Monderde-Ziegel: Der erste Schritt zum Bau eines Hauses auf dem Mond

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung des Monderkundungsprojekts meines Landes ist auch der Bau eines Hauses auf dem Mond zu einem Planungsziel des Monderkundungsprojekts geworden. Da wir ein Haus bauen wollen, benötigen wir Baumaterialien und auch die Forschung zu „Mondbodenziegeln“ steht auf der Tagesordnung. Am 1. September 2024 stellte ein Wissenschaftlerteam im Rahmen der Sendung „Die erste Unterrichtsstunde des Schuljahres“ die neuesten Mondbodenziegel vor, die völlig neuartig waren.

Der Bau eines Hauses auf dem Mond ist nicht unmöglich

Die Idee einer Mondoberflächenkonstruktion entstand, als Menschen begannen, auf dem Mond zu landen. Im Jahr 1969, nach der ersten menschlichen Landung auf dem Mond, begann weltweit ein Forschungsboom im Bereich der Bautechnologie für die Mondoberfläche. Der damals vorgeschlagene technische Weg sah eine vollständig bodengestützte Entwicklung, einen Start und eine direkte Anwendung auf der Mondoberfläche vor. Von 1993 bis 2018 wurde die Forschung zur Konstruktion der Mondoberfläche weiterentwickelt. Die NASA schlug das Konzept eines „Mondaußenpostens“ vor und die Europäische Weltraumorganisation das Konzept eines „Mondhabitats“. Der wichtigste technische Ansatz besteht darin, sich auf bodengestützte Forschung und Entwicklung, den Einsatz auf der Mondoberfläche sowie die Erweiterung und Wartung der Mondoberfläche zu konzentrieren.

Allerdings sind die Probleme und Herausforderungen beim Bau auf dem Mond im Vergleich zur herkömmlichen Bauweise sehr komplex. Zunächst gilt es, die Herausforderungen extremer Umgebungen wie schwacher Schwerkraft und starker Strahlung zu bewältigen. Zweitens befindet sich der Mond in einer Ultrahochvakuumumgebung und es besteht ein Temperaturunterschied von über 300 Grad Celsius. Herkömmliche Baumethoden sind kaum umsetzbar und die strukturelle Stabilität kann nicht gewährleistet werden. Darüber hinaus machen die hohen Kosten den Transport von Baumaterialien wie Stahl, Beton und Wasser von der Erde zum Mond unpraktisch. Da zudem keine schützende Atmosphäre vorhanden ist, trifft die Mondoberfläche unter starker Strahlung durch kosmische Strahlung, Sonnenwind, Mikrometeoriten usw. Gleichzeitig gibt es jedes Jahr etwa 1.000 Mondbeben der Stärke 2–3. Daraus ergeben sich strenge Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften, die thermischen Eigenschaften und die Strahlungsbeständigkeit der Baumaterialien auf dem Mond.

Mondoberfläche

Angesichts dieses allgemeinen technologischen Problems der Menschheit haben chinesische Wissenschaftler ihre eigenen Überlegungen vorgebracht. Diese bestehen darin, die Ressourcen auf dem Mond unter den bestehenden Bedingungen voll auszunutzen, ausgereifte Bodenbautechnologien zu kombinieren und auf innovative Weise ein kollaboratives Mensch-Maschine-Bausystem auf dem Mond zu entwickeln, um eine intelligente Umsetzung des Mondbaus zu erreichen.

Im Jahr 2015 ließ sich Ding Lieyun, Mitglied der Chinesischen Akademie der Ingenieurwissenschaften und leitender Wissenschaftler des National Digital Construction Technology Innovation Center, vom architektonischen 3D-Druck inspirieren und begann, ein Forschungsteam zum Bau von Mondbasen zu leiten. Die derzeitige technische Idee für den Bau von Mondbasen im Ausland ist der 3D-Druck mit Hochenergiestrahlen. Dabei gibt es jedoch Probleme, wie etwa die Schwierigkeit, große Strukturen in einem Arbeitsgang zu formen, und den hohen Energieverbrauch. Um dieses Problem zu lösen, griff das Team der Huazhong University of Science and Technology auf traditionelle chinesische Mauerwerks- und Zapfenverbindungsmethoden zurück, kombinierte traditionelle chinesische Ziegelherstellungs- und Mauerwerksbaumethoden mit 3D-Druck-Baumethoden, verwendete simuliertes Mondbodenpulver, um Mondbodenziegel mit Zapfenstrukturen zu brennen, und setzte sie anschließend mit Robotern ein. Auf diese Weise wirkt sich ein fehlerhafter Druck nur auf einen Block aus. Basierend auf dieser Technologie entwarfen sie den Prototyp eines Mondgebäudes – eine doppelkuppelige Struktur wie eine Eierschale mit dem Namen „Yue Hu Zun“. der „chinesische Supermaurer“, der für Druck und Montage zuständig ist – der Druckroboter Moon Spider ist ebenfalls in der Entwicklung.

Entwurfsskizze von Moon Pot Zun

Der Prototyp des Roboters „Chinese Super Bricklayer“

Die gute Nachricht ist, dass das simulierte Brennen von „Mondbodenziegeln“ erste Ergebnisse erzielt hat. Der erste „Mondbodenziegel“ des Landes wurde vorbereitet und soll über Tianzhou-8 zur Weltraumexpositionsprüfung an die chinesische Raumstation geschickt werden. Nach Abschluss des Weltraumtests soll der erste „Mondbodenziegel“ Ende 2025 zur Erde zurückkehren.

