Wo wird die zukünftige Mondbasis gebaut? In der Vulkanhöhle →

In Science-Fiction-Filmen sehen wir oft Mondbasen voller moderner Industriestrukturen. Beispielsweise Folgendes:

Abbildung 1 Die Mondbasis im Film „Allein auf dem Mond“ Quelle: Film „Allein auf dem Mond“

Aber sieht die Mondbasis wirklich so aus? Nicht unbedingt. Zukünftige Mondforscher könnten in Höhlen leben.

Ende 2022 schlug ein Forschungsteam aus China (ein gemeinsames Forschungsteam von Xie Gengxin, Dekan des Advanced Technology Research Institute der Universität Chongqing und stellvertretender Direktor des Gemeinsamen Forschungszentrums für Weltraumforschung des Bildungsministeriums, und Guo Linli, einem Forscher am Beijing Institute of Space Mechanics and Electronics) die Idee vor, in der „Vulkanhöhle“ auf dem Mond eine große Basis zu errichten, was große Aufmerksamkeit erregte.

Die „Vulkanische Höhle“ auf dem Mond ist eigentlich eine Lavaröhre. Das Konzept einer Lavaröhre ist vielleicht für jeden etwas ungewohnt, aber das Prinzip ihrer Entstehung ist eigentlich ganz einfach.

Wenn das vom Vulkan ausgestoßene Magma mit überwältigender Kraft an die Oberfläche fließt, kühlt die äußere Oberfläche des Magmas aufgrund der schnellen Wärmeableitung zuerst ab und bildet eine Schale einer bestimmten Dicke. Gleichzeitig fließt das heiße Magma im Inneren weiter und bildet ein hohles Rohr. Durch diesen kontinuierlichen Prozess verliert das Magma beim Fließen immer wieder seine Hülle und bildet eine lange Lavaröhre.

Abbildung 2 Fließendes Magma Quelle: Wikipedia

Lavaröhren gibt es nicht nur auf dem Mond. Sie kommen auf vielen Planeten vor, einschließlich der Erde. Die größte Lavaröhrenhöhle der Erde ist die „Manjanggul“ auf der südkoreanischen Insel Jeju. Es ist mehr als 13 Kilometer lang, mehrere zehn Meter hoch und über zehn Meter breit. Es entstand bei einem Vulkanausbruch vor 200.000 bis 300.000 Jahren. In der Vulkangesteinsregion des Jingbo-Sees in der Provinz Heilongjiang in meinem Land haben sich auch Lavaröhren gebildet. Die nordöstlichen alliierten antijapanischen Streitkräfte nutzten sie als unterirdische Befestigungsanlagen im Kampf gegen die einfallende japanische Armee.

Abbildung 3. Manjanggul-Lavaröhre auf der Insel Jeju, Südkorea (links), vulkanische Lavaröhre am Gyeongbok-See (rechts) Quelle: Referenz [2]

Da die Schwerkraft des Mondes geringer ist als die der Erde, ist die Wahrscheinlichkeit, dass Magma beim Fließen einstürzt, geringer. Daher ist das Volumen der Lavaröhren auf dem Mond oft größer als das der Erde.

Im Jahr 2009 entdeckte ein von Japan gestarteter Mondorbiter drei Höhlen mit einem Durchmesser und einer Tiefe von mehreren zehn Metern. Bei diesen Höhlen handelt es sich vermutlich um Oberlichter, die durch den teilweisen Einsturz von Lavaröhren entstanden sind.

