Welche Probleme müssen beim Bau einer Mondbasis gelöst werden?

Um eine langfristige Basis auf dem Mond zu errichten, müssen wir sicherstellen, dass Astronauten in der Basis sicher leben und arbeiten können. Außerdem müssen wir die langfristige Nachhaltigkeit berücksichtigen, was viele praktische Fragen mit sich bringt.

Bezos‘ Mondlandefähre

Standortwahl für Wasser

Wenn wir langfristig eine bemannte Basis auf dem Mond errichten wollen, müssen wir zunächst das Problem der Wasserversorgung lösen. Die Oberfläche des Mondes befindet sich nicht in einer niedrigen Erdumlaufbahn. Wenn wir uns zur Lösung des Wasserproblems darauf verlassen, kontinuierlich Frachtraumschiffe von der Erde aus zu starten, können wir damit nur das Leben und die Erkundung der Erde für wenige Menschen sichern. Es kann keine groß angelegten Stützpunkte unterhalten und ist nicht in der Lage, auf plötzliche Katastrophen zu reagieren. Wasserrecycling kann nicht alle Probleme lösen, da es im Aufbereitungsprozess immer zu Wasserverlusten kommt. Der beste Weg besteht darin, auf dem Mond eine Wasserressource zu finden, die abgebaut werden kann. Die Frage ist: Gibt es einen solchen Ort?

Die erste Wahl ist ein Standort am Rand des Shackleton-Kraters im Aitken-Becken am Südpol des Mondes. In einem Briefing vom 4. Dezember 2006 sagte Doug Cook, stellvertretender Leiter des Exploration Systems Mission Directorate der NASA, das Gebiet sei 75 bis 80 Prozent der Zeit beleuchtet und grenze an eine Region mit permanentem Schatten. Letzteres enthält einige flüchtige Substanzen (Wassereis), die extrahiert und verwendet werden können.

Die NASA hat angekündigt, dass sie plant, am Südpol oder Nordpol des Mondes einen Außenposten zu errichten und dort für längere Zeit Astronauten zu stationieren, die alle sechs Monate wechseln. Damals deuteten Untersuchungen darauf hin, dass es in den polaren Kratern des Mondes Wassereis gab und der Außenposten möglicherweise mit vor Ort gesammeltem Wasser seinen Betrieb aufrechterhalten könnte. Der Außenpostenentwurf umfasst die folgenden Elemente: ein Wohnmodul, einen Solarstromgenerator, einen drucklosen Mondrover, eine In-situ-Ressourcennutzungseinheit (ISRU) und ein Transportfahrzeug für die Mondoberfläche.

Der von Zivilisten vorgeschlagene Integrationsplan für Mondlandefähre und Mondbasis

Die NASA hat zwei weitere mögliche Standorte vorgeschlagen, darunter den Rand des Pyle-Kraters in der Nähe des Nordpols des Mondes und die Malapert Mountains am Rand des Malapert-Kraters.

In den Polarregionen des Mondes kann der Sonnenwind jedoch auf der Leeseite des Kraterrandes elektrische Ladungen erzeugen. Der daraus resultierende Spannungsunterschied könnte elektrische Geräte beeinträchtigen, die Oberflächenchemie von Materialien verändern, die Oberfläche von Materialien korrodieren lassen und dazu führen, dass Mondstaub in die Luft gewirbelt wird. Deshalb plädieren manche Leute für die Errichtung einer Basis in der Äquatorregion des Mondes. An diesem Standort hat der Sonnenwind einen größeren Einfallswinkel, sodass die Helium-3-Konzentration höher sein könnte und ein Kernkraftwerk zur Stromversorgung der Mondbasis genutzt werden könnte. Auch für den Start von der Mondoberfläche ist die Äquatorlage günstiger. Der Mondäquator fällt grundsätzlich mit der Äquatorebene der Erde und der Ekliptikebene der Mondrotation um die Erde zusammen, und die Bahnkorrektur für den Hin- und Rückflug zwischen Erde und Mond ist relativ gering.

