Glasfasern im Mondregolith könnten beim Aufbau von Strukturen auf dem Mond helfen

Mit dem Artemis-Programm plant die NASA, die ersten Astronauten seit über 50 Jahren zum Mond zu schicken. Noch vor Ablauf des Jahrzehnts zielt dieses Programm darauf ab, die Infrastruktur zu schaffen, die ein „nachhaltiges Programm zur Monderkundung und -entwicklung“ ermöglicht. Auch die Europäische Weltraumorganisation (ESA) hat große Pläne, darunter die Schaffung eines Monddorfes, das als geistiger Nachfolger der Internationalen Raumstation (ISS) dienen soll. China und Roskosmos kamen im Juni 2021 außerdem zusammen, um anzukündigen, dass sie die Internationale Mondforschungsstation (ILRS) rund um den Mondsüdpol bauen würden.

In allen Fällen planen die Raumfahrtbehörden, lokale Ressourcen zu nutzen, um ihren Bau- und Langzeitbedarf zu decken – ein Prozess, der als In-situ-Ressourcennutzung (ISRU) bezeichnet wird. Anhand von Proben, die von der fünften Mission des chinesischen Monderkundungsprogramms (Chang’e-5) zurückgebracht wurden, identifizierte ein Forscherteam der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) erstmals einheimische Glasfasern. Laut einem von ihnen verfassten Artikel wurden diese Fasern durch vergangene Einschläge in der Region gebildet und könnten ein ideales Baumaterial für zukünftige Mondbasen sein.

Die Arbeit wurde von Rui Zhao, Laiquan Shen, Dongdong Xiao und Chao Chang vom CAS Institute of Physics (IOP) in Peking geleitet. Zu ihnen gesellten sich Forscher des Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering der University of Chinese Academy of Sciences (UCAS), des Songshan Lake Materials Laboratory, des Qian Xuesen Laboratory of Space Technology, der China Academy of Space Technology (CAST), und das College of Engineering and Applied Sciences der Universität Nanjing. Der Artikel des Teams mit dem Titel „Verschiedene Gläser aus dem Mondregolith Chang’E-5 enthüllt“ erschien kürzlich in der National Science Review.

Wie das IOP-Team in seiner Arbeit darlegte, sind Mondgläser ein wichtiger Bestandteil des Mondbodens und werden durch verschiedene Prozesse hergestellt. Insgesamt identifizierten sie fünf Typen basierend auf dem beteiligten Entstehungsprozess: vulkanischen Ursprungs, Einschlag, anhaftend, abgelagert und bestrahlt. Diese Gläser können über Milliarden von Jahren stabil bleiben, was eine geologische Aufzeichnung des Mondes liefert und zu einem besseren Verständnis seiner Entstehung und Entwicklung führt. Dazu gehören Fragen zur Dauer des Vulkanismus, zum späten schweren Bombardement, zur Herkunft des Mondwassers und zum Vorhandensein eines Mondmagnetfelds.

Das Team stellte fest, dass Einschläge die aktivsten Prozesse auf der Mondoberfläche sind, da sie „sowohl zeitlich als auch räumlich sehr heterogen“ sind – das heißt, Einschläge sind ein andauerndes Phänomen, im Gegensatz zu Vulkanismus und anderen geologischen Aktivitäten, die vor Milliarden von Jahren endeten. Durch die Untersuchung der verschiedenen Gläser im 1,73 kg schweren Mondregolith, das von Chang’E-5 (CE-5) aus der nördlichen Mare-Region Oceanus Procellarum zurückgebracht wurde, konnten sie ihren Ursprung klären und drei Hauptmechanismen zuordnen: Aufprall, Ablagerung und Bestrahlung.

Wie sie angeben, unterschieden sich die Proben erheblich von denen, die von den Apollo-Astronauten und dem sowjetischen Luna-Programm zurückgegeben wurden, was darauf hindeutet, dass in Oceanus Procellarum andere Mechanismen am Werk waren: „Im Vergleich zu früheren von Apollo und Luna zurückgesandten Proben sind diese in engen Vulkanismusaltern begrenzt Die CE-5-Proben haben eine Größe von ca. 3,9 bis 3,0 Ga und bedecken nur etwa 4,4 % der mondnahen Oberfläche. Die CE-5-Proben stammen aus der jüngsten Mondregion, die auf 2,0 Ga und höhere mittlere bis hohe Breiten datiert ist, und ermöglichen so die Untersuchung des Mondes in einem erweiterten räumlich-zeitlichen Bereich . Vorläufige Charakterisierungen zeigen, dass es sich bei den CE-5-Proben um ausgereifte Proben handelt, sie jedoch einen deutlich geringeren Glasgehalt von 8,3 %–20,0 % aufweisen als die Apollo-Proben (25,4 %–72,3 %), was auf eine ganz andere Weltraumumgebung als die Apollo-Standorte schließen lässt.“

Bei der Charakterisierung der morphologischen, mikrostrukturellen und geochemischen Eigenschaften der Proben stellte das Team fest, dass die CE-5-Proben verschiedene glasartige Materialien enthielten. Wie im Bild oben gezeigt, umfasste dies Glaspartikel verschiedener Formen, wie z. B. Kügelchen, Ellipsoide, Hanteln und Tränen (a bis i). Sie stellten auch das Vorhandensein länglicher Glasfasern fest, deren Form (basierend auf ihrer Dehnung) von Kaulquappen (n), Streitkolben (o) und Filamenten (p) reichte. Sie kamen außerdem zu dem Schluss, dass diese Fasern durch geschmolzene Materialien gebildet wurden, die durch Einschläge entstanden und bei Kontakt mit der Mondumgebung abkühlten.

Diese Fasern würden ein hochwirksames Baumaterial ergeben, das im Einklang mit den Vorschlägen für den Bau von Mondbasen durch ISRU steht. Das IOP-Team wies darauf hin, indem es frühere Versuche zur Herstellung künstlicher Glasfasern aus Mondregolithsimulanzien im Labor untersuchte.

Kurz gesagt, ihre Analyse zeigte, dass diese Fasern auf dem Mond geerntet und zur Herstellung der notwendigen Materialien verwendet werden könnten: „[Attempts were made using] Mondsimulationsmaterialien zur Herstellung künstlicher Glasfasern in Laboren für den zukünftigen Bau einer Mondbasis. Unsere Ergebnisse zeigen direkt, dass Glasfasern vor Ort auf dem Mond hergestellt werden können, was die Weltraumfertigung von Glasfasern wie homogenen optischen Fasern und verstärkenden Strukturfasern inspirieren könnte, die für zukünftige Mondbasen benötigt werden.“

Bevor Weltraumbehörden langfristige Lebensräume auf dem Mond errichten können, ist Forschung zur Charakterisierung der Mondumgebung und ihrer Ressourcen unbedingt erforderlich. Die IOP-Studie liefert nicht nur neue Einblicke in die vielen Prozesse, die die Mondoberfläche im Laufe der Zeit geformt haben, sondern könnte auch einen Weg zur Schaffung dauerhafter Stützpunkte auf dem Mond bieten. Diese Forschung könnte auch in zukünftige Missionen zum Mars einfließen, die die NASA und China bis 2033 beginnen wollen. Zu diesen Missionen gehört die Schaffung von Oberflächenlebensräumen, und eine weitere Charakterisierung der Marsumgebung könnte zu speziellen Baumethoden führen.