Bauen auf dem Mond - Möglichkeiten und Grenzen

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Bauen auf dem Mond – Möglichkeiten und Grenzen
Dipl.-Ing. Sebastian Wilhelm, Institut für Massivbau, Technische
Universität Dresden
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Manfred Curbach, Institut für Massivbau,
Technische Universität Dresden
Einleitung
Gerade einmal zehn Jahre nach dem ersten unbemannten Mondüberflug mit Luna-
1 schrieb Neil Armstrong am 20. Juli 1969 als erster Mensch auf einem extrater-
restrischen Himmelskörper Weltraumgeschichte. Zu dieser Zeit war man sich si-
cher, dass die Errichtung einer lunaren Basisstation zu Forschungszwecken und als
Ausgangspunkt für Flüge zum Mars oder zur Erschließung von Rohstoffquellen
der nächste Schritt sei. Obwohl das Ziel einer permanenten Basisstation auf dem
Mond seit Jahrzehnten steht, fehlt es bislang an einem geeigneten dauerhaften
Baumaterial, hergestellt aus lunaren Ressourcen, welches den extremen Umge-
bungsbedingungen des Mondes widersteht.
1 Lunare Umgebung und vorhandene Materialien
Die lunare Umgebung unterscheidet sich grundsätzlich von der der Erde. Mit
1,65 m/s² entspricht die Gravitation des Mondes nur ca. 1/6 der der Erde. Die ge-
ringe Gravitation ermöglicht einerseits die Ausbildung schlankerer Strukturen
aufgrund des reduzierten Eigengewichts, andererseits werden dadurch Prozesse
wie Misch- oder Sortiervorgänge erschwert.
Die sehr dünne Atmosphäre des Mondes, auch als Exosphäre bezeichnet, besteht
vorwiegend aus Neon, Wasserstoff, Helium und Argon [1] und ist Hauptursache
für die extremen Umgebungsbedingungen. So ist der Einschlag von Meteoriten
und Mikrometeoriten mit Geschwindigkeiten zwischen 20 und 70 km/s nahezu
ungehindert möglich [2]. Der 14-tägige Tag-Nacht-Rhythmus führt zu extremen
Oberflächentemperaturen zwischen -244 °C [3] an den Polen bis +122 °C in der
äquatorialen Zone und zu maximalen Temperaturschwankungen von bis zu 280 K

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[4]. Diese Temperaturextreme stellen höchste Anforderungen an Material und
Ausführung bezüglich der thermischen Ausdehnung. Hinzu kommt, dass das aus
der dünnen Atmosphäre resultierende Vakuum zur schnellen Evaporation von
flüssigen Phasen z. B. in Baumaterialien führt und dies die Verwendung von Flüs-
sigkeiten ohne schützende Maßnahmen nahezu unmöglich macht. Nicht zu ver-
nachlässigen ist weiterhin die für den Menschen äußerst gesundheitsschädliche
kosmische Strahlung.
Das Material, das auf der Mondoberfläche nahezu unbegrenzt vorhanden ist, ist
Regolith, durch Mikrometeoriten zerkleinertes Mondgestein. Er hat die charakteris-
tischen Eigenschaften eines schluffigen Sandes mit Korngrößen zwischen 46 und
110 μm [5]. Die Körner sind scharfkantig und glasig und lassen sich mit terrestri-
scher Vulkanasche vergleichen [1]. Das Material ist in Schichtdicken von 2,5m
erstklassig zum Strahlenschutz geeignet [2]. Geringfügige Veränderungen der
Zusammensetzung wie z. B. der Zusatz von 1 % Polyethylen bei Schwefelbeton
auf Regolith-Basis erhöhen die Wirksamkeit erheblich [6].
Die Frage nach der Verfügbarkeit von Wasser auf dem Mond beschäftigt die Wis-
senschaft schon von Beginn an. Seit den 1960er Jahen besteht die Vermutung, dass
sich Wasser in Form von Eis in den permanent verschatteten Kratern der Pole
befinden könnte [7]. Mithilfe des Neutronenspektrometers der Lunar-Prospector-
Sonde konnte ein erhöhtes Wasserstoffvorkommen an beiden Polen nachgewiesen
werden [8]. Das LCROSS-Impaktexperiment unterstützte die Ergebnisse und be-
stimmte den Wassereisgehalt im Regolith mit 5,6 ± 2,9 M.-% [9].
2 Konstruktionsmaterialien
Da ein Transport großer Mengen Material zum Mond unbezahlbar und aktuell
streng limitiert ist, sollten Baumaterialien vorwiegend aus den lunaren Ressourcen
selbst gewonnen werden. Der Regolith bietet dabei eine Vielzahl an Möglichkei-
ten, welche im Folgenden näher erläutert werden sollen. Aus den lunaren Umge-
bungsbedingungen resultierend stellen Dauerhaftigkeit, Duktilität, Dampfundurch-
lässigkeit, Strahlungsabschirmung, eine hohe Zug- und Druckfestigkeit sowie ein
geringer Temperaturausdehungskoeffizient die wichtigsten Anforderungen an das
Baumaterial dar. Bisher verfolgte Ansätze sollen kurz vorgestellt werden.