Abbildung 4: Oberlicht der Mondlavaröhre (links), Mondkrater (rechts). Man kann erkennen, dass sich das Oberlicht der Lavaröhre deutlich vom Krater unterscheidet. Im Vergleich zum Krater weist das Oberlicht der Lavaröhre keine sichtbaren Vorsprünge um sich herum und im Inneren keine Neigung auf. (Bildquelle: Referenz [2], Wikipedia)

Im Jahr 2011 erkundete die indische Sonde Chandrayaan-1 die Mondbäche und stellte fest, dass die Oberseite der Lavaröhre hier mehr als 300 Meter breit war. Im Jahr 2017 zeigten numerische Simulationsergebnisse von Professor Blair von der Purdue University in den USA, dass eine 5 Kilometer breite Lavaröhre auf dem Mond unter bestimmten Bedingungen immer noch stabil bleiben kann. Im Jahr 2020 sagte Professor Riccardo Pozzobon von der Universität Padua in Italien, dass die Länge der Mondlavaröhre unter bestimmten Bedingungen 40 Kilometer überschreiten könne.

Wenn man davon ausgeht, dass eine riesige Lavaröhre auf dem Mond eine Breite von fünf Kilometern und eine Länge von 40 Kilometern erreichen kann, beträgt die Grundfläche unglaubliche 200 Quadratkilometer, was der Größe von sechs Macaus entspricht.

Abbildung 5 Ergebnisse der numerischen Simulation von Professor Blair Quelle: Referenz [3]

Warum sollte man beim Bau einer Basis Lavaröhren wählen?

Nachdem wir das Konzept der Lavaröhren verstanden haben, stellt sich die zweite Frage: Warum sollte man eine Mondbasis in einer Lavaröhre bauen? Stellen Sie sich vor, Sie würden plötzlich an einen verlassenen Ort ohne Häuser geschickt. Wo würden Sie die Nacht verbringen? In der Vergangenheit wählten die Vorfahren des Menschen Höhlen als Lebensraum, die ihnen Schutz vor Wind und Regen boten. Auch auf dem Mond kann eine Lavaröhrenhöhle guten Schutz bieten. Sehen wir uns seine fünf Hauptfunktionen an.

1. Die Umgebung ist relativ konstante Temperatur

Derzeit liegen keine Messdaten zur Temperatur im Inneren der Lavaröhren auf dem Mond vor, aber Temperaturmessungen der beleuchteten und beschatteten Bereiche eingestürzter Höhlen zeigen Temperaturschwankungen auf der Mondoberfläche und im Inneren der Höhlen (wie unten dargestellt). Die Abbildung zeigt, dass die Temperatur auf der Mondoberfläche zwischen -170 °C und 110 °C liegt, mit einem Temperaturunterschied von 280 °C; während die Innentemperatur ohne Licht zwischen -20 °C und 30 °C liegt, mit einem Temperaturunterschied von nur 50 °C.

Anhand dieses Temperaturänderungstrends berechnete das Forschungsteam, dass der Energieverbrauch in der Lavaröhre nur ein Fünftel des Energieverbrauchs auf der Mondoberfläche betragen wird, wenn die Temperatur innerhalb der Mondbasis bei etwa 20 °C gehalten wird, was für das normale Leben und Arbeiten der Menschen ausreicht.

Abbildung 6 Temperaturmessungen von beleuchteten und beschatteten Bereichen einer eingestürzten Höhle. Quelle: Referenz [2]

2. Schutz vor kosmischer Strahlung

Einige Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Sonneneinstrahlung auf die Mondoberfläche an einem Tag 2 Sv beträgt. Das ist mehr als das Tausendfache der Belastungsgrenze, die der Mensch aushalten kann, und stellt eine ernsthafte Bedrohung für das Leben des Basispersonals dar. Der Mondboden an der Spitze der Karströhre kann wirksam vor Sonnenstrahlen schützen. Studien haben gezeigt, dass 6 Meter dicker Mondboden die Strahlendosis auf nahezu Null reduzieren kann. Lavaröhren sind oft Dutzende Meter tief vergraben und bieten daher einen besseren Schutz vor kosmischer Strahlung.