Am praktischsten wäre es sicherlich, das Wohnmodul direkt auf der Mondoberfläche zu platzieren, so wie es die frühen menschlichen Forschungsstationen in der Antarktis taten. Der Mond genießt jedoch nicht den Schutz der Ionosphäre der Erde. Unabhängig von den verwendeten Materialien altern künstliche Anlagen, die der kosmischen Strahlung und dem Sonnenwind ausgesetzt sind, schnell und versagen. Darüber hinaus sind Gewicht und Volumen der künstlichen Materialien, die von der Erde zum Mond geschickt werden können, begrenzt und können keinen ausreichend dicken Schutz für das Mondlandemodul bieten.

Höhlen und Lavaröhren

Da die Bedingungen auf der Mondoberfläche so rau sind, ist es möglich, unter der Erde zu leben? Die Durchschnittstemperatur auf der Mondoberfläche beträgt tagsüber (ca. 354 Stunden) etwa 107 °C, mit einem Maximum von 123 °C; die durchschnittliche Temperatur in der Nacht (ebenfalls 354 Stunden) beträgt etwa –153°C. Allerdings nehmen Temperatur und Druck im Inneren des Mondes mit der Tiefe zu. In unterirdischen Anlagen herrschen tagsüber und nachts Temperaturen von etwa -23°C. Mithilfe elektrischer Heizgeräte kann die Temperatur auf ein Niveau geregelt werden, auf dem Menschen bequem überleben können.

Eine unter der Erde versteckte Mondbasis

Eine unterirdische Mondbasis kann Strahlung und Mikrometeoroid-Angriffe wirksam verhindern und wird außerdem das Risiko von Luftlecks erheblich verringern. Der Bau einer unterirdischen Basis könnte jedoch komplizierter sein. Erstens müssen Baumaschinen vom Boden aus ferngesteuert werden, um Aushubarbeiten durchzuführen. Sobald die Ausgrabung abgeschlossen ist, muss eine Art Härtung durchgeführt werden, um einen Einsturz zu vermeiden. Diese Technologie ist bereits relativ ausgereift. Einige betonartige Substanzen können auf die Höhlenwände gesprüht werden. Nach der Verfestigung kann die Festigkeit gewährleistet werden und anschließend kann zur Abdichtung ein Aufsprühen poröser Isoliermaterialien erfolgen. Wenn es zu technologischen Durchbrüchen bei der Nutzung lokaler Ressourcen auf dem Mond kommt, können die oben genannten Materialien auch vor Ort hergestellt werden. Einige Wissenschaftler haben vorgeschlagen, eine Maschine zu verwenden, die im laufenden Betrieb hergestellt werden kann, sodass die Verglasung der Höhlenwände nach Abschluss der Bauarbeiten erfolgen kann. Andere haben vorgeschlagen, dass Methoden wie Minenräume und -pfeiler in Minen auf der Erde verwendet werden könnten. Graben Sie zunächst eine relativ große Höhle und errichten Sie dann in der Höhle eine weiche, aufblasbare und abgedichtete Wohnkabine. Auf diese Weise können selbst bei einem kleinen Leck in der Höhle der Luftdruck und die Temperatur in der Wohnkabine auf einem normalen Niveau gehalten werden. Auf diese Weise könnte schließlich eine unterirdische Stadt gebaut werden. Mit dieser Idee kann oben auf der Höhle eine künstliche Sonne aufgestellt werden, die die unterirdische Farm mit Sonnenlicht versorgt.

Farm auf der Mondbasis

Neben den von Menschenhand geschaffenen unterirdischen Anlagen erwartet man auf dem Mond auch einige natürlich entstandene Höhlen. Der Mond war ursprünglich eine große Magmamasse, die erstarrte und so den heutigen Mond bildete. Daher handelt es sich bei diesen Höhlen im Allgemeinen um Hohlräume, die während des Erstarrungsprozesses entstehen, wenn das Volumen des Magmas allmählich abnimmt. Fachleute der Mondforschung nennen sie Lavaröhren. Man geht davon aus, dass solche Lavaröhren auch auf dem Mars existieren könnten.

