Geheimnisse des Mondbodens: Sauerstoff und Treibstoff könnten auf dem Mond produziert werden

Jin Feng, Reporter der Science and Technology Daily

Ein kürzlich in der internationalen Fachzeitschrift Joule veröffentlichter Artikel hat in der akademischen Gemeinschaft große Aufmerksamkeit erregt. Nach einer detaillierten Analyse der Elemente und der Mineralstruktur des von Chang'e 5 geborgenen Mondbodens (im Folgenden „Chang'e 5-Mondboden“ genannt) stellte das Forschungsteam fest, dass einige aktive Verbindungen im Mondboden gute katalytische Eigenschaften haben. Sie nutzten es als Katalysator und nutzten die Technologie der künstlichen Photosynthese, um mit Hilfe von simuliertem Sonnenlicht Wasser und Kohlendioxid in Sauerstoff, Wasserstoff, Methan und Methanol umzuwandeln.

Mondboden ist eine der am häufigsten vorkommenden Ressourcen auf dem Mond. Wenn Mondboden oder seine extrahierten Bestandteile als Katalysatoren für die künstliche Photosynthese auf dem Mond genutzt werden können, lassen sich Nutzlast und Kosten von Raumfahrzeugen erheblich reduzieren. Vielleicht können wir in Zukunft lokale Materialien auf dem Mond nutzen, um Astronauten lebenserhaltend zu versorgen und Treibstoff herzustellen. Am 7. Mai äußerte Yao Yingfang, Co-Erstautor des Artikels und Professor an der Universität Nanjing, diese Ansicht in einem Exklusivinterview mit Science and Technology Daily.

Die elementare Zusammensetzung und Mikro-Nanostruktur des Mondbodens verleihen ihm gute katalytische Eigenschaften

Im Jahr 2021 erhielt die Universität Nanjing als eines der Mitglieder des gemeinsamen Teams unter der Leitung der China Academy of Space Technology das erste Gramm der verteilten Mondproben. Das Forschungsteam, das die Ergebnisse veröffentlichte, verwendete 0,2 Gramm Mondboden für die Forschung und entdeckte einige Eigenschaften des Mondbodens.

„Der Mondboden von Chang'e-5 stammt aus sehr jungem Basalt auf der Mondoberfläche. Dieses Mineral ist reich an Eisen, Titan und anderen Katalysatorkomponenten, die üblicherweise bei der künstlichen Photosynthese verwendet werden. Das Team nutzte maschinelles Lernen und andere Methoden, um mehrere Analysen der Mondbodenstruktur durchzuführen und fand heraus, dass acht kristalline Mineralien, darunter Ilmenit und Titanoxid, bei der künstlichen Photosynthese gute Ergebnisse erzielen können“, sagte Yao Yingfang.

Wie hoch ist die tatsächliche katalytische Leistung von Mondboden? Das Forschungsteam verwendete Mondboden als katalytisches Material für Reaktionen wie die photovoltaische Wasserelektrolyse, die photokatalytische Wasserzersetzung, die photokatalytische Kohlendioxidreduktion und die photothermische katalytische Kohlendioxidhydrierung und stellte fest, dass er bei der photovoltaischen Wasserelektrolyse und den photothermischen katalytischen Kohlendioxidhydrierungsreaktionen eine hohe Leistung und Selektivität aufweist.

Bei diesen Experimenten verwendeten wir simuliertes Sonnenlicht sowie Wasser und Kohlendioxid als Ausgangsstoffe und verglichen den Mondboden mit dem simulierten Mondboden aus dem US-Apollo-Programm und dem Basalt auf der Erdoberfläche. Wir stellten fest, dass der Mondboden von Chang'e-5 bei der photovoltaischen Wasserelektrolyse am effizientesten Sauerstoff und Wasserstoff produzierte. Auch bei der photothermischen katalytischen Kohlendioxidhydrierung war die Effizienz der Methan- und Methanolproduktion aus dem Mondboden von Chang'e-5 höher als bei anderen Materialien. Yao Yingfang erklärte erfreut, dass Sauerstoff die Lebenserhaltung des Menschen gewährleisten könne, Methan ein Wirkstoff in Raketentreibstoffen und Methanol ein Rohstoff für organische Chemikalien sei.

Die Studie ergab außerdem, dass die Oberfläche des Mondbodens zahlreiche Mikroporen und Bläschenstrukturen aufweist. „Diese Mikro-Nanostruktur verbessert die katalytische Leistung des Mondbodens weiter“, sagte Yao Yingfang.

Wir werden uns bemühen, Experimente in zukünftigen Weltraumprogrammen durchzuführen

Auf Grundlage der obigen Analyse schlug das Forschungsteam Strategien und Schritte vor, um eine außerirdische künstliche Photosynthese unter Verwendung von Mondboden als Reaktion auf die Mondumgebung zu erreichen. „Wir nutzen die extrem niedrige Temperatur von etwa -173 °C auf dem Mond in der Nacht, um Kohlendioxid aus der Atemluft zu kondensieren und zu trennen. Anschließend nutzen wir das Sonnenlicht, um den Mondboden von Chang'e-5 als Elektrokatalysator für die Wasserzersetzung und als photothermischen Katalysator für die Kohlendioxidhydrierung zu verwenden und die von Menschen ausgeatmeten Abgase und die auf der Mondoberfläche abgebauten Wasserressourcen in Sauerstoff, Wasserstoff, Methan und Methanol umzuwandeln.“ Yao Yingfang sagte, dass mithilfe der außerirdischen Technologie der künstlichen Photosynthese möglicherweise nur Sonnenenergie, Wasser und Mondboden auf dem Mond benötigt würden, um Sauerstoff und Kohlenwasserstoffe zu produzieren. Mit dieser Technologie soll ein geringer Energieverbrauch und eine effiziente Energieumwandlung mithilfe der Temperaturumgebung auf der Mondoberfläche erreicht werden. Dies bietet eine mögliche Lösung für die Einrichtung eines Ressourcennutzungssystems vor Ort, das sich an die extremen Umgebungsbedingungen des Mondes anpassen kann.

Obwohl die katalytische Effizienz des Mondbodens geringer ist als die der auf der Erde verfügbaren Katalysatoren, sagte Yao Yingfang, dass das Forschungsteam auch die wirksamen katalytischen Komponenten im Mondboden trennen und verfeinern werde, um bessere katalytische Effekte zu erzielen.

Ob die Technologie der außerirdischen künstlichen Photosynthese in einer realen Mondumgebung umgesetzt werden kann, muss jedoch noch weiter überprüft werden. Yao Yingfang stellte vor, dass sie derzeit mit Forschern der China Academy of Space Technology zusammenarbeiten, um die Erprobung der Technologie zur künstlichen Photosynthese auf außerirdischen Planeten in zukünftigen Weltraumprogrammen zu ermöglichen und eine Überprüfung in realen Umgebungen durchzuführen.

Quelle: Science and Technology Daily Autor: Jin Feng