Abbildung 7 Die schwächende Wirkung von Mondboden in verschiedenen Tiefen auf die kosmische Strahlung. Quelle: Referenz [2]

3. Vermeiden Sie den Sonnenwind

Die Sonne stößt in einem als Sonnenwind bezeichneten Phänomen ständig geladene Teilchen mit hoher Geschwindigkeit aus, hauptsächlich Protonen und Elektronen. Wenn der Sonnenwind den Mond erreicht, bewirkt er, dass die feine Materie auf der sonnenabgewandten Seite negativ geladenen Mondstaub bildet und sich in Richtung der positiv geladenen, der Sonne zugewandten Seite bewegt. Dieses Phänomen kann bei Sonnenaufgang und Sonnenuntergang in großem Ausmaß auftreten und sehr negative Auswirkungen sowohl auf den menschlichen Körper als auch auf Instrumente haben. In „The Wandering Earth 2“ wurde der 550C-Computer, den die Menschen schließlich zum Mond brachten, um den Motor des Mondsatelliten zu zünden, nach der Einwirkung des Sonnenwinds komplett verschrottet.

Abbildung 8: Die Schäden, die der Sonnenwind an elektronischen Geräten in „The Wandering Earth 2“ verursacht. Quelle: Film „The Wandering Earth 2“.

Das Innere der Lavaröhre ist ein permanenter Schattenbereich und der Sonnenwind weht keinen Mondstaub hinein. Darüber hinaus sind die Oberlichter in Lavaröhren auch ein guter Ort, um die Wanderung des Mondstaubs zu beobachten.

4. Meteoriteneinschlag verhindern

Meteoriteneinschläge stellen eine große Bedrohung für Mondbasen dar. Studien haben gezeigt, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein Raumanzug und eine 1 cm dicke Aluminiumplatte nach einem Jahr Aufenthalt auf der Mondoberfläche von Partikeln durchdrungen werden, 8 % bzw. 30 % beträgt. Der Mondboden und die Felsen an der Spitze der Lavaröhre können die meisten Meteoriten auf der Mondoberfläche abfangen.

Abbildung 9: Fragmente des „Kosmischen Hammers“ in „Allein auf dem Mond“ treffen die Mondbasis (die meisten Meteoriten sind Himmelsfragmente) Quelle: Film „Allein auf dem Mond“

5. Mögliches Wassereis

Obwohl die Mondoberfläche oft wie eine öde Einöde aussieht, hat man bei Erkundungen festgestellt, dass es auf dem Mond Wassereis gibt. Dieses könnte durch die Reaktion von Wasserstoffionen im Sonnenwind und sauerstoffhaltigen Substanzen auf der Mondoberfläche entstanden sein, die durch Kometeneinschläge oder durch Magmaaktivität dorthin getragen wurden.

Im Jahr 2023 analysierten Wissenschaftler die von Chang'e 5 gesammelten Daten und veröffentlichten einen Artikel in Nature Geoscience, in dem sie feststellten, dass der Wassergehalt auf der Mondoberfläche bis zu 270 Milliarden Tonnen betragen könnte. Da es sich bei der Lavaröhre um einen ständig im Schatten liegenden Bereich mit sehr niedrigen Temperaturen und niedrigem Gelände handelt, ist es möglich, dass sich auf dem Mond Wassereis ansammelt. Sobald eine große Menge Wassereis entdeckt wird, wird dies den Bau einer Mondbasis erheblich erleichtern und umfassenden Schutz für die menschliche Produktion und das Leben auf dem Mond bieten.

Abbildung 10 Wissenschaftler entdeckten Wassereis im Cabeus-Krater auf dem Mond (Cabeus, oben links) Quelle: Wikipedia

Eine Mondbasis bauen? Machen Sie zunächst Experimente in den Höhlen der Erde

Da es dem Menschen derzeit an den Bedingungen und der Erfahrung mangelt, um in einer Lavaröhre auf dem Mond eine Basis zu bauen, hat das Forschungsteam einen einzigartigen Ansatz gewählt und vorgeschlagen, die Karsthöhle von Chongqing zu nutzen, um eine Lavaröhre auf dem Mond zu simulieren und im Inneren Experimente und technische Konstruktionen durchzuführen.

