Mithilfe von 0,2 Gramm Mondboden entdeckten sie ein großes Geheimnis

Als Professor Yao Yingfang von der Universität Nanjing das erste Experiment mit 0,02 Gramm schwerem Mondboden durchführte, war er so nervös, dass seine Hände zitterten.

Sein Forschungsziel besteht darin, einige Bestandteile des Mondbodens als künstliche Photosynthesekatalysatoren zu nutzen, um von Menschen ausgeatmetes Kohlendioxid, von der Mondoberfläche gewonnenes Wasser usw. in Sauerstoff, Wasserstoff, Methan und Methanol umzuwandeln.

Wenn die Menschheit diese Fähigkeit beherrscht, wird sie auch ohne Versorgung von der Erde in der Lage sein, auf dem Mond mithilfe lokaler Materialien Sauerstoff, Wasser und andere lebensnotwendige Dinge zu produzieren. Es kann Menschen beim Bau von Mondbasen und Mondrelaisstationen unterstützen und Energie für die Erforschung des Weltraums und interstellare Reisen in größere Entfernungen bereitstellen.

Kürzlich hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Akademiemitglied Yang Mengfei, Oberbefehlshaber und Chefdesigner des Chang'e-5-Sondensystems der Chinesischen Akademie für Weltraumtechnologie, Akademiemitglied Wang Weihua vom Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Akademiemitglied Zou Zhigang von der Universität Nanjing eine Strategie für künstliche Photosynthese außerhalb des Mondes vorgeschlagen. Die Forschungsergebnisse wurden in der international renommierten Fachzeitschrift Joule veröffentlicht.

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Zwei Methoden zur effizienten Katalyse von Mondboden

Um auf dem Mond leben und überleben zu können, sind Wasser, Sauerstoff und Energie unabdingbar. Sich darauf zu verlassen, dass die Erde sie liefert, ist immer nur ein Tropfen auf den heißen Stein. Forscher hoffen, durch die „einheimischen“ Ressourcen des Mondes weitere Möglichkeiten zu finden.

Vor zwei Jahren gab die NASA bekannt, dass sich auf der Mondoberfläche Wassermoleküle befinden. Die von meinem Land gestartete Sonde Chang'e-5 führte eine Vor-Ort-Erkundung des Mondbodens durch, die die Existenz von Wasservorkommen auf dem Mond weiter bestätigte.

Wasser kann von Astronauten nicht nur zum Trinken verwendet, sondern auch in zwei Schätze verwandelt werden. „Wir haben zuvor an einem Projekt teilgenommen, das vom Qian Xuesen Space Technology Laboratory der China Academy of Space Technology geleitet wurde und sich mit der Nutzung und photochemischen Umwandlung von Wasserressourcen auf der Mondoberfläche befasste. Dabei geht es darum, Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen“, sagte Yao Yingfang, der Erstautor des Artikels, in einem Interview mit China Science Daily.

Nach Erhalt des von Chang'e-5 zurückgebrachten Mondbodens wollte das Team insbesondere herausfinden, ob der Mondboden auch als katalytisches Material zur Umwandlung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff verwendet werden könnte und ob der Mondboden eine gewisse Rolle bei der Umwandlung von Kohlendioxid spielen könnte.

Bei dem diesmal gewonnenen Mondboden handelt es sich um sehr jungen Basalt von der Mondoberfläche. Dieses Mineral ist reich an Eisen, Titan und anderen Katalysatorkomponenten, die häufig bei der künstlichen Photosynthese verwendet werden. „Durch maschinelles Lernen und andere Methoden haben wir analysiert, dass der Mondboden etwa 24 Mineralkomponenten enthält. Acht davon, darunter Ilmenit, Titanoxid, Hydroxylapatit und eine Vielzahl von eisenbasierten Verbindungen, verfügen über gute photokatalytische Eigenschaften“, erläuterte Yao Yingfang.

Darüber hinaus weist die Oberfläche des Mondbodens selbst zahlreiche Mikroporen und Bläschenstrukturen auf, die die katalytische Leistung des Mondbodens weiter verbessern können. Es ist äußerst selten, diese natürlichen Vorteile im Mondboden zu entdecken.

Um die optimale Lösung zu finden, führte das wissenschaftliche Forschungsteam verschiedene Versuche zur Katalyse von Mondböden durch, um deren Leistung zu bewerten. Beispielsweise kann durch photovoltaische Elektrolyse von Wasser die Umwandlung von Wasserstoff und Sauerstoff erreicht werden; Durch photokatalytische Wasserzersetzung kann Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden. photokatalytisch kann Kohlendioxid in Kohlenmonoxid, Methan und Methanol umgewandelt werden; und photothermisches Kohlendioxid kann hydriert werden, um Methan und Methanol zu erzeugen.

Am Ende entschieden sie sich für die photovoltaische Wasserelektrolyse und die photothermische katalytische Kohlendioxidhydrierung als zwei Methoden, mit denen die höchste katalytische Effizienz im Mondboden erreicht werden kann und die daraus resultierenden Materialien nützlicher und reiner sind.