Bisher hat keine von Menschen zum Mond gestartete Sonde eine echte Lavaröhre entdeckt oder untersucht, und die Astronauten haben bei der Apollo-Mondlandung auch nicht nach einem solchen Geländetyp gesucht. Einige der Sonden, die den Mond umkreisen, haben Bilder von Landformen aufgenommen, die wie Lavaröhren aussehen. Dies legt die Hoffnung nahe, natürliche Höhlen für den Bau einer Mondbasis zu finden.

Wenn eine geeignete Lavaröhre gefunden werden kann, wäre dies für den Bau einer Mondbasis von großem Nutzen. Lavaröhren können Basiseinrichtungen und Astronauten vor der rauen Umgebung der Mondoberfläche schützen und werden nicht durch häufige Meteoriteneinschläge, hochenergetische Ultraviolettstrahlung und hochenergetische Partikel angegriffen. Die Belastung der Klimaanlagen ist nicht so hoch wie auf der Mondoberfläche. Natürlich kann auch der enorme Erdarbeitsaufwand beim Graben künstlicher Höhlen eingespart werden.

Künstlicher Berg

Ist es also möglich, auf dem Mond einen künstlichen Berg zu errichten? Zu diesem Zweck haben viele Forscher den sogenannten Doppelkuppelplan vorgeschlagen, bei dem zunächst eine künstliche Anlage errichtet und diese dann mit Mondboden bedeckt wird. Die Hauptbestandteile des Mondes sind US-amerikanischen Untersuchungen zufolge Siliziumdioxid und eisenhaltige Verbindungen. Wenn sie durch starke Mikrowellenstrahlen erhitzt werden können, können sie geschmolzen und dann zu einem glasartigen Feststoff kondensiert werden. Ein Wissenschaftler namens Balacock glaubt, dass dieses „Mondglas“ recht gute mechanische Eigenschaften haben könnte und ein vielversprechendes Material für die Herstellung starrer Strukturen ist. Der Mondboden kann auch zu „Mondziegeln“ gebrannt und auf einen Metallrahmen gelegt werden.

Seit dem Aufkommen der 3D-Drucktechnologie ist diese natürlich zu einer der am meisten beachteten Konstruktionstechnologien unter Mondforschern geworden. Neben der NASA entwickeln auch einige private Unternehmen 3D-Drucktechnologien für den Mond. Einer Studie des Unternehmens Foster + Partners zufolge müssten, wenn Baumaterialien aus Mondregolith hergestellt und in eine aufblasbare Wohnkabine eingebettet würden, nur 10 % der Baumaterialien für das gesamte Bauprojekt von der Erde antransportiert werden. Konkret besteht die Technik darin, Mondfinsternis mit Magnesiumoxid zu mischen und dann mithilfe eines Bindemittels „das Material in einen steinähnlichen Feststoff umzuwandeln“. Es wird gesagt, dass die Fähigkeiten dieses 3D-Druck-Prototyps ausreichen, um innerhalb einer Woche ein Haus zu bauen.

NASA plant, 3D-Druck zum Bau von Häusern auf dem Mond einzusetzen

Auch der Boden der Mondbasis ist 3D-gedruckt

Stromversorgung

Egal ob beim Bauen oder Wohnen auf der Mondbasis, die Menschen müssen für ausreichend Strom sorgen. Bei der Mondforschung wurden bisher drei Arten der Energieversorgung eingesetzt: chemische Batterien, Solarzellen und Radioisotopenenergie. Bei den Apollo-Mondlandungen wurden chemische Batterien von Mondrovern und Bohrwerkzeugen verwendet. Da die Aktivitätszeit auf dem Mond bei jeder Apollo-Mission sehr begrenzt war, reichten chemische Batterien zwar aus, diese konnten jedoch sicherlich nicht als Energiequelle für langfristige Mondaktivitäten verwendet werden.

