Wie die Sauerstoffgewinnung auf dem Mond funktioniert – Von Staub zu Luft

Ein verborgenes Reservoir unter Ihren Füßen

Raketentreibstoff, Atemluft und Wasser haben alle eine entscheidende Zutat gemeinsam: Sauerstoff. Ihn von der Erde zum Mond zu transportieren, kostet Tausende von Dollar pro Kilogramm. Doch der Mond birgt bereits riesige Mengen an Sauerstoff – eingeschlossen in dem feinen, pulverförmigen Boden, der seine Oberfläche bedeckt. Lunares Regolith, wie Wissenschaftler es nennen, besteht zu etwa 41–45 Gewichtsprozent aus Sauerstoff, der fest an Metalle wie Silizium, Eisen, Aluminium und Titan gebunden ist.

Die Herausforderung besteht nicht darin, Sauerstoff auf dem Mond zu finden. Es geht darum, ihn aus dem Gestein freizusetzen. Eine Familie von Technologien, die zusammenfassend als In-Situ Resource Utilization (ISRU) bezeichnet werden, zielt genau darauf ab, und jüngste ingenieurtechnische Meilensteine deuten darauf hin, dass die ersten funktionierenden Sauerstoffanlagen auf dem Mond innerhalb des nächsten Jahrzehnts in Betrieb gehen könnten.

Wie die Elektrolyse von geschmolzenem Regolith funktioniert

Der vielversprechendste Ansatz ist die Elektrolyse von geschmolzenem Regolith (MRE). Das Konzept ist trügerisch einfach: Zerkleinerten Mondboden erhitzen, bis er schmilzt, und dann einen elektrischen Strom durch das geschmolzene Becken leiten, um Sauerstoff von Metallen zu trennen – ähnlich wie bei der industriellen Aluminiumschmelze auf der Erde.

In der Praxis schaufelt ein Roboterexcavator Regolith und liefert ihn zu einem Reaktor. Im Inneren erhitzen Elektroden das Pulver auf etwa 1.600 °C, wodurch ein glühendes Becken aus flüssigem Oxid entsteht. Wenn Strom zwischen einer Anode und einer Kathode fließt, wandern Sauerstoffionen zur Anode, wo sie sich zu O₂-Gas verbinden, das aufgefangen, gereinigt und gelagert werden kann. In der Zwischenzeit sammeln sich an der Kathode geschmolzene Metalllegierungen – Eisen, Aluminium, Silizium – als wertvolle Nebenprodukte.

Ein cleverer technischer Trick macht den Prozess selbstisolierend: Der Regolith an den Rändern des Reaktors bleibt fest und bildet einen natürlichen Tiegel, der die Gefäßwände vor der extremen Hitze schützt. Es werden keine exotischen Containermaterialien benötigt.

Alternative Methoden

MRE ist nicht die einzige Option. Die Schmelzsalzelektrolyse, die von dem FFC-Cambridge-Verfahren abgeleitet ist, das ursprünglich in den 1990er Jahren zur Titangewinnung entwickelt wurde, taucht Regolith in geschmolzenes Calciumchlorid ein, das auf etwa 950 °C erhitzt wird. Das Salz wirkt als leitfähige Flüssigkeit, und wenn Strom durch es hindurchfließt, wandert Sauerstoff zur Anode, wo er gesammelt wird. Die ESA hat die Entwicklung dieses Ansatzes im Rahmen ihres ISRU-Demonstrationsprogramms finanziert.

Eine dritte Technik, die Wasserstoffreduktion, bläst Wasserstoffgas über erhitzten Regolith. Der Wasserstoff entzieht Eisenoxidmineralien Sauerstoff, um Wasser zu erzeugen, das dann in Wasserstoff (der zurückgeführt wird) und Sauerstoff elektrolysiert wird. Obwohl sie insgesamt weniger effizient ist, arbeitet sie bei niedrigeren Temperaturen und wird seit den frühen 2000er Jahren von der NASA getestet.

Warum es für die Weltraumforschung wichtig ist

Sauerstoff macht etwa 80 % der Raketentreibstoffmasse in gängigen Zweikomponententriebwerken aus. Ihn auf dem Mond herzustellen, anstatt ihn von der Erde zu transportieren, könnte die Kosten für Mondlandungen um bis zu 60 % senken, so Blue Origin, das seinen eigenen MRE-Reaktor namens Blue Alchemist entwickelt. Das Unternehmen berichtete, dass sein "Air Pioneer"-Reaktor erfolgreich medizinischen Sauerstoff und Treibstoffsauerstoff aus geschmolzenem lunarem Regolith-Simulanz auf der Erde gewonnen hat.

Über den Treibstoff hinaus würde lokal produzierter Sauerstoff Lebenserhaltungssysteme für Habitaten versorgen und die ständige Nachschublast reduzieren, die derzeit die Aufenthaltsdauer von Besatzungen auf der Oberfläche begrenzt. Metallische Nebenprodukte aus dem Elektrolyseprozess könnten für den Bau und die Fertigung verwendet werden, wodurch Regolith in eine umfassende Ressource verwandelt wird.

Wie nah sind wir dran?

Mehrere Organisationen wetteifern um die Demonstration. Blue Origin hat eine Critical Design Review für Blue Alchemist abgeschlossen und plant eine vollständige autonome terrestrische Demonstration in Vakuumkammern, die Mondbedingungen simulieren. Die ESA hat sich mit dem belgischen Unternehmen Space Applications Services zusammengetan, um experimentelle Reaktoren für eine ISRU-Demonstrationsmission auf der Mondoberfläche zu bauen. Die NASA finanziert weiterhin die MRE-Forschung über ihr Space Technology Mission Directorate.

Es bleiben erhebliche Hürden. Mondstaub ist abrasiv und elektrostatisch aufgeladen, was Risiken für mechanische Systeme birgt. Reaktoren müssen monatelang autonom mit minimaler Wartung arbeiten. Und die Skalierung von Laborgramm auf die Tonnen Sauerstoff, die für eine permanente Basis benötigt werden, erfordert erhebliche technische Fortschritte.

Dennoch ist die Physik bewiesen, die Chemie funktioniert auf der Erde und der wirtschaftliche Fall ist überzeugend. Der Mond ist nicht karg – er ist eine Sauerstoffmine, die auf die richtigen Werkzeuge wartet.