Mondstaub?

Im ersten Teil wurde die Möglichkeit von Wassereisvorkommen auf dem Mond behandelt und die faszinierenden Folgen, die sich für die Raumfahrt daraus ergeben könnten, untersucht.

In diesem Artikel wird über einen fast ebenso wichtigen Rohstoff berichtet, dessen Vorhandensein - im Gegensatz zum Wassereis - erwiesen und dessen Zusammensetzung hinreichend genau bekannt ist.

 

Regolith!

Also Mondstaub? Dies ist nicht ganz korrekt, der Regolith ist zwar feinkörnig-pulverig, weist aber eher Korngrößen eines feinen Sandes auf. Diese, einen bis maximal zwanzig Meter dicke, sehr lockere Schicht ist eine Folge der seit vier Milliarden Jahren andauernden Erosion durch Meteoriteneinschläge. Hinzu kommt die Zermürbung des Festgesteines durch ständige Temperaturwechsel zwischen Mondtag und Mondnacht.

 

Die chemische Zusammensetzung entspricht natürlich ungefähr der Zusammensetzung des festen Untergrundes (nicht ganz, weil die Partikel bei einem Einschlag manchmal sehr weit fliegen). Einige ausgewählte Elemente in ihrer Häufigkeit in Gewichtsprozenten sind hier aufgelistet, die Zahlen gelten für die Mare:

 

Sauerstoff: 42.26 %

Silizium: 19.68 %

Eisen: 11.92 %

Titan: 4.65 %

Aluminium: 7.20 %

 

 

Die Hochländer enthalten weniger Titan, dafür mehr Aluminium. Das sind Rohstoffe, die wir natürlich auf der Erde nicht gebrauchen können. Aluminium, Titan, Eisen, Silizium etc. sind spottbillig und hier unten denkbar einfach zu gewinnen, zudem in großen Mengen vorhanden. Wenn der Regolith aus Goldstaub bestünde, ( zu 15 000 $ das kg), ließe er sich gewinnbringend zur Erde transportieren, leider würde der Goldpreis dann in den Keller stürzen, Pech! Vom sagenumwobenen Helium 3, welches angeblich tausendmal wertvoller als Gold ist, soll hier nicht die Rede sein, dieses Thema wird in einer eigenen Serie auf dieser Website behandelt. Aber wenn man die stinknormalen Metalle, Oxide, und Nichtmetalle hier gar nicht braucht, wozu dann Mondbergbau?

 

Wer den ersten Teil gelesen hat, weiß sofort Bescheid: diese Rohstoffe besitzen nur Wert im Raum selbst. Wenn es gelingt, sie zu einem vernünftigen Preis auf dem Mond zu gewinnen und von dort abzutransportieren, stehen sie als Werk- und Rohstoffe in den verschiedenen Orbits oder den Lagrange-Punkten zur Verfügung (diese merkwürdigen Punkte werden weiter unten noch erklärt). Natürlich können sie auch auf dem Mond selbst eingesetzt werden.

 

Lockerer Boden

Nun stellt sich die Frage, wieso ist der Regolith denn eine besondere Rohstoffquelle, wenn er (abgesehen vom Helium-3) fast dieselbe Zusammensetzung hat wie das feste Mondgestein? Aus rein mechanischen Gründen! Man braucht den Regolith nicht zu brechen oder zu sprengen, bzw. zu mahlen, er ist bereits locker-pulverig und kann mit einem Lader, Bulldozer o.ä. bequem zusammengeschoben werden.

 

Die Konsistenz beim Befahren oder Begehen entspricht etwa der von feuchtem, aufgelockertem Mutterboden im Garten. Die Fußstapfen der Astronauten waren auf dem Mond also nur so tief, als ob sie auf der Erde über ein frisch umgegrabenes Beet latschen würden – aber dies natürlich nur, weil man dort nur ein Sechstel soviel wiegt! Der Mondboden ist also ziemlich locker.

 

Ein Kubikmeter wiegt statt 1800 kg nur 300 kg. Dieses Gewicht von 300 kg muß nun also auf 2400 m / sec beschleunigt werden um die Anziehungskraft des Mondes zu verlassen. Dies ist weniger als Viertel der Fluchtgeschwindigkeit der Erde.

 

Die kinetische Energie, die demnach aufgewendet werden muß, beträgt nur einen Bruchteil derjenigen, die gebraucht wird, um einen Kubikmeter Erdboden aus dem Schwerefeld der Erde zu entfernen, (bekanntlich, ist die kinetische Energie proportional dem Quadrat der Geschwindigkeit). Aber der springende Punkt ist nicht der unterschiedliche Energieaufwand, sondern die hocheffiziente Antriebsart, die dort möglich ist! Auf dem Mond kann man auf Raketen verzichten und die „railgun“ benutzen. Dies hat den Vorteil, daß elektrische Energie mit hohem Wirkungsgrad in Beschleunigungsarbeit umgesetzt wird und infolge fehlender Atmospäre tangential zum Schwerefeld abgefeuert werden kann, also flach über den Mondboden, statt senkrecht oder steil wie auf der Erde. Das ist energetisch ein ähnlicher Unterschied wie der zwischen einem 1000 m – Lauf und der Besteigung der 1.000 m hohen Eigernordwand.

