Forscher entwickeln Testumgebung zur Trennung wertvoller Materialien auf dem Mond

Oft ist es besser, Technologien erst auf der Erde zu entwickeln, bevor sie im Weltraum eingesetzt werden. Das gilt umso mehr, wenn diese Technologie Teil der kritischen Infrastruktur ist, die Astronauten auf dem Mond am Leben hält.

Da diese Infrastruktur zweifellos vor Ort vorhandene Ressourcen nutzen wird (die sogenannte In-situ-Ressourcennutzung, ISRU), ist die Entwicklung von Testumgebungen hier auf der Erde für diese ISRU-Prozesse von entscheidender Bedeutung, um die Risiken dieser Technologien zu verringern, bevor sie bei einer Mission eingesetzt werden.

Das ist der Plan für einen Teststand, den Forscher am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Bremen entworfen haben – sie haben ihn entworfen, um die Qualität der Gewinnung von Wasser und Sauerstoff aus dem Mondregolith zu verbessern. Leider, wie ihre Arbeit in einem aktuelles Papier veröffentlicht in Grenzen der Weltraumtechnologien zeigt, wird dies eine Herausforderung sein.

Wasser und Sauerstoff sind zwei entscheidende Bestandteile jedes langfristigen Mondforschungsplans. Eine der besten Quellen dafür auf dem Mond, abgesehen von Wassereis, das möglicherweise nur an bestimmten Orten verfügbar ist, ist ein Mineral namens Ilmenit. Ilmenit ist eine Kombination aus Eisen, Titan und Sauerstoff – FeTiO3. Es ist außerdem das am leichtesten zugängliche Material, das sich durch eine relativ energiearme chemische Reaktion mit elementarem Wasserstoff als Ausgangsstoff in seine Einzelteile zerlegen lässt.

Nach der Reduktion von Ilmenit mit Wasserstoff sind die resultierenden Elemente Eisen (nützlich für Baumaterialien), Titandioxid (nützlich für optische Beschichtungen) und Wasser (nützlich für viele Dinge). Ein weiterer Schritt könnte das Wasser zu Sauerstoff (wiederum nützlich für viele Dinge, einschließlich der Atmung) und Wasserstoff reduzieren, die für die folgende Verarbeitungsrunde wieder in das Rohstoffsystem zurückgeführt werden können. Wenn Sie also Ilmenit haben, haben Sie letztendlich Zugriff auf billige Baumaterialien, Raketentreibstoff und Atemgas.

Leider ist Ilmenit auf der Mondoberfläche nicht besonders häufig. Während es in den Mare-Regionen einigermaßen reichlich vorhanden ist, ist es in den Hochebenen, wo die ersten dauerhaften Mondaußenposten geplant sind, viel weniger vorhanden. Forscher werden also eine technologische Lösung benötigen, um mehr Ilmenit zu finden – oder es zumindest auf ein Niveau zu konzentrieren, bei dem der Reduktionsprozess energieeffizient wäre.

Hier kommt die Aufbereitung ins Spiel. Dabei werden wertvolle Materialien wie Ilmenit von der „Spreu“ getrennt, aus der der größte Teil des Mondregoliths besteht – der am leichtesten zugänglichen Ressource auf dem Mond.

Da kein leicht verfügbarer Mondregolith zur Verfügung stand, verwendeten die Forscher ein Regolith-Simulant, um ihren Teststand auf Herz und Nieren zu prüfen. Dieser Teststand besteht aus drei Maschinen für drei Hauptprozesse: Gravitations-, Magnet- und elektrostatische Aufbereitung, und in der Arbeit wird auf jeden dieser Prozesse detailliert eingegangen.

Vor den Tests wurden die Regolith-Simulanten über 48 Stunden lang bei einer Temperatur von 80 °C getrocknet. Anschließend wurden sie in einem versiegelten Behälter gelagert, um zu verhindern, dass zusätzliche Feuchtigkeit in das System eindringt.

Beim Schwerkraftverfahren kommen bei jedem Testlauf 300 g getrocknetes Simulant über einen Zuführapparat und ein Sieb zum Einsatz, das Partikel mit einer Größe von über 200 Mikrometern aussortiert. Untersuchungen von Proben, die von den Apollo-Astronauten gesammelt wurden, zeigten, dass die meisten Ilmenitkörner zwischen 45 und 75 Mikrometer groß waren, sodass der Großteil des Ilmenits diese Phase überstehen sollte. Gleichzeitig werden größere Partikel aussortiert, die die Leistung des restlichen Systems beeinträchtigen könnten.

Als nächstes kommt der Magnetabscheider – Ilmenit ist aufgrund seines Eisengehalts schwach magnetisch und kann daher von nicht magnetischem Material ähnlicher Dichte getrennt werden, indem es einem Magnetfeld ausgesetzt wird. Das Magnetfeld ist so ausgerichtet, dass es die Ilmenitpartikel beim Fallen aus ihrer geraden Linie drückt und sie in einen anderen Trichter lenkt. Nicht magnetische Materialien ähnlicher Größe fallen direkt nach unten und werden vom System herausgefiltert.

Schließlich werden die verbleibenden magnetischen Partikel mithilfe eines elektrostatischen Parallelplattenabscheiders massiven elektrischen Feldern ausgesetzt. Diese Geräte werden typischerweise in der Öl- und Gasindustrie eingesetzt und erzeugen ein gigantisches elektrisches Feld, das einige Partikel in der Schwebe hält, ihren Fall verlangsamt und es ermöglicht, Materialien mit bestimmten elektrischen Eigenschaften auszusortieren. Die Charakterisierung der effektivsten Art und Weise, diesen Schritt durchzuführen, war ein Hauptschwerpunkt der Studie.

Nach all dem Sieben und Sortieren hätten die Benutzer im Idealfall das gesamte Ilmenit in der Probe und nichts anderes, aber das passiert in der Praxis nicht. Realistischerweise würde ein Teil des in der Probe vorhandenen Ilmenits im Rahmen des Filterprozesses verloren gehen, und einige Nicht-Ilmenit-Partikel gelangen trotz aller verschiedenen Methoden, sie loszuwerden, zum endgültigen Sammelpunkt.

In diesem Experiment enthielt die endgültige Mischung etwa 12 Gewichtsprozent Ilmenit, verglichen mit 2,55 Prozent vor der Aufbereitung. Das System gewann auch etwa 32 Prozent des gesamten in der Probe vorhandenen Ilmenits zurück, und es dauerte etwa eine halbe Stunde, um eine volle 300-g-Probe durch das Testbett laufen zu lassen.

Weitere Iterationen könnten all diese Zahlen verbessern – dafür gibt es Testumgebungen. Dies ist nur einer von zahlreichen Schritten, die unternommen werden müssen, um endlich einige der wertvolleren Ressourcen des Mondes nutzen zu können. Je schneller wir dazu in der Lage sind, desto besser.