Was sind Mondersatzböden?

Die sechs Apollo-Missionen brachten bekanntlich nur 380 kg Mondboden mit auf die Erde. Dies ist nicht sehr viel und diese Probenmenge wurde vor allem für chemische und physikalische Untersuchungen verbraucht, aber auch für Museen gestiftet, jetzt als Schaustücke unterschiedlicher Größe in Vitrinen zu bestaunen.

Nur wenige bodenmechanische Versuche erfolgten damals. Solche Versuche dienen dem Zweck, die Tragfähigkeit, das Scherverhalten, die Kompressibilität, die Wasser-durchlässigkeit, den natürlichen Böschungswinkel (und vieles andere mehr) zu bestimmen.  
Wenn man den Mond industriell und als Rohstofflager nutzen will, also Bauten und Straßen, Landeplätze, Tunnel, Baustoffe  etc. benötigt, sollte man profunde Kenntnisse von den bodenmechanischen Eigenschaften des Regoliths besitzen.

Hier einige der wichtigsten bodenmechanische Eigenschaften des Regoliths, der in den Mare-Gebieten 3 m bis 5 m und auf den älteren Hochländern sagenhafte 15 m mächtig sein soll.

Mondregolith hat eine Korngrößenverteilung wie schluffiger Sand, teilweise auch wie sandiger Schluff.

 

Bild 1 Regolith sieht aus wie feuchte Gartenerde

 Aber was ist eigentlich Schluff (englisch silt)?

Er bildet die Korngrößenfraktion zwischen Feinsand und Ton. Also, Körner zwischen 0.06 mm und 0.002 mm Durchmesser gehören zum Schluff. Löss z.B. ist ein Grobschluff.  

Die Körner des Regolith sind kantig bis scharfkantig, ohne jeden Anflug einer Rundung, woher sollte die auf dem Mond auch kommen, ohne Wasser und Wind.
Die Eckigkeit wirkt sich erheblich auf den Winkel der inneren Reibung aus. Dieser liegt bei lockeren irdischen Sanden zwischen 30 ° und 35 °, beim Regolith aber zwischen 40° und 48°.  
Ein solch hoher Reibungswinkel wirkt sich wiederum günstig auf die Gründung von Bauten, oder Teleskopen oder Stützpfeilern aus. Auch lassen sich steile Böschungswinkel erzielen, was z.B. bei Anschüttungen an bewohnte Module ein Vorteil ist. Solche Anschüttungen oder Überschüttungen werden ja für den Strahlenschutz von Astronauten erforderlich sein.    

Was tut man nun , wenn die mitgebrachten Proben weitgehend verbraucht sind?
Für bodenmechanische Versuchsreihen braucht man nämlich beträchtliche Mengen an Probenmaterial.
Dafür schuf man seit den späten Achtziger Jahren (die USA haben, wie immer, damit begonnen) die sogenannten Mondersatzböden, auch als Simulate bezeichnet, (JSC-1 ist das bekannteste, siehe rote Sieblinie im Diagramm).  
Inzwischen beschäftigt man sich auch in China und Japan mit diesem Forschungsgebiet und – man höre und staune- seit 2009 auch in Deutschland.  

An der TU Kaiserslautern läuft ein Projekt, bei dem basaltische Andesite aus der Vulkaneifel gebrochen, zu Steinmehl gemahlen und mit Korunden angereichert werden.  
Korunde sind Edelsteine der Härte 9 und mit einer hohen Korndichte um 4.0 (Quarz hat 2.7). Rubine und Saphire sind z.B. Korunde, wobei der Rubin seine bestechende Rotfärbung durch eingelagertes Chrom erhält.   
Die Zugabe von Korunden simuliert die extrem harten Glaspartikel im Regolith, die durch die Meteoriteneinschläge entstehen.

In den Eigenschaften Korngrößenverteiliung, mineralische Zusammensetzung,  Dichte, Kornform ähneln die Mondersatzböden dem echten Regolith extrem gut. Wenn man Mare-Regolith simulieren will, ist noch darauf zu achten, daß Ilmenit (Titandioxid) im richtigen Mengenverhältnis beigemengt wird.

Bild 2 Kornkurve von Regolith und Simulat (Chr. Vrettos Geotechnik 2010/1 S. 39)

 
Wenn die Mischung fertig ist, können an den künstlichen Böden sogenannte Scherversuche in ganz speziellen Triaxialzellen link durchgeführt werden. Das Vakuum ist dabei zu simulieren, auch die extremen Temperaturen. Die Mondgravitation wird mit einem geeigneten Sättigungsdruck, der auf die wasserdicht umschlossene Probe wirkt,  simuliert .
Seitlich und axial wird Druck aufgebracht, bis die Probe auf einer mehr oder weniger geneigten Fläche abschert.
Bei diesen Triaxialscherversuchen wird der Winkel der inneren Reibung ermittelt, der in der Größenordnung des natürlichen Böschungswinkels liegt. Außerdem ermittelt man die Kohäsion, also den inneren Zusammenhalt der Bodenpartikel, der nicht auf Reibung, sondern auf elektrischen Bindungskräften beruht.
Dazu müssen die Bodenteilchen sehr klein sein, nämlich noch kleiner als Schluffpartikel, eben Tonkorn. Tonkorn ist nun im Regolith gar nicht oder nur extrem wenig vorhanden.   
So wurde denn in den Scherversuchen an echtem Regolith auch keine Kohäsion gemessen sondern nur Scheinkohäsion.
Scheinkohäsion beruht auf Kapillarkräften, zB. bei feuchtem Sand. Wenn der aber austrocknet, verschwindet die Kohäsion (und die Sandburg ist futsch).  

Da es auf dem Mond kein freies Wasser gibt (mineralisch gebunden und als Eis schon), muss die Scheinkohäsion natürlich andere Ursachen haben.
Es sind die Ladungskräfte, die zwischen den, vom Sonnenwind ionisierten, Partikelober-flächen wirken. Und die Van-der-Waals Kräfte, die auf molekularer und atomarer Ebene wirken, spielen wohl auch eine Rolle. Das tun sie übrigens auch beim Regolith, der die lockeren Haufwerke, aus denen die meisten Asteroiden bestehen, zusammenhält.  

Warum schreibe ich hier über diese Forschungen?
Sie zeigen, daß Bemühungen im Gange sind, nicht nur zweckfreie sondern auch angewandte Forschung zu betreiben. Es wird international einiges an Geld ausgegeben um herauszufinden, wie man Mondboden bebauen und verbauen kann.
Das macht doch irgendwie Hoffnung.

Mondersatzböden zu bewässern, mit etwas Humus anzureichern, und dann zu bepflanzen, würde als Forschungsprogramm übrigens auch Sinn machen. Wenn man Regolith anfeuchtet und in die Hand nimmt, fühlt er sich an wie beste, feinkörnige Ackererde.
Lebensmittel vor Ort zu erzeugen scheitert ganz bestimmt nicht an der „Sterilität“ des Mondes, höchstens an der Mondnacht. Aber Leuchten, die Sonnenlicht gut simulieren, gibt es ja schließlich.  



Michael Boden

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