Die „railgun“ funktioniert, im Gegensatz zur „coilgun“, auf die in einem der nächsten Artikel eingegangen wird, ganz ähnlich wie der Transrapid. Sie ist ein elektromagnetischer Massenbeschleuniger mit einem linearen Synchronmotor.

 

Sie kann durchaus mit Solarstrom statt mit Nuklearstrom betrieben werden, nurr zahlt man dann dafür einen hohen Preis: Entweder die 14-tägige Mondnacht blockiert in dieser Zeit den Betrieb, oder man halst sich horrende Speicherprobleme auf. Für den Betrieb einer Anlage mit einer Nutzlastkapazität von ca. einer Million Tonnen pro Jahr sind 200 MW e an installierter Leistung erforderlich. Dies erfordert eine 150 ha große Solarzellenfläche, zusätzlich noch einen großen Kondensator, der den erzeugten Strom kontinuierlich speichert und bei jedem „Schuß“ konzentriert wieder abgibt.

 

Es ist sicher sinnvoll, zunächst mit einer viel kleineren Anlage zu beginnen.

 

Fakten, Fakten, Fakten

Folgende Arbeitsschritte sind erforderlich:

  1. Der lockere Regolith wird von elektrisch betriebenen Ladefahrzeugen zusammengeschoben, für 1 Million Tonnen entsteht dann bei 1.5 m Schichtmächtigkeit ein flacher "Tagebau" von 40 ha Fläche.
  2. Das Material wird in Portionen von 10 kg, 20 kg oder auch 100 kg bis zu einer Tonne (je nach Bedarf und Leistungsfähigkeit der Anlage) in "Säcke" abgefüllt.
  3. Man kann für die Verpackung Kevlar benutzen, ein für die Raumfahrt hochgradig wichtiges Material, welches auch für kugelsichere Westen verwendet wird, oder Glasfasern, die aus dem Glasanteil, bzw. den Silikaten des Regoliths vor Ort hergestellt werden müßten.
  4. Die Frachtpakete werden auf Schlitten oder in "Eimer" gepackt. Jene sind mit supraleitfähigen Magneten bestückt, die sie über der Schiene halten und an ihr entlang führen. Die Schlitten werden in kurzen Abständen vom "Rangierbahnhof" auf die Hauptschiene geleitet und dann einige Sekunden lang rasant beschleunigt.
  5. Die Beschleunigung mag 20 g, 30 g oder gar 100 g erreichen. Viel höhere Beschleunigungen würden eine "coilgun" erfordern, die aufwendiger zu konstruieren ist und später einmal behandelt wird.
  6. Wenn der Schlitten die lunare Fluchtgeschwindigkeit erreicht hat, erfolgt eine längere Fahrt ohne jede Beschleunigung, so daß die Eigenschwingungen gewissermaßen magnetisch gedämpft werden.
  7. Am Ende der Strecke führt die Schiene blitzartig einige Dezimeter nach unten, wodurch das Frachtpaket sich vom Schlitten löst und frei schwebt. Das Mondmaterial ist schwach magnetisch und deshalb kann an dem Frachtpaket noch eine letzte Lagekorrektur vorgenommen werden.
  8. Mit Laser wird die Flugbahn exakt vermessen, dann kann man das Material mit freien Elektronen von sehr hoher Spannung besprühen, es damit aufladen und so beim Durchflug zwischen elektrisch geladenen Platten präzise steuern, so wie man Elektronen in der Fernsehröhre steuert.

Damit ist die nunmehr freie Flugbahn erreicht.

 

 

Die Frachtpakete fliegen also auf einer schwach gekrümmten Bahn davon, die stärker gekrümmte Mondoberfläche taucht ab, so daß Gebirgszüge überflogen werden können. Da die Pakete im Schwerefeld des Mondes aufsteigen, verlieren sie allmählich an Geschwindigkeit. Wenn man sie in der richtigen Richtung und vom Mondäquator 33 Grad östl. Länge, im Mare Tranquillitatis, zwischen Krater Censorinus und Krater Maskelyne) aus abfeuert, verläuft ihre Bahn in Richtung L 2, einem der fünf Gleichgewichtspunkte die jedes Zweikörpersystem aufweist.

