Menschheit auf dem Mond: Chancen und Perspektiven

Spätestens 2020, geht es nach der NASA und ihrer "Vision for Space Exploration", sollen wieder Menschen auf dem Mond stehen, und in den Jahren danach sollen sie eine permanente Raumstation auf der Mondoberfläche aufbauen, möglicherweise in der Nähe des Mondsüdpols. Auch andere Länder haben angekündigt, bis spätestens Mitte des 21. Jahrhunderts eine permanente Präsenz auf dem Mond aufzubauen. Ähnlich wie vor 50 Jahren in der Antarktis, könnte in ein paar Jahrzehnten ein Netz von permanenten Mondstationen über den Erdtrabanten ziehen, in dem einige hundert Menschen leben und arbeiten. Doch was genau werden sie in dieser Mondstation tun? Was will die Menschheit auf dem Mond?

Drei Themen spielen eine wichtige Rolle: Rohstoffe, Wissenschaft und die weitere Erforschung des Sonnensystems. Auch der Tourismus dürfte irgendwann eine Rolle zu spielen beginnen, wenn es den Superreichen in der Erdumlaufbahn langweilig wird oder sie einfach auf der Suche nach Destinationen sind, die noch nicht von Durchschnittsbürgern überlaufen sind...

Rohstoffe vom Mond

Wie jeder Himmelskörper im Sonnensystem verfügt auch der Mond über ein grosses Inventar verschiedenster Rohstoffe. Abbaubare "Erze" wie auf der Erde gibt es jedoch nur wenige, denn diese Erze entstehen durch das Zusammenspiel von Vulkanismus und Wasser, beide sind auf dem Mond praktisch nicht anzutreffen. Das heisst, die Rohstoffe, die vorhanden wären, sind in der Regel dünn verteilt, so dass eine grosse Menge Material verarbeitet werden muss, um sie zu gewinnen. Je nach Aufwand kann dies dann billiger oder teurer sein, als den gleichen Stoff auf der Erde (etwa aus Erzen) zu gewinnen und zum Mond zu fliegen. Dies muss jedoch nicht zwingend für alle Rohstoffe gelten.

Eine Reihe interessanter Rohstoffe könnte zum Beispiel aus dem Mondregolith gewonnen werden, der den Mond mehrere Meter tief bedeckt. Dabei handelt es sich um ein sehr feinkörniges, loses oder nur schwach verfestigtes Pulver, das bei zahlreichen Meteoriteneinschlägen in den letzten Milliarden Jahren auf dem Mond entstanden ist. In dem Pulver finden sich verschiedene Klassen von Rohstoffen.

Zum einen gibt es Stoffe, die durch den Sonnenwind in den Regolith implantiert wurden. Der Sonnenwind ist ein sehr dünner Strom von ionisierten (geladenen) Atomen, die mit einer Geschwindigkeit von etwa 600 km/s von der Sonne ausströmen. Das Erdmagnetfeld lenkt den Sonnenwind um (was unter anderem die Nordlichter erzeugen kann), wodurch dieser die Erdoberfläche nie erreichen kann. Der Mond hingegen ist dem Sonnenwind stets ausgesetzt (die erdabgewandte "Rückseite" etwa drei Mal stärker als die erdzugewandte "Vorderseite"). Der Sonnenwind dringt nur wenige Mikrometer tief in die Oberfläche eingeschossen - doch da der Regolith über Jahrmilliarden durch Meteoriteneinschläge immer wieder umgepflügt wird, geht man davon aus, dass praktisch alle Körner des Mondregoliths irgendwann dem Sonnenwind ausgesetzt waren. Mögliche Rohstoffe aus dem Sonnewind wären Wasserstoff, Sauerstoff und Helium-3, eine leichte Variante des sehr viel häufigeren Helium-4. Um die Sonnenwindgase aus dem Regolith zu gewinnen, muss dieser auf einige 100 Grad erhitzt werden, anschliessend müssen die freigesetzten Gase abgetrennt und voneinander separiert werden.

Helium-3

Helium-3 wird oft als interessanter neuer Energierohstoff gehandelt, den man auf dem Mond abbauen könnte. Russland hat sogar explizit angekündigt, bis 2020 zum Mond zurück zu kehren, um dort "Helium-3" abzubauen. Helium-3 liesse sich, so die Idee, in künftigen Fusionsreaktoren für sogenannt "aneutronische Fusion" nutzen.