Obwohl die Entstehungsmechanismen von Karsthöhlen und Lavaröhren leicht unterschiedlich sind, entstehen erstere im Allgemeinen durch Grundwassererosion von Karbonatgestein. Es ist verständlich, dass das Grundwasser nach täglicher und jährlicher Anstrengung schließlich ein Loch in der Felsmasse auflöst; Letzteres entsteht, wie bereits erwähnt, durch die Abkühlung der äußeren Schicht heißen Magmas während des Fließens. Allerdings sind die beiden in ihrer Struktur sehr ähnlich, bei beiden handelt es sich um gebogene, halbkreisförmige Höhlen; die Umgebung hat eine relativ konstante Temperatur; und beide sind relativ geschlossene Räume. Daher lohnt es sich, experimentelle Simulationen in Karsthöhlen durchzuführen.

Abbildung 11 Karsthöhlen in Chongqing Bildquelle: Referenz [1]

Das Forschungsteam plant, Experimente zu drei Aspekten durchzuführen.

Erstens: Wenn man bedenkt, dass es nicht realistisch ist, eine große Menge an Arbeitskräften und materiellen Ressourcen zum Mond zu schicken, ist es möglich, nur ein paar Roboter zu schicken, die automatisch aus Mondboden und -gestein eine Mondbasis errichten können? Daher sind Experimente mit intelligenter Bautechnologie und Technologie zur Ressourcennutzung vor Ort erforderlich.

Zweitens: Ist es angesichts der Tatsache, dass es auf dem Mond keine Luft gibt, möglich, geeignete Tiere, Pflanzen und Mikroorganismen in eine geschlossene Mondbasis einzuführen, um ein stabiles Ökosystem aufzubauen, sodass die Menschen in der Basis wie auf der Erde ungehindert frische Luft atmen können? Daher ist es auch notwendig, künstliche Ökosystemexperimente durchzuführen.

Drittens wäre es angesichts der Tatsache, dass der Betrieb der Basis eine stetige Energieversorgung erfordert, zu kostspielig, diese von der Erde zum Mond zu schicken. Da es außerdem unmöglich ist, die Sonnenenergie und andere Energiequellen auf dem Mond vollständig auszunutzen, muss zusätzlich versucht werden, in der Höhle ein automatisches Energiekontrollsystem einzurichten.

Abbildung 12 Karsthöhlen-Simulationsplattform Bildquelle: Referenz [1]

Science-Fiction oder Realität? Glaube an die Zukunft

Doch so schön die Idee auch ist, bei ihrer tatsächlichen Umsetzung gibt es tatsächlich viele Schwierigkeiten und Herausforderungen. Da beispielsweise noch nie eine Sonde in das Innere einer Lavaröhre vorgedrungen ist, liegen derzeit keine spezifischen und detaillierten Daten über das Innere vor. Ein weiteres Beispiel: Es gab keine erfolgreichen groß angelegten Experimente mit geschlossenen Ökosystemen, und das aufsehenerregende Experiment „Biosphäre 2“ in den 1990er Jahren endete letztlich mit einem Misserfolg. Ein weiteres Beispiel: Die Entwicklung intelligenter Konstruktionstechnologien ist noch nicht so weit fortgeschritten und es ist derzeit unmöglich, große und komplexe technische Systeme automatisch zu bauen.

Abbildung 13 Prinzipieller Prototyp eines Lavaröhren-Erkundungsfahrzeugs. Bildquelle: Referenz [4]

Obwohl es in vielen Schlüsseltechnologien noch Durchbrüche zu erzielen gilt, haben die Menschen hart daran gearbeitet. So planen die USA beispielsweise, im Jahr 2025 eine Sonde in eine Lavaröhre auf dem Mond zu schicken, um entsprechende Experimente durchzuführen. Auch die Erforschung von Ökosystemen und intelligentem Bauen ist weltweit in vollem Gange.