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2.1 Keramische Materialien
Aufgrund der Feinheit des Regoliths, der glasigen Bestandteile und der basalti-
schen Zusammensetzung wurde von verschiedenen Forschern das direkte Sintern
des Regoliths durch Mikrowellen- [10] bzw. Laserstrahlung [11], die Herstellung
von lunarem Glas [12] und das Gießen zu Schmelzbasalt [13] betrachtet.
2.2 Geothermitreaktion
Alternativ untersuchten Faierson/Logan [14] die Kombination von lunarem Rego-
lith und Aluminiumpulver mittels exothermer Thermitreaktion. Nach der Startreak-
tion verläuft der weitere Prozess unter starker Wärmeentwicklung ohne zusätzliche
externe Energie. Die bisher unter Vakuum hergestellten Probekörper (Druckfestig-
keiten ~ 18 N/mm²) wiesen eine Vielzahl an Fehlstellen aufgrund der unvollständig
ablaufenden Reaktion auf. Die energieintensive Gewinnung und die große erfor-
derliche Menge an pulverförmigem Metalloxid erschweren die Anwendbarkeit des
Verfahrens auf dem Mond deutlich.
2.3 Schwefelbasierter Beton
Die am meisten diskutierte Alternative zu hydraulischem Zement als Bindemittel
ist die Verwendung von Schwefel, erstmalig in [15] erwähnt. Neben dem größten
Vorteil – es wird kein Wasser benötigt −, ist Schwefelbeton sehr dauerhaft in che-
misch aggressiver Umgebung [16]. Schwefel kommt auf dem Mond in Konzentra-
tionen von 0,16 bis 0,27 M.-% in Form von Troilit (FeS) im Regolith vor [17].
Allerdings muss der Troilit für die Gewinnung auf 1100...1300 °C erhitzt werden.
Terrestrischer Schwefelbeton wird aus 12−22 M.-% Schwefel und 78−88 M.-%
Zuschlag hergestellt. Während der Produktion steht nur ein kleiner Verarbeitungs-
bereich zwischen 120 und 148 °C zur Verfügung, da der Schwefel nur in diesem
Bereich als flüssige Phase vorliegt. Der Schwefelanteil beeinflusst Druck- und
Zugfestigkeit [19]. Hier wurde eine maximale Druckfestigkeit von 33,8 N/mm² mit
35 M.-% Schwefel in Verbindung mit JSC-1-Regolithsimulat erzielt. Durch Hin-
zugabe von 2 M.-% Aluminiumfasern konnte die Druckfestigkeit auf 43,0 N/mm²
gesteigert werden. Da die Art des Phasenübergangs von fest zu flüssig bei Schwe-
fel stark druck- und temperaturabhängig ist, wurde der Effekt von hohem, langan-
haltendem Vakuum auf Schwefel untersucht [18]. Nach 54 Tagen führte eine er-
hebliche Sublimation des Schwefels bereits zu starken Bindungsverlusten.

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2.4 Polymerbasierter Beton
Polymerbetone zählen ihrer Definition nach nicht zu den Betonwerkstoffen son-
dern zu den Duroplasten als Untergruppe der Kunststoffe [20]. Duroplaste sind
Kunststoffe mit Füllstoffanteilen von bis zu 90 %. Bindemittel sind Reaktionsharze
mit Härter- und Beschleunigungsstoffen [21]. Am Marshall Space Flight Center
(Huntsville/USA) wurde Polymerbeton ohne Wasser aus JSC-1-Regolithsimulat
mit verschiedenen polymerbasierten Bindemitteln untersucht [22]. Das größte
Problem bei der lunaren Anwendung wäre, das diese dort nicht verfügbar sind und
folglich in großen Mengen transportiert werden müssten. Wissenslücken bestehen
auch beim Verhalten unter Vakuum und Temperaturwechselbeanspruchung.
2.5 Lunarer Beton
Erste Überlegungen für Beton auf dem Mond stammen aus den 1980er Jahren [23].
Vorreiter ist T. D. Lin [24], dem 1986 40 g lunarer Regolith für die Betonherstel-
lung zur Verfügung standen, und der Druckfestigkeiten bis zu 75 N/mm² erreichte
und somit die Eignung des Regolith für die Betonherstellung bewies. Neben dem
Zuschlag wird ein zementartiges Bindemittel benötigt. Typischer Portlandzement
weist einen Anteil von 60−69 % Calciumoxid auf [25]. Die chemische Analyse der
Apollo-Proben ergab, dass dieses anorthositische Gestein mit einem CaO-Gehalt
von bis zu 19 % am ehesten für die Zementherstellung geeignet ist [1].
Vielversprechend ist das von Lin 1989 entwickelte Dry-Mix/Steam-Injection-Ver-
fahren (DMSI) [28, 29], bei dem Zement und Zuschlag trocken gemischt und unter
erhöhter Temperatur und Druck zur Hydratation gezwungen werden. Ausgenutzt
wird dabei der geringe Durchmesser der Wassermoleküle von ca. 0,27 nm, um in
die Mikroporen der Klinkermineralien vorzudringen [30]. Die verfügbare Fläche
zur Hydratation vergrößert sich gegenüber der Reaktion mit Wasser erheblich, da
Wasser aufgrund seiner Oberflächenspannung nicht in die Poren eindringen kann.
Das Verfahren basiert auf dem Verlust kinetischer Energie der Wasserdampfmole-
küle während der Kollision mit den Zementpartikeln. Die resultierende Kondensa-
tion führt zur Benetzung der Zementpartikel mit Feuchtigkeit und zur schnell ab-
laufenden Reaktion. Bei einer optimalen Temperatur zwischen 180...200 °C und
einer Dampfdauer von ca. 18 h konnten mit Sand und Portlandzement Würfel-
druckfestigkeiten höher 70 N/mm² erreicht werden [31]. Eine gute Verarbeitung ist
bereits bei w/z-Werten von 0,15...0,25 möglich, was die Anwendung im Vakuum
möglich erscheinen lässt [27]. Beton im DMSI-Verfahren ist relativ dicht und

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entwickelt höhere Festigkeiten als vergleichbarer Normalbeton, da bei der Hydrata-
tion mit Dampf mehr CSH-Gel anstelle von Ca(OH)2 gebildet wird [31, 32].
2.6 3D-Printing
Der aktuell am häufigsten verfolgte Ansatz ist das 3D-Printing mit unterschied-
lichsten Materialien [34, 35], um komplexe Formen schichtenweise robotisch zu
fertigen (Abbildung 1). Neben hydraulisch gebundenen werden schwefelbasierte
Betone sowie geschmolzener und gesinterter Regolith für das Contour Crafting −
eine Form des 3D-Printings −, untersucht [36]. Diese Bauweise erfordert jedoch
bisher vorwiegend druckbeanspruchte Konstruktionen, da die Zugfestigkeiten der
Materialien relativ gering sind und das Einbringen einer Bewehrung derzeit er-
forscht werden muss. Forschungsbedarf besteht auch hier u. a. in Bezug auf Subli-
mation und Verdunstung des Bindemittels.
Abbildung 1: 3D-Printing Lunar Base [36]
3 Zusammenfassung und Ausblick
Die Vielzahl der vorgestellten Forschungsideen zeigt, wie umfangreich bereits
geeignete Materialien und Herstellungsverfahren untersucht wurden und werden.
Bisher konnte jedoch noch keine Variante alle Anforderungen aus der lunaren
Umgebung und der Herstellung vor Ort erfüllen. Nachteilig sind beispielsweise die
Temperaturunbeständigkeit bei Schwefelbetons, das starke Schwinden bei der
Herstellung von Schmelzbasalt, das Fehlen von benötigten Ressourcen für Poly-
merbeton oder die schnelle Verdunstung von Bindemitteln im Vakuum wie beim

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3D-Printing. Obwohl letzteres aktuell immer mehr als umsetzbare Lösung für das
Bauen auf dem Mond gesehen wird, haben wir uns das Ziel gesetzt, innerhalb von
ROBEX1 ein Verfahren für die Herstellung von Fertigteilelementen auf Basis von
T. D. Lins DMSI zu verwirklichen. Die Optimierung des Wasserbedarfs sowie die
gleichmäßige Hydratation von Bauteilen mit größeren Dimensionen stehen dabei
im Vordergrund.
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