grund ist das Fehlen einer Atmosphäre, die die Wirksamkeit der Übertragung solarthermischer Energie zum Bergbaustandort beeinträchtigen könnte. Aber es ist auch einfach viel näher.

Seine Nähe ändert jedoch nichts an der Gesamtarchitektur – die drei Hauptkomponenten sind immer noch notwendig, egal wo sich der Bergbaustandort befindet. Daher bestand die dritte Aufgabe für Dr. Sowers Team darin, einige Proof-of-Concept-Tests der von ihnen entwickelten Architektur durchzuführen.

Sie sammelten Mond-Regolith-Simulanz und manuell gehobelte Eissplitter, die sie dann zu Kugeln formten und in den Regolith mischten. Sie gaben eine Version dieser Mischung mit unterschiedlichen Eiskonzentrationen in eine Vakuumkammer, die durch ein Bad mit flüssigem Stickstoff gekühlt wurde. Als nächstes setzten sie eine Wärmequelle aus einer Lampe ein, die umgeleitetes Sonnenlicht nachahmen sollte, maßen den resultierenden Gewichtsverlust der Probe und berechneten daraus, wie viel Wasser sublimiert war.

Bei der Durchführung dieser Experimente stießen sie auf zwei interessante Probleme – eines hatte mit ihrem Testaufbau zu tun, ein anderes könnte jedoch den tatsächlichen Einsatz auf dem Mond behindern.

Der Testaufbau von CSM war relativ klein, da sich das Kühlsystem mit flüssigem Stickstoff relativ nahe an der Probe befand, die sublimieren sollte. Daher erhitzte ein Großteil der Wärme der Lampe, die eigentlich die Probe erhitzen sollte, stattdessen den flüssigen Stickstoff, der wie ein Kühlkörper wirkte. Auf dem Mond würde dies nicht passieren, da der gesamte Körper so kalt ist, dass sich unter Ihrer Probe kein wärmeleitendes Material befindet, das den größten Teil der zur Erwärmung des Wassers vorgesehenen Energie absorbieren würde. Aus diesem Grund baut CSM eine größere Testkammer, um die Auswirkungen dieses Problems auf ihre Experimente zu begrenzen.

Das andere Problem ist jedoch heikler: Durch die thermische Abbaumethode entstand nach relativ kurzer Zeit eine ausgetrocknete Schicht auf dem Regolith, die als thermische Barriere für Wasser fungiert, das sich möglicherweise weiter unten ansammelt. Es gelangt nicht nur weniger Wärme in die unteren Schichten des Regoliths, sondern die ausgetrocknete Schicht wird auch praktisch zu einer Dampfsperre geschmolzen, was es dem Wasser nahezu unmöglich macht, in das Zelt zu sublimieren und sich in den Kühlfallen zu sammeln.

Solche Schwierigkeiten sind sicherlich nicht unüberwindbar, und einer der wohl wichtigsten Aspekte des Berichts zeigt, warum sie tatsächlich nicht überwunden werden können – der Business Case. Das Team von Dr. Sower schätzt, dass sich die Gesamtentwicklungskosten für einen thermischen Bergbaubetrieb angemessener Größe in den PSRs des Mondes auf etwa 800 Millionen US-Dollar belaufen, zuzüglich 613 Millionen US-Dollar an Produktkosten. Es würde auch Betriebskosten von etwa 80 Millionen US-Dollar pro Jahr beinhalten.

Diese Kosten bringen einige ziemlich erhebliche Vorteile mit sich – insbesondere, wenn dadurch die Kosten für den Transport von Wasser von der Erde zu einem frühen Mondausgang eingespart werden. Nach den Berechnungen des Berichts würde die interne Rendite (IRR – ein Maß dafür, wie profitabel ein Projekt ist) schätzungsweise 8 % betragen, wenn die Netzbetreiber ausschließlich an kommerzielle Quellen verkaufen würden (d. h. an solche, die versuchen, andere wirtschaftliche Aktivitäten durchzuführen). Auf dem Mond). Das ist etwas weniger, als viele Finanziers als Investment Grade bezeichnen würden, insbesondere bei einem zugegebenermaßen riskanten Projekt. Nehmen wir jedoch an, dass die NASA oder andere nationale Raumfahrtagenturen Kunden werden, um ihre Mondoperationen zu unterstützen. In diesem Fall steigt der interne Zinsfuß auf etwa 16 % und liegt damit deutlich näher am Bereich, der für Finanziers von Interesse sein könnte.

Dr. Sowers räumt ein, dass der Geschäftsfall einer der riskantesten Teile des Gesamtvorschlags ist, da er eine Nachfrage erfordert, die derzeit nicht besteht, da es nur wenige bis gar keine Mondoperationen gibt, die Wasser benötigen. Mit den Artemis-Missionen der NASA wird sich das im nächsten Jahrzehnt sicherlich ändern, aber es ist unklar, ob dadurch genügend Nachfrage entstehen würde, um die Technologie wirtschaftlich rentabel zu machen.

Auch andere Risiken bestehen, darunter die Ungewissheit über die Gesamtmenge und den Standort des Wassers auf dem Mond. Zweifellos gibt es welche in den PSRs, aber es könnte sein, dass es nicht genug in der Nähe der Oberfläche gibt, wo es durch thermischen Abbau gesammelt werden kann, um eine langfristige menschliche Besiedlung zu ermöglichen, und Wasser und andere „flüchtige Stoffe“ müssen verschifft werden von Ceres oder anderswo im Asteroidengürtel. Wenn dies der Fall ist, gibt es immer noch ein Argument dafür, dass die zugrunde liegende Thermal-Mining-Technik nützlich sein könnte – sie ist jedoch möglicherweise nicht rentabel.

Derzeit befindet sich das gesamte System nur in der Planungsphase, und es scheint nicht, dass die Technologie einen Phase-II-NIAC erhalten hat, und es ist unklar, welche Fortschritte in den letzten Jahren erzielt wurden. Die Technologie wurde jedoch patentiert und CSM bietet sie auf seiner Technologietransfer-Website zur Lizenzierung an. Und je weiter die Technologie voranschreitet, desto attraktiver wird die Idee, den Mond abzubauen. Es besteht also eine gute Chance, dass diese Technologie irgendwann zum Tragen kommt, auch wenn es eine Weile dauern könnte.