Sobald es gelingt, eine große Mondbasis in einer Lavaröhre zu errichten, kann ein groß angelegter Plan zur nachhaltigen Mondentwicklung fortgeführt werden: Die reichlich vorhandenen Ressourcen auf dem Mond können dann von Menschen genutzt werden, Reisen zwischen Erde und Mond könnten für normale Menschen möglich werden und der Mond könnte auch zu einer Basis für die Erforschung des Mars werden. Dies ist für das Überleben und die Entwicklung der Menschheit von entscheidender Bedeutung. Wir können uns dafür entscheiden, an die Zukunft zu glauben.

Verweise
[1]Ding, J., Xie, G., Guo, L., Xiong, X., Han, Y., Wang, X., 2022. Karsthöhle als terrestrische Simulationsplattform zum Testen und Entwerfen einer menschlichen Basis in einer Mondlavaröhre. Weltraum: Wissenschaft und Technologie. https://doi.org/10.34133/2022/9875780.

[2] Xiao Long, Huang Jun, Zhao Jiawei et al. Bedeutung und vorläufige Ideen zur Erforschung von Lavahöhlen auf dem Mond [J]. Chinesische Wissenschaft: Physik, Mechanik und Astronomie, 2018, 48(11): 87-100.

[3]Blair, DM, Chappaz, L., Sood, R., Milbury, C., Bobet, A., Melosh, HJ, Howell, KC, Freed, AM, 2017. Die strukturelle Stabilität von Lavaröhren auf dem Mond. Ikarus 282, 47–55. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2016.10.008.

[4] Yu Zhaowei. Entwurf und experimentelle Studie eines planetaren Lavaröhrenrovers zur Klippenfreigabe[D]. Harbin Institute of Technology, 2021. DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2021.003253.
[5]Sauro, F., Pozzobon, R., Massironi, M., De Berardinis, P., Santagata, T., De Waele, J., 2020. Lavaröhren auf der Erde, dem Mond und dem Mars: Eine Überprüfung ihrer Größe und Morphologie durch vergleichende Planetologie. Earth-Science Reviews 209, 103288. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2020.103288

[6] Shi Quanqi, Zong Qiugang, Le Chao, Li Lei. Reaktion der Mondoberfläche und der Weltraumumgebung auf Sonnenwind und Erdwind[J]. Chinesische Wissenschaftsstiftung, 2022, 36(06): 871-879. DOI: 10.16262/j.cnki.1000-8217.20221208.006.

[7] Chen Haibo. mein Land wird um das Jahr 2028 eine grundlegende Mondforschungsstation bauen. Guangming.cn [EB/OL]. 25.11.2022. https://news.gmw.cn/2022-11/25/content_36186673.htm

[8]Universität Bologna. „Die Lavaröhren auf dem Mars und dem Mond sind so breit, dass sie Planetenbasen beherbergen können.“ ScienceDaily. ScienceDaily, 5. August 2020. <www.sciencedaily.com/releases/2020/08/200805110118.htm>.

[9] Mondlavaröhren, Mondkrater. Wikipedia.

[10] Li Jinyang. Eine kurze Analyse der „Sicherheitszone“ im US-Artemis-Abkommen[J]. International Space, 2020(12):57-60.

[11]Huicun He, Jianglong Ji, Yue Zhang, Sen Hu, et al. Ein aus Sonnenwind gewonnenes Wasserreservoir auf dem Mond, beherbergt von Impaktglasperlen, Nature Geoscience, 2023, DOI: 10.1038/s41561-023-01159-6.

Informationen zum Autor

Name des Autors: Xiao Yidong Zugehörigkeit: Institut für Geologie und Geophysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften