Mit 1 Gramm Mondboden das „Geheimnis“ der Helium-3-Gewinnung lüften

Das junge wissenschaftliche Forscherteam machte ein Gruppenfoto. Die Person in der Mitte der hinteren Reihe trägt blaue Handschuhe und hält eine Mondbodenprobe in den Händen. Bild bereitgestellt vom Ningbo Institute of Materials, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Der Mondboden „liegt“ ruhig in einer kleinen Glasflasche, abgedeckt durch eine spezielle Vakuumhülle. Solch eine kleine Kugel, die nicht einmal den Boden einer kleinen Glasflasche bedeckt, nur 1 Gramm wiegt und „ein bisschen wie eine Kugel aus grauem“ und „unauffälligem“ Mondboden aussieht, könnte die zukünftige Energierichtung der gesamten Erde verändern.

Der von Chang'e-5 vom Mond mitgebrachte Mondboden wurde zu Forschungszwecken an einige wissenschaftliche Forschungseinrichtungen verteilt. Das Ningbo Institute of Materials der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat als gemeinsame Forschungseinheit der China Academy of Space Technology 1 Gramm Mondboden geliehen. Ziel ihrer Forschung ist es, eine Möglichkeit zu finden, Helium-3 aus dem Mondboden zu gewinnen.

Kürzlich veröffentlichte ein gemeinsames Team des Ningbo Institute of Materials der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, des Qian Xuesen Laboratory der Fünften Akademie für Luft- und Raumfahrtwissenschaft und -technologie, des Institute of Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der Universität Nanjing einen Artikel in der Fachzeitschrift Materials Futures, in dem es die Entdeckung einer Schicht aus amorphem Glas auf der Oberfläche von Ilmenitpartikeln im Mondboden bekannt gab. Die spezielle ungeordnete atomare Stapelstruktur glasartiger Materialien weist eine extrem hohe Stabilität auf. Glasartiger Bernstein kann beispielsweise biologische Proben Hunderte von Millionen Jahren lang konservieren und Oxidglas kann Atommüll Tausende von Jahren lang lagern. Diese Arbeit zeigt, dass Ilmenitglas außerdem äußerst stabil ist und die reichlich vorhandenen Helium-3-Vorkommen auf dem Mond einfängt und bewahrt.

Helium-3 hat als Isotop von Helium (dem zweiten Element im Periodensystem) einen wichtigen Anwendungswert in Bereichen wie Energie, wissenschaftliche Forschung und nationale Verteidigungssicherheit. Als Brennstoff für die kontrollierte Kernfusion erzeugt die Kernfusion von Helium-3 beispielsweise das 250-Fache der für den Bergbau benötigten Energie und das 12,5-Fache der Energie der Kernspaltungsreaktion von Uran-235 (etwa 20). Die durch die Kernfusion von 100 Tonnen Helium-3 erzeugte Energie kann die Welt ein Jahr lang versorgen. Bei der Kernfusion mit Helium-3 besteht kein Risiko einer sekundären Neutronenstrahlung, außerdem ist sie sauberer und besser kontrollierbar. Darüber hinaus ist Helium-3 ein wichtiges Kühlmittel zur Erzielung extrem niedriger Temperaturen und eine wesentliche Substanz in hochmodernen Forschungsbereichen wie Supraleitung, Quantencomputern und topologischen Isolatoren. Das wichtigste Heliumelement auf der Erde ist jedoch Helium-4, und die Reserven an Helium-3 betragen lediglich etwa 0,5 Tonnen, was bei weitem nicht ausreicht, um den aktuellen Bedarf zu decken.

Helium-3 ist auf der Erde selten, auf dem Mond gibt es jedoch erstaunliche Reserven. Da Helium-3 ein wichtiger Bestandteil des Sonnenwindes ist, wird der Mond das ganze Jahr über vom Sonnenwind bestrahlt und speichert eine große Menge Helium-3. Die Erforschung der Mondressourcen, insbesondere des Gehalts, der Verteilung und der Gewinnung von Helium-3, ist zu einem unvermeidlichen Trend und einer Hauptaufgabe der aktuellen internationalen Erforschung des Weltraums geworden. Daher begann ab dem Ende des 20. Jahrhunderts in der wissenschaftlichen und technologischen Gemeinschaft eine neue Runde des Mond-„Goldrausches“, der die Monderkundung und die wissenschaftliche Forschung zu einem neuen Höhepunkt brachte. Allerdings bleibt die Frage, wie Helium-3 vor Ort effizient abgebaut werden kann, eine wissenschaftliche und technologische Herausforderung.

Frühere Studien haben gezeigt, dass Helium-3 in Mondbodenpartikeln gelöst ist. Die Gewinnung von Helium-3 ist durch die Diffusionsrate begrenzt und erfordert hohe Temperaturen über 700 °C. Dies ist nicht nur energieintensiv, sondern auch langsam, was dem In-situ-Bergbau auf dem Mond nicht förderlich ist. Daher ist die Erforschung der Speicherform von Helium-3 im Mondboden von entscheidender Bedeutung, um zu verstehen, wie der Mond Helium-3 einfängt und wie Helium-3-Ressourcen in Zukunft erschlossen und genutzt werden können.