Schematische Darstellung simulierter Mondbodenziegel

Zu den drei wichtigsten Eigenschaften dieser simulierten Monderde-Ziegel, die auf der Raumstation überprüft wurden, gehören: ob sich die mechanischen Eigenschaften der „Monderde-Ziegel“ nach Expositionsexperimenten verschlechtern, was für den Hausbau am relevantesten ist; welche Änderungen sich aufgrund der enormen Temperaturunterschiede bei den thermischen Eigenschaften der „Mondbodenziegel“ ergeben, um ihre Wärmedämm- und Wärmespeichereigenschaften zu verstehen; und ob sich die „Mondbodenziegel“ durch die Einwirkung großer Mengen kosmischer Strahlung auf der Raumstation verändern werden. Diese drei Haupteigenschaften stehen im Mittelpunkt der experimentellen Freilegungsforschung des „Mondbodenziegels“ in der Raumstation, die einen bedeutenden Beitrag zur weiteren Erforschung des Mondes durch China leisten wird.

Mondbodenziegel, wichtige Materialien für den Bau vor Ort auf der Mondoberfläche

Mondboden ist der Boden auf der Oberfläche des Mondes. Die In-situ-Bautechnologie auf der Mondoberfläche besteht darin, die Bodenressourcen des Mondes voll auszunutzen, Materialien vor Ort zu beschaffen oder nach einmaliger Lieferung eine Selbstzirkulation zu erreichen. Die „Technologie zur Herstellung gesinterter Ziegel“ ist eines der wichtigsten Mittel, um eine Autarkie hinsichtlich der Ressourcen des Mondes zu erreichen. Ein Team chinesischer Wissenschaftler hat simulierte Sintertests für Mondboden durchgeführt und dabei drei Arten simulierter Sintertests für Mondboden abgeschlossen, nämlich Vakuumsintern, Inertgassintern und Luftsintern.

Unter ihnen weist der simulierte Mondboden die höchste Sinterfestigkeit in Inertgas auf und erreicht mehr als 100 MPa. Beim Vakuumsintern wird eine Graphitform verwendet und der simulierte Mondboden muss gewogen werden. Das simulierte Mondbodenpulver wird entsprechend dem Gewicht in einen Hohlraum mit einem Durchmesser von 18 mm im Inneren der Form eingefüllt und mit einer Graphitpresse verdichtet. Nach der Verdichtung wird das Ganze zusammengebaut; Anschließend wird es zusammen mit der Graphitform zum Sintern in einen Vakuumsinterofen gegeben. Der Vakuumgrad des Sinterofens kann 10 hoch minus 2 Pa erreichen. Er verwendet hauptsächlich eine elektrische Heizung mit 10 im Inneren verteilten Silizium-Molybdän-Heizstäben, die beim Einschalten Wärme erzeugen können. Im Inneren des Ofens werden simulierter Mondboden und Graphit platziert und die Hitze kann genutzt werden, um die Materialien durch Wärmestrahlung zu erhitzen, nachdem das Vakuum evakuiert wurde. Das Brennen einer Charge simulierter Mondziegel in einer Vakuumumgebung dauert etwa 24 Stunden. Eine weitere Methode ist das Luftsintern. Dabei handelt es sich um den Sinterprozess zur Simulation von Mondboden in einer atmosphärischen Umgebung. Es eignet sich für Materialien, die nicht vor Oxidation geschützt werden müssen oder nicht oxidationsempfindlich sind.

Simuliertes Mondbodenpulver

Darüber hinaus führte das Wissenschaftlerteam weitere Sinterexperimente durch. Beispielsweise wird das Sintern unter Verwendung eines elektromagnetischen Induktionssinterofens durchgeführt. Das Mondbodenmaterial wird in die Mitte des Tiegels gegeben. Durch die Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie kann der elektromagnetische Induktionssinterofen die Temperatur auf über 1000 °C erhitzen, um die Form zu erhitzen. In etwa zehn Minuten wird ein 18 Zentimeter langer simulierter Mondziegel gebrannt. Einige Versuchsteams verwenden beispielsweise eine Fresnel-Linse, um das Sonnenlicht auf einen Punkt zu fokussieren. An dieser Stelle soll künftig Monderde ausgebracht und durch die hohe Temperatur im Brennpunkt zu Ziegeln gesintert werden.

Neben der Erforschung der Technologie zum Sintern von Mondboden zur Herstellung von Ziegeln ist auch die Frage, ob diese simulierten Mondbodenziegel den extremen Bedingungen auf dem Mond standhalten können, ein Schwerpunkt der aktuellen Forschung. Wie wir alle wissen, beträgt die niedrigste Temperatur auf der Mondoberfläche -196 °C und die höchste Temperatur 120 °C. Diese simulierten Mondbodenziegel müssen den Test eines Zyklus der Mondoberflächenumgebung bestehen (ein Zyklus entspricht 14 Tagen Mondtag und 14 Tagen Mondnacht), um zu überprüfen, ob ihre Leistung zuverlässig ist.

Ein Haus auf dem Mond zu bauen, ist ein großer und schöner Traum der Menschheit. Mit dem kontinuierlichen Fortschritt in Wissenschaft und Technologie werden der Menschheit unbegrenzte Vorstellungskraft und Möglichkeiten bei der Erforschung des Mondes und sogar des Weltraums zur Verfügung stehen.

Einige Informationen stammen von ScienceNet, CCTV.com, Xinhuanet usw. (Wissenschaftliche Überprüfung: Zheng Yongchun, Space Science Communication Expert Studio)