L 1 bis L 3 sind zwar keine Punkte im mathematischen Sinne, aber sehr kleinräumige Bereiche. Sie liegen auf der direkten Verbindungslinie zwischen Erdschwerpunkt und Mondschwerpunkt. Dort existiert ein (fast) beschleunigungsfreier Raum, allerdings nicht als "Hochfläche" wie im Teil 1 dargestellt, sondern als eine Art "Berggipfel". Man kann also Objekte dort (vorsichtig) plazieren und sie bleiben einige Zeit dort, bis sie durch unvermeidliche Bahnstörungen abgetrieben werden und dann sozusagen den Berg herunterrutschen. Bei L 2, der hinter dem Mond liegt, kann eine Fängereinrichtung plaziert werden, welche die mit einer Restgeschwindigkeit von 200 m / sec ankommenden Frachtpakete auffängt. Vorgeschlagen wurde schon vor 25 Jahren ein riesiger, rotierender, spitz zulaufender Kevlar-Sack mit einem robusten, grobmaschigen Gitter an der Stirnseite, an welchem die mit Kanonenkugelgeschwindigkeit ankommenden, relativ lockeren Monderdepakete „zerspratzen“.Die Bodenteilchen fliegen in den Sack hinein (wenige prallen zurück und verteilen sich im Raum) und stoßen gegen die extrem feste Sackhülle, wo sie nach vielen "Abprallern" infolge der Rotation allmählich zur Ruhe kommen.Entsprechend dem Impulserhaltungssatz wird der Fänger natürlich bei jedem Aufprall mit geringer Geschwindigkeit nach hinten getrieben (Impuls ist das Produkt aus Masse x Geschwindigkeit, z.B.:

1kg x 1000 m / sec = 1000 kg x 1m / sec).

 

 

Der Antrieb machts

Dieser rückwärts gerichtete Impuls muß natürlich ausgeglichen werden, sonst treibt der Fänger beim Einfangen von z. B. 1000 Tonnen  oder 10 000 Tonnen Masse unweigerlich von L 2 weg und gerät auf eine instabile Bahn. Wiederum wäre es unsinnig, den Impuls mit einem Raketentriebwerk auszugleichen. Die Verwendung von elektromagnetischen Kräften ist in der Raumfahrt häufig den chemischen Antrieben vorzuziehen.In diesem Fall käme statt einer Katapultanlage vielleicht eine rotierende Massenschleuder in Betracht, welche tausende vorfabrizierte, kleine Kugeln mit sehr hoher Geschwindigkeit abfeuert, was eine sehr effiziente Antriebsart darstellt.(Die Leser sind hiermit aufgefordert, zu überlegen, wie man solchen rasanten Geschossen ihre potentielle Gefährlichkeit für Raumschiffe und Raumstationen nimmt. Ich stelle mir die Verwendung von gefrorenen Kugeln aus Eis und Staub vor (siehe Teil 1, Wasser an den Mondpolen). Bei entsprechender Kühlung wird Eis sehr sehr hart und würde die exorbitante Beschleunigung in der Massenschleuder überstehen. Danach aber fliegen die Partikel durch den strahlenden Sonnenschein des freien Raumes, werden an einer Seite aufgeheizt, verdampfen, der Staubanteil wird freigesetzt und kontinuierlich vom Sonnenwind aus dem Sonnensystem weggeblasen.Der gefüllte Kevlar-Sack, oder Fängerkorb, strudelt sich nun mittels seiner rotieren-den Schleudern (bzw.Werfer) aus dem kontinuierlichen Strom ankommender Frachtpakete, macht dem Nachfolger Platz und beginnt seine mehrwöchige Reise zum Be-stimmungsort, dabei allerdings eine Rückstoßmasse verbrauchend, die mehrere Prozent der eingefangenen Monderde ausmacht (aber Schwund ist eben überall).Der BestimmungsortÜberall wo das Mondmaterial gebraucht wird, um daraus

  • Metalle, Glas, Silizium,
  • Treibstoffe, Sauerstoff,
  • Abschirmmaterial gegen Strahlung,
  • ggf. sogar Ackerboden für raumgestützteLandwirtschaft

herzustellen.

So ein Ort kann natürlich der geostationäre Orbit sein, wobei allerdings die zu leistende Geschwindigkeitsdifferenz delta v von L 2 aus relativ hoch ist. Erheblich günstiger wären L4 und L5, da sie von L2 aus mit einem delta v von nur 427 m /sec zu erreichen ist. In dem Augenblick, in dem Raumfahrt konsequent in wirklich großem Stil betrieben wird, können dort, wenn auch mit hohen Anfangsinvestitionen, Verarbeitungsanlagen montiert werden:

  • Metallschmelzen zur Gewinnung von Aluminium, Stahl, Titan
  • Glashütten
  • Fabriken für Solarzellen, Spiegel
  • Sauerstoffverflüssigungsanlagen für Treibstoff und Atemluft

Diese Anlagen könnte man natürlich auch auf dem Mond selbst installieren und die Fertigprodukte in den Raum lancieren. Aber es ist wieder zu bedenken, daß der Mond am Grunde einer, wenn auch flachen Gravitationsmulde liegt. Wenn all die massiven Produktionsanlagen auf die Mondoberfläche geschafft werden müssen, zusätzlich zu den vielen Astronauten für die Montage und Produktion, ergibt sich ein erheblicher Mehraufwand.Auch ist der Abschuß von genormten Regolithpaketen einfacher als der Abschuß von Produkten vielfältigster Art, Form und Größe.Die Methoden, mit denen im Weltraum Metallurgie, Glasherstellung, Produktion von Solarzellen und Solarkraftwerken u.a. bewerkstelligt werden könnten, werden später mal behandelt.

 

Kosten vs. Nutzlasten

Bei der Betrachtung der Transportkosten vom Mond aus, sind die Kosten für die Installierung der oben beschriebenen Anlagen einzig entscheidend. Die reinen Energiekosten sind völlig vernachlässigbar, sie liegen bei weniger als 1 KWh pro kg Masse, das vom Mond aus abgefeuert wird. Aber es wäre natürlich unseriös, daraus einen Transportpreis von 10 Cent pro Kilogramm abzuleiten (was leider mitunter getan wird). Wenn z. B. angestrebt wird, Mondboden für 10 Dollar pro kg nach L 2 zu befördern und von dort aus für 10 Dollar nach L 4, L 5, GEO, oder anderen Orbits müssen die allgemeinen Raumfahrtkosten drastisch gesenkt werden.

Ein vereinfachtes Rechenexempel soll dies verdeutlichen:

Bei einer großen Katapultanlage mit einem 200 MW-Kraftwerk können ca.eine  Million Tonnen pro Jahr vom Mond aus lanciert werden. Dies erfordert alle 30 Sekunden ein Paket von einer  Tonne Masse oder alle 3 Sekunden 100 kg usf.Seltene, schwere Abschüsse sind logistisch einfacher zu handhaben als viele leichte Pakete. Diese erlauben allerdings eine bessere Ausnutzung der Kraftwerksleistung (nämlich ohne Zwischenspeicherung in Kondensatoren oder Brennstoffzellen). Die schweren Frachtpakete überfordern andererseits vielleicht die Fängereinrichtung bei L 2 durch die Wucht des Aufpralles. Die Masse der Anlage ist von der NASA 1977 auf 4000 Tonnen berechnet worden, zuzüglich einer Nuklearanlage von 10 000 Tonnen. Wenn stattdessen eine 150 ha große Photovoltaik-Anlage zum Einsatz kommt, ist diese natürlich erheblich leichter als 10 000 Tonnen, ich schätze sie bei 1 kg pro m2 auf 1500 Tonnen. Die Fänger bei L2 sind natürlich sehr groß, sie sollten jeweils 20 000 bis 50 000 Tonnen fassen, können aber bis zu drei Touren pro Jahr machen. Pro Fängerkorb können ca. 500 Tonnen angesetzt werden. Die Einzelteile müssen auf der Erde hergestellt werden, können jedoch im Raum montiert werden. Damit ist der Massenbedarf der von der Erde aus in den Raum oder auf die Mondoberfläche zu schaffen ist, grob abgesteckt.

Hinzu kommt noch der Transportbedarf für Astronauten, die das alles montieren und warten. Es sind also ca. 6000 Tonnen auf den Mond zu schaffen und weitere 5000 Tonnen in den geostationären Orbit. Wenn 1 Million Tonnen, zu je 20 Dollar pro kg Rohmaterial, an die jeweiligen Bestimmungsorte geliefert werden, und pro Jahr 10 % der Investitionssumme erwirtschaftet werden müssen, darf das Ganze also nur 200 Mrd. Dollar kosten, laufende Betriebskosten in diesem Zeitraum eingerechnet.Der lift off von 6000 to Nutzlast in den unteren Orbit (LEO) mit dem Space Shuttle kostet ungefähr 90 Milliarden Dollar also 15 000 $ pro kg. Zur Erreichung der Mondoberfläche müßte dieser Betrag (grob geschätzt) noch versiebenfacht werden. Das macht also ca. 650 Mrd. $, die es kosten würde, mit dem derzeit verfügbaren Transportsystem allein 6000 Tonnen Material auf der Mondoberfläche abzusetzen.

Die Frage lautet: ist eine Mondbasis dann realistisch?

Die Transportkosten müssen für so ein Projekt kräftig reduziert werden, auf ein Viertel, besser noch auf 10 % der heutigen  Kosten.Fazit

Der Space Shuttle ist ein gänzlich ungeeignetes Instrument für einen Aufbruch ins All!Autor: Michael Boden

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