„Methan ist als Treibstoff ein sehr guter Treibstoff für Raumfahrzeuge; Methanol hat sogar noch breitere Einsatzmöglichkeiten. Viele organische Verbindungen, die wir tragen und verwenden, enthalten Methanol als Rohstoff. Die kontinuierliche Methanolproduktion bedeutet, dass wir auf dem Mond eine Methanol-Chemiefabrik bauen können, um die von der Menschheit benötigten Chemikalien herzustellen“, sagte Yao Yingfang.

Die vier durch die Katalyse des Mondbodens gewonnenen Substanzen, nämlich Sauerstoff, Wasserstoff, Methan und Methanol, sind allesamt notwendige Substanzen, damit der Mensch auf der Mondoberfläche überleben und Stützpunkte und Relaisstationen errichten kann. Als eine der am häufigsten vorkommenden Ressourcen auf dem Mond verfügen die Mondbodenressourcen über ein enormes Entwicklungspotenzial und Spielraum.

Vor Ort, wodurch Startlast und -kosten deutlich reduziert werden

Zuvor hatten Wissenschaftler bereits zahlreiche Strategien für das Überleben außerhalb der Erde vorgeschlagen, doch die meisten dieser Konzepte basieren auf der Energie der Erde.

Beispielsweise kann das Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment (MOXIE), das vom 2020 gestarteten Marsrover Perseverance der NASA getragen wird, Sauerstoff aus Kohlendioxid in der Marsatmosphäre erzeugen. Das Instrument wird jedoch von Isotopenbatterien von der Erde angetrieben und verwendet elektrochemische Methoden unter Hochtemperaturbedingungen, um Kohlendioxid in Kohlenmonoxid und Sauerstoff zu zerlegen.

„Der damals von ihnen festgelegte Standard sah eine Sauerstoffumwandlungseffizienz von 10 Gramm pro Stunde vor, doch aus verschiedenen Gründen erreichten sie auf der Marsoberfläche letztlich eine Umwandlungseffizienz von etwa 6 Gramm pro Stunde“, sagte Yao Yingfang. „Nicht nur ist die Effizienz nicht hoch, das Gerät soll auch sehr sperrig sein und die Batterie muss wahrscheinlich häufig ausgetauscht werden, was bedeutet, dass das Raumfahrzeug viele Male gestartet werden muss und jeder Start die Nutzlast erheblich erhöht.“

Die in diesem Artikel beschriebene außerirdische Technologie der künstlichen Photosynthese ist relativ einfach und nutzt zur Produktion von Sauerstoff, Treibstoff und Überlebensvorräten vollständig außerirdische Ressourcen und die Umgebung.

Auf dem Mond herrschen nachts minus 173 Grad Celsius, bei minus 78,5 Grad Celsius verwandelt sich Kohlendioxid in Trockeneis. Daher kann auf dem Mond nachts Kohlendioxid direkt aus dem von Menschen ausgeatmeten Gas getrennt und dann mithilfe von auf der Mondoberfläche gewonnenen Wasserressourcen in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden. Der Sauerstoff dient den Menschen zum Atmen und das Kohlendioxid wird mit dem Wasserstoff vermischt. Tagsüber, wenn die Temperatur auf dem Mond 127 Grad Celsius erreicht, kann der Prozess der Umwandlung von Kohlendioxid in Methan durch Zugabe von Wasserstoff auf raffinierte Weise vor Ort durchgeführt werden.

„Der größte Vorteil dabei ist, dass die Nutzlast der Rakete deutlich reduziert werden kann, die Kosten für Flüge von Raumfahrzeugen zum Mond und sogar noch weiter in den Weltraum sinken und eine erschwingliche und nachhaltige Erforschung des Weltraums möglich wird“, sagte Yao Yingfang.

Analog zum Zeitalter der Entdeckungen ist man sich weltweit einig, dass wir in naher Zukunft in das Zeitalter der Raumfahrt eintreten werden. Darüber hinaus gibt es bereits Menschen, die nacheinander den Weltraum erforschen, wie etwa Musks SpaceX und Amazon-Gründer Jeff Bezos.

Unser Land hat sogar vorgeschlagen, eine Weltraumwirtschaftszone Erde-Mond zu errichten. Bao Weimin, Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der Internationalen Akademie für Astronautik, schätzte einst, dass der jährliche Gesamtproduktionswert in der Erd-Mond-Wirtschaftszone bis 2046 mindestens 10 Billionen US-Dollar erreichen werde.

„Wenn wir eine groß angelegte Erforschung außerirdischer Welten durchführen wollen, müssen wir uns so wenig wie möglich auf die Vorräte der Erde verlassen und stattdessen außerirdische Ressourcen nutzen, um ein außerirdisches Recyclingsystem zu realisieren, damit wir die Weltraumwirtschaftszone Erde-Mond wirklich verwirklichen können.“ Yao Yingfang sagte: „Unsere Strategie besteht darin, ein ‚Null-Energie‘-Lebenserhaltungssystem für eine nachhaltige und erschwingliche außerirdische Lebensumgebung bereitzustellen.“

Ein Gramm Mondboden ist kostbar

Der 12. Juli 2021 wird ein Tag sein, den Yao Yingfang nie in ihrem Leben vergessen wird. An diesem Tag ging er zusammen mit dem Akademiemitglied Zou Zhigang zum Lunar Exploration and Space Engineering Center der National Space Administration, um der Zeremonie zur Verteilung des Mondbodens beizuwohnen. Gleichzeitig führte das Forschungsteam der Universität Nanjing als Mitglied des gemeinsamen Forschungsteams der China Academy of Space Technology Untersuchungen an 1 Gramm Mondboden durch.

„Der gesamte Prozess von Anfang bis Ende hat mich begeistert! Ich hätte nie gedacht, dass ich jemals einem so großartigen Team beitreten würde. Wir sind das einzige gemeinsame Forschungsteam in der ersten Gruppe von 13 wissenschaftlichen Forschungseinheiten, die Mondboden verteilt haben, bei dem Materialien, Katalyse und Energie als Einstiegspunkte verwendet wurden.“ Yao Yingfang ist immer noch aufgeregt, wenn er an diesen Moment denkt.

Obwohl der für diese Forschung verwendete Mondboden nur 1 Gramm wiegt, ist er äußerst wertvoll. Sie sollten wissen, dass der Mondboden, den die US-Apollo-Mission vom Mond mitbrachte und der Führung unseres Landes als Staatsgeschenk überreichte, nur 0,5 Gramm wog.

Mondbodenproben von Chang'e-5, gelagert im Lunar Sample Laboratory der Universität Nanjing. Datenkarte

Foto: Reporter Chen Xiyuan von der Nachrichtenagentur Xinhua

Nachdem der Mondboden zur Universität Nanjing zurückgebracht worden war, wurde er in einer von der Universität speziell dafür eingerichteten ultrareinen Umgebung gelagert. Diese Umgebung wurde streng nach den „Vorschriften zur Verwendung von Mondproben“ der Nationalen Weltraumbehörde gestaltet. Der Sauerstoffgehalt lag bei höchstens 20 ppm (parts per million) und der Wasserdampfgehalt bei höchstens 50 ppm. Gleichzeitig muss der Lagerraum kontinuierlich und ohne tote Winkel überwacht werden und während des Experiments müssen Audio-, Video- und Textaufzeichnungen in Echtzeit erfolgen.

Yao Yingfang erinnert sich noch genau an das erste Mal, als er 0,02 Gramm Monderde verwendete, und damals passierte etwas Komisches. Yao Yingfang wollte, dass seine Schüler diesen heiligen Moment einleiteten, aber sie waren zu aufgeregt, um es zu tun. Auch als er persönlich an der Operation teilnahm, war er sehr nervös. „Als ich 0,02 Gramm Mondboden wog, zitterten meine Hände vor Nervosität. Der Mondboden ist so kostbar.“

Mondboden ist schwer zu bekommen und die erste Station war das Forschungszentrum für Umweltmaterialien und erneuerbare Energien der Universität Nanjing, da sich hier ein bekanntes Forschungsteam für außerirdische künstliche Photosynthese befindet, das die besten Talente des Landes auf dem Gebiet der außerirdischen künstlichen Photosynthese vereint.

Zum Team gehören nicht nur Akademiemitglied Zou Zhigang, sondern auch Akademiemitglied Wang Weihua vom Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Akademiemitglied Yang Mengfei, Oberbefehlshaber und Chefdesigner des Chang'e-5-Sondensystems der Chinesischen Akademie für Weltraumtechnologie. Die drei Akademiker gründeten gemeinsam das Akademische Studio für physikalische und chemische Prozesse des außerirdischen Überlebens an der Chinesischen Akademie für Weltraumtechnologie.

„Dank dieses Studios haben wir die Möglichkeit, solch wertvollen Mondboden zu erhalten. 0,2 Gramm davon wurden für diese Forschung verwendet“, sagte Yao Yingfang.

Diese Forschung wurde in Zusammenarbeit zwischen der Universität Nanjing, der China Academy of Space Technology, der Chinese University of Hong Kong (Shenzhen) und der University of Science and Technology of China durchgeführt. Während des gesamten Forschungsprozesses waren die Teammitglieder sehr einig und motiviert und berichteten und kommunizierten jeden Monat über den Forschungsprozess und -fortschritt. Noch wichtiger ist, dass sie bei der Durchführung von Forschungen ihr Bestes tun werden, um die Ursprünglichkeit des Mondbodens zu schützen und die während des Forschungsprozesses entstehenden Verluste zu minimieren.

Yao Yingfang gab bekannt, dass sie nach Möglichkeiten suchen, das System im Weltraum zu testen, möglicherweise zur Überprüfung im Rahmen der zukünftigen bemannten Mondmission Chinas.

Informationen zum zugehörigen Artikel: https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.04.011

Autor: Zhang Qingdan

Quelle: China Science Daily