Laserschmelzverfahren 13.10.2023, 09:59 Uhr

Straßenbau auf dem Mond: Mit 3D-Druck und Mondstaub soll es gelingen

Es scheint nur noch eine Frage der Zeit, wann die ersten Menschen dauerhaft auf dem Mond leben. Forschende haben nun herausgefunden, wie sich mithilfe innovativer 3D-Drucktechnologien und Mondstaub Straßen und Landeplätze auf dem Erdtrabanten herstellen lassen.

Straßenbau auf dem Mond

Fertigung von Pflasterelementen aus Mondstaub mittels 3D-Druck (Laserschmelzverfahren) im Labor.

Foto: BAM

Wenn Menschen eines Tages auf dem Mond leben wollen, lassen sich unmöglich alle für die Infrastruktur benötigten Materialien mit dem Raumschiff dorthin transportieren. Die ersten Mondbewohner müssen sich damit begnügen, was es dort gibt – und das ist vor allem Mondstaub. An anderer Stelle haben wir bereits darüber berichtet, wie sich daraus Häuser herstellen lassen. Nun haben sich die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), die Technische Universität Clausthal und die Hochschule Aalen damit beschäftigt, wie sich aus Mondstaub Straßen und Landeplätze herstellen lassen – und zwar mittels 3D-Druck. Die Ergebnisse der Studie hat das Forschungsteam in der angesehenen Fachzeitschrift Springer Nature Scientific Reports veröffentlicht.

Ohne befestigte Wege geht es nicht

Aufgewirbelter Mondstaub stellt für Mondmissionen eine erhebliche Herausforderung dar. Durch die geringe Schwerkraft auf dem Mond schwebt der Staub besonders lange, was Maschinen, Ausrüstungen und Geräte schädigen kann. Obwohl oft von „Staub“ die Rede ist, beschreibt der Begriff „Mondregolith“ die Situation genauer. Mondregolith besteht aus zermahlenem Mondgestein und ähnelt in seiner Konsistenz eher Sand als Staub. Da dem Mond eine Atmosphäre fehlt, sind seine Partikel nicht abgerundet, sondern besitzen scharfe Kanten. Zudem sind aufgrund der Hitze bei Asteroideneinschlägen Glassplitter im Regolith enthalten.

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Mondstaub dringt in Dichtungen und mechanische Komponenten ein, was dazu führt, dass sich die Lebensdauer der Bauteile durch die veränderten Reibungseigenschaften erheblich reduziert. Darüber hinaus kann er optische Systeme beeinträchtigen und sich auf Solarzellen sowie thermischen Radiatoren absetzen, was deren Leistungsfähigkeit mindert. Für Astronauten stellt der scharfkantige Staub ebenfalls ein Risiko dar, da er Dichtungen von Raumanzügen und Luftschleusen beschädigen kann. Die elektrostatische Aufladung des Staubs führt zudem dazu, dass er leicht an Oberflächen haftet, weshalb das Eindringen in Innenräume kaum zu verhindern ist.

Sollen dauerhafte Mondbasen errichtet werden, braucht es daher eine möglichst staubfreie Infrastruktur – also befestigte Straßen oder Landeplätze. Wie bereits erwähnt, wäre jedoch der Transport von Baumaterial von der Erde zum Mond sehr aufwendig und kostspielig – und somit keine Option. Ein effizienterer Ansatz wäre, den reichlich vorhandenen Mondstaub vor Ort zu verwenden, der den Mond mit einer mehreren Meter dicken Schicht überzieht.

Mondstaub als Baumaterial

Genau vor dem Hintergrund, dass die staubige Mondoberfläche Mensch und Maschine schädigen kann, setzt die aktuelle Studie an. Die Forschergruppe setzte Laserstrahlen verschiedener Stärken und Dimensionen (bis zu 100 mm Durchmesser und 12 Kilowatt Leistung) ein, um aus Mondstaub ein widerstandsfähiges Baumaterial herzustellen. Als Versuchsmaterial diente EAC-1A, ein von der European Space Agency (ESA) anerkanntes Mondstaub-Äquivalent.

Die ausgedehnten Laserbrennflecken beschleunigten den Schmelzprozess des Materials in solide, großflächige Strukturen – ideal für Straßenbau und Landeplätze auf dem Mond. Jedoch zeigten die Experimente, dass überlappende Laserstrahlen aufgrund ihrer hohen Energiedichte zu Temperaturunterschieden und damit verbundenen Spannungen im Material führten, was Risse verursachte.

Um dieses Problem zu beheben, entwickelte das vielseitige Forschungsteam dreieckige Formen mit zentralen Öffnungen. So überlappten die Laserspuren beim Druckprozess nicht. Das Endprodukt waren „Pflastersteine“, die nahtlos ineinandergreifen und eine stabile Oberfläche erzeugen.

Hochbrechende Linse soll den Laser ersetzen

Für den 3D-Druck im Laserschmelzverfahren braucht es eigentlich einen leistungsfähigen Laser. Der ist allerdings zu schwer, um ihn auf den Mond zu transportieren. Das Forschungsteam hat sich daher eine Alternative ausgedacht. Eine hochbrechende Linse mit mehreren Metern Durchmesser soll die Aufgabe übernehmen. Sie könnte das Sonnenlicht bündeln, so dass der Intensität des Lasers entspricht.

Der große Vorteil: Solch eine Linse auf Folienbasis (Fresnel-Linse) würde nicht einmal zehn Kilogramm wiegen und ließe sich wesentlich leichter auf den Mond transportieren. Entsprechend stolz ist Jens Günster, Projektkoordinator und Leiter des Fachbereiches Multimateriale Fertigungsprozesse an der BAM: „Unsere Ergebnisse zeigen das große Potenzial, das in der additiven Fertigung steckt. Sie bringen uns einen bedeutenden Schritt näher zum Aufbau einer verlässlichen Infrastruktur auf dem Mond, wie sie die europäische Raumfahrtorganisation ESA plant.“

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

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