Dieses Mal verwendeten chinesische Forscher hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie in Kombination mit Elektronenenergieverlustspektroskopie, um eine große Anzahl von Heliumblasen in der Glasschicht zu beobachten. Der Durchmesser der Blasen betrug etwa 5 bis 25 Nanometer (1 Millimeter entspricht 1000 Mikrometern und 1 Mikrometer entspricht 1000 Nanometern – Anmerkung des Reporters) und die meisten Blasen befanden sich in der Nähe der Schnittstelle zwischen der Glasschicht und dem Kristall. Allerdings sind in den Kristallen im Inneren der Partikel grundsätzlich keine Heliumbläschen vorhanden.

Angesichts der hohen Löslichkeit von Helium in Ilmenit gehen die Forscher davon aus, dass Heliumatome zunächst durch den Sonnenwind in das Ilmenitgitter injiziert und dann aufgrund des Kanaldiffusionseffekts des Gitters allmählich freigesetzt werden. Das Oberflächenglas weist eine ungeordnete atomare Stapelstruktur auf, die die Freisetzung von Heliumatomen begrenzt. Die Heliumatome werden eingefangen und nach und nach gespeichert, wobei sich Blasen bilden.

Untersuchungen haben gezeigt, dass es möglich ist, Helium-3, das bei Raumtemperatur in Form von Blasen gespeichert ist, durch mechanische Zerkleinerungsverfahren zu extrahieren, ohne dass eine Erhitzung auf hohe Temperaturen erforderlich ist. Darüber hinaus verfügt Ilmenit über schwache magnetische Eigenschaften und kann durch magnetische Siebung von anderen Mondbodenpartikeln getrennt werden, was den Abbau vor Ort auf dem Mond erleichtert. Schätzungen zufolge könnte der weltweite Energiebedarf für 2.600 Jahre gedeckt werden, wenn das gesamte Helium-3 auf dem Mond für die Kernfusion genutzt würde.

Ein Reporter von China Youth Daily und China Youth Network erfuhr aus einem Interview, dass es sich bei diesem Forschungsteam des Ningbo Institute of Materials der Chinesischen Akademie der Wissenschaften um ein junges wissenschaftliches Forschungsteam handelt. Alle 12 Lehrer sind in den 1980er Jahren geboren, es gibt etwa 20 Schüler. Teamleiter Wang Junqiang sagte, dass Interesse und Beharrlichkeit der Schlüssel zum Erfolg in der wissenschaftlichen Forschung seien.

Nach seinem Universitätsabschluss beschloss Wang Junqiang, sich für ein Aufbaustudium am Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften zu bewerben, einer der Einrichtungen mit der höchsten physikalischen Forschung in China. Während Wang Junqiang für seine Doktorarbeit studierte, führte er oft die ganze Nacht lang Experimente durch. Am Ende seines ersten Jahres sagte sein Betreuer, er sei der Student gewesen, der am meisten für Experimente ausgegeben habe. Der Vorgesetzte beschwerte sich jedoch nicht, sondern sprach in einem angenehmen Ton mit ihm. Um die Mission zur Erforschung des Mondbodens abzuschließen, arbeitete das Team dieses Mal oft die ganze Nacht hindurch, um Experimente durchzuführen und Daten zu analysieren. Am Ende hat sich ihre harte Arbeit gelohnt und sie haben einige wichtige Ergebnisse erzielt.

Da es nur 1 Gramm Mondboden gibt, muss jedes Experiment sorgfältig geplant und berechnet werden. Um Proben vom Mondboden zu entnehmen, müssen die Forscher eine spezielle Handschuhbox verwenden und „ein paar winzige Partikel aus der kleinen Aschekugel entnehmen“, und sie müssen viele Untersuchungen durchführen, bevor sie eine erfolgreiche Probe finden. Derzeit nutzt das Team außerdem die weltweit führende, von ihm unabhängig entwickelte Ultrahochtemperatur-Kernspinresonanz-Ausrüstung, um den Glasübergang und den Phasenübergang von Mondbodenproben bei hohen Temperaturen zu untersuchen und so den Grundstein für den zukünftigen In-situ-3D-Druck von Mondboden und die Errichtung einer Mondbasis zu legen.

Manchmal ist es schwierig, in der Forschungsarbeit eine klare Richtung oder Ergebnisse zu erkennen. Bei vielen bahnbrechenden und innovativen Studien kann es Jahre oder sogar Jahrzehnte dauern, bis sie Wirkung zeigen.

„Die Forschungsarbeit ist sehr anspruchsvoll, aber glücklicherweise haben wir einen erfolgreichen Weg eingeschlagen“, sagte Xu Wei, Teammitglied und assoziierter Forscher am Ningbo Institute of Materials der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.

Quelle: China Youth Daily