Auf dem Mond gibt es keine Atmosphäre und das Sonnenlicht trifft mit großer Energie direkt auf die Oberfläche. Solange es sich um einen Mondtag handelt, stellt die Erzeugung von Solarstrom kein Problem dar. Darüber hinaus können die für die Produktion von Solarmodulen benötigten Siliziummaterialien sowie das für Solarmodulhalterungen benötigte Eisen und Aluminium auf der Mondoberfläche abgebaut werden, was für den schrittweisen Ausbau der späteren Mondbasis von großem Vorteil ist. Einige Leute haben auch vorgeschlagen, Sonnenenergie zur Wärmeerzeugung zu nutzen und dann einen Stirlingmotor zum Antrieb eines Elektromotors zu verwenden. Obwohl die Mondtage lang sind, sind auch die Mondnächte sehr lang. Um eine kontinuierliche Stromversorgung zu gewährleisten, müssen Solarkraftwerke an den Polen errichtet oder Brennstoffzellen mit großer Kapazität auf der Mondbasis installiert werden. Die Brennstoffzellentechnologie wurde bereits erfolgreich im Space Shuttle eingesetzt und kann bis zu 17 Erdentage lang betrieben werden, was den Stromerzeugungsbedarf einer Mondnacht übersteigt. Die heutigen Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEM) sind der Technologie des Space Shuttles weitaus weiter fortgeschritten, allerdings wurden PEMs noch nie im Weltraum eingesetzt. Unabhängig davon ist die Kombination von Brennstoffzellen mit der Stromerzeugung durch Solarenergie vielversprechend für die Bereitstellung einer nachhaltigen Stromquelle. Einige Leute schlugen sogar vor, dass man Strom erzeugende Satelliten in der geostationären Umlaufbahn des Mondes stationieren könnte, sodass man sich über die mondhellen Nächte keine Sorgen machen müsste. Allerdings ist die geostationäre Umlaufbahn des Mondes sehr weit von der Mondoberfläche entfernt und das Problem der Strahldivergenz ist ziemlich ernst.

Japans Konzept einer Mondbasis

Die Umgebung auf der Mondoberfläche ist rau. Selbst wenn wir ihn mit einer dicken Schicht Mondboden bedecken, kann er die kosmische Strahlung, insbesondere hochenergetische Teilchen, möglicherweise nicht vollständig blockieren. Einige Leute haben daher vorgeschlagen, dass es notwendig sei, ein künstliches Magnetfeld aufzubauen, um einen Strahlenschutz zu gewährleisten. Dies erfordert eine leistungsstarke Stromversorgung für die Mondbasis und es ist etwas fraglich, ob Solarkraftwerke den Anforderungen gerecht werden können. Daher erscheint es sinnvoll, auf dem Mond ein Atomkraftwerk zu bauen. Allerdings sind auch die erforderlichen Investitionen und die zu überwindenden technischen Schwierigkeiten vorstellbar.

Laut dem im Jahr 2000 von der NASA vorgeschlagenen Projekt Fission Surface Power (FSP) können Niedertemperatur-Edelstahl, flüssigmetallgekühlte Reaktortechnologie und Stirlinggeneratoren zur Stromerzeugung auf dem Mond eingesetzt werden. Bis 2010 waren die Tests der Schlüsselkomponenten des FSP abgeschlossen und die Demonstrationstests nichtnuklearer Systeme schritten sporadisch voran. Das FSP kann konstant 40 Kilowatt Strom erzeugen, was dem Stromverbrauch von etwa acht Einfamilienhäusern auf der Erde entspricht. Dieser Reaktor ist unter der Mondoberfläche vergraben, um die Astronauten vor Strahlung zu schützen. Der turmförmige Generatorteil ragt über die Reaktoroberfläche hinaus, und der schirmförmige Kühler ragt aus der Mondoberfläche heraus und strahlt die Abwärme direkt in den Weltraum ab.

Wir haben bereits früher auch Radioisotopen-Thermobatterien erwähnt. Russland ist derzeit führend bei Atombatterien. Dieser Batterietyp zeichnet sich durch seinen einfachen Aufbau und das Fehlen beweglicher Teile aus, seine Stromerzeugungskapazität ist jedoch relativ gering, sodass er als Backup- und Notstromquelle für die Mondbasis verwendet werden kann.

Stützpunkte und Transport

Aus der obigen Diskussion können wir das Problem ableiten, dass anscheinend kein Basisstandort absolut perfekt ist. Können Menschen also an mehreren verschiedenen Orten auf dem Mond Stützpunkte errichten, um unterschiedliche Aufgaben zu übernehmen? Wenn die Erkundung der Mondmineralien erfolgreich ist und einige wichtige, reiche Minen entdeckt werden, wird die Notwendigkeit der Eröffnung mehrerer Stützpunkte noch offensichtlicher. Aus diesem Grund haben Wissenschaftler begonnen, die Frage des Mondtransports zu diskutieren. Offensichtlich ist die Verwendung von Mondrovern für Pendel- oder Transportzwecke zu langsam. Wie sieht es also mit der Bahn aus? Auf dem Mond gibt es keinen Luftwiderstand, die Schwerkraft ist relativ gering und man muss sich keine Sorgen um lästige Probleme wie Landerwerb und Abriss machen. Der Hochgeschwindigkeitszug, mit dem die Chinesen gut zurechtkommen, bietet bessere Voraussetzungen für den Ausbau, und sogar Güterzüge können mit der Geschwindigkeit von Flugzeugen fahren! Wenn die Passagiere in einem offenen Zug keine Raumanzüge tragen möchten, muss im Waggon natürlich ein Lebenserhaltungssystem installiert werden.

Wenn Sie eine Untersuchung an einem weit entfernten Ort der Basis durchführen möchten und der Mondrover zu langsam ist, können Sie auch einen Flug dorthin in Betracht ziehen. Da es auf dem Mond keine Luft gibt, können Flugzeuge, die das Prinzip des aerodynamischen Flugs nutzen, natürlich nicht eingesetzt werden. Aus diesem Grund haben Wissenschaftler schon lange über Flugzeuge nachgedacht, die mit einem Düsentriebwerk fliegen können, und das amerikanische Unternehmen Bell Aerosystems hat einmal ein solches Konzept vorgeschlagen. Natürlich kann Musks Edelstahlrakete „Starship“, wenn sie tatsächlich erfolgreich entwickelt wird und ins Universum vordringt, auch diese Art von Arbeit leisten.

Musks „Starship“ kann als Transportmittel für den Ferntransport auf dem Mond eingesetzt werden

Erde-Mond-Transit

Obwohl der Schwerpunkt dieses Artikels auf der Mondbasis liegt, müssen wir dennoch die Voraussetzung für den Bau einer Mondbasis erörtern, nämlich das Mondraumschiff. Genau genommen haben weder China, die Vereinigten Staaten noch Russland bisher ein Raumschiff zur Mondlandung entwickelt. Das Apollo-Raumschiff der USA ist seit langem verschollen und das Mondraumschiff der Sowjetunion ist nur noch ein PPT. China, die USA und Russland entwickeln derzeit bemannte Raumfahrzeuge, die zwischen der Erde und der Mondumlaufbahn verkehren können. Das fortschrittlichste Raumfahrzeug ist das Raumfahrzeug Orion. Dieses 2004 vorgeschlagene Modell hat bereits einen Raumflug absolviert. Ob es tatsächlich zum Mond fliegen kann, hängt tatsächlich vom Entwicklungsfortschritt der SLS-Rakete ab.

Chinas bemanntes Raumfahrzeug der neuen Generation absolvierte Anfang 2020 ebenfalls einen Flug. Auch seine weiteren Entwicklungsfortschritte müssen auf die erfolgreiche Entwicklung leistungsstärkerer Raketen warten. Besorgniserregend sind dagegen die Fortschritte des russischen Raumfahrzeugs der neuen Generation „Eagle“. Was die Leute bisher gesehen haben, sind nur Modelle und der technische Prototyp wurde noch nicht enthüllt. Russland hatte 2020 öffentlich angekündigt, dass der Erstflug im Jahr 2024 stattfinden werde. Ob dies tatsächlich gelingen kann, bleibt abzuwarten.