Denn prinzipiell gibt es zwei Möglichkeiten, wie man Kernfusion nutzen kann: entweder man wählt Kernreaktionen wie die Deuterium-Tritium-Fusion (die auch beim europäischen Fusionsprojekt ITER zum Zug kommen soll), bei denen freie Neutronen entstehen. Diese kollidieren mit der Reaktorwand, wo sie weiteren Treibstoff produzieren (etwa aus Lithium den Brennstoff Tritium erzeugen). Vor allem aber wird ihre hohe Energie genutzt, um Wasser zu verdampfen - dieser Dampf lässt sich dann über eine Dampfturbine in Strom verwandeln. Der Nachteil an der Sache ist, dass diese Neutronen mit dem Material der Reaktorverschalung kollidieren und dieses radioaktiv machen können.

Die Alternative besteht darin, eine neutronenfreie (deshalb "aneutronisch") Fusion zu erzeugen, bei der keine freien Neutronen, sondern nur geladene Teilchen entstehen, deren Bewegungsenergie sich über Induktion direkt in Elektrizität umwandeln lässt: die aneutronische Fusion ist damit, zumindest theoretisch, sehr viel sauberer als die Deuterium-Tritium-Fusion, weil sehr viel weniger radioaktiv verstrahltes Material entsteht. Aneutronische Fusionsreaktionen brauchen aber sehr viel höhere Fusionstemperaturen: für die Fusion von Helium-3 mit Deuterium ist eine Temperatur von mindestens 500 Millionen Grad nötig, im Optimum läuft die Reaktion bei rund 8 Milliarden Grad (zum Vergleich: die Temperaturen für Deuterium-Tritium sind rund zehn mal tiefer und werden bereits in heutigen Testreaktoren erreicht). Bis heute existieren also noch gar keine Reaktoren, die in der Lage wären, das gefördrete Helium-3 zu verarbeiten. Zudem ist die Helium-3-Fusion nicht so sauber wie es zunächst aussieht: das Deuterium im Brenngemisch kann auch mit sich selbst reagieren, dabei Tritium erzeugen, das dann sehr schnell mit weiterem Deuterium reagiert und doch wieder Neutronen freisetzt.

Wieviel Mondregolith müsste man abbauen, um die Menschheit mit "sauberer" Energie aus Helium-3 zu versorgen? Mondregolith enthält rund 3 Nanogramm (Milliardstel Gramm) Helium-3 pro Gramm. Bei optimaler Ausnützung der freiwerdenden Fusionsenergie (dies ist bei aneutronischer Fusion sehr viel einfacher) kann man damit pro Gramm Regolith rund 1750 Joule Energie rausbekommen. Dafür gehen noch einige 100 Joule für das Heizen des Regoliths und seine Verarbeitung verloren, so dass wir vielleicht mit 1500 Joule pro Gramm Regolith rechnen können. Das Entspricht, will man damit den heutigen Energiebedarf decken, einer Fläche von 9000 Quadratkilometern Regolith (10 Meter Abbautiefe), den man pro Jahr durchpflügen müsste, oder rund 1/1000stel der Vollmondfläche. Bei einem Energiebedarf, der dem heutigen entspricht, könnte die Menschheit nach dieser eher optimistischen Schätzung rund 4000 Jahre lang mit Energie versorgt werden. Wenn man annimmt, dass sich der Energiebedarf erst dann einpendelt, wenn die Weltbevölkerung 12 Milliarden beträgt und gleichzeitig der Bedarf auf den Stand des heutigen Westens hochgeschraubt wird, dann reichen die Vorräte immerhin rund 700 Jahre. Die Mondoberfläche wäre allerdings nach diesen Jahrhunderten im Tagebau unwiederbringlich zerstört.

Die Frage, ob man jemals Helium-3 auf dem Mond abbauen wird, hängt von der Frage ab, ob es gelingen wird, Helium-3 Fusion kommerziell zu betreiben. Wenn man so hohe Temperaturen erzeugen kann, wie sie für die Helium-3-Fusion vonnöten sind, dann rücken auch andere aneutronische Fusionsreaktionen, etwa jene von Bor-11 mit Wasserstoff zu drei Helium-4, in Griffweite. Bor hingegen ist auch auf der Erde weit verbreitet (es kommt in vergleichsweise hoher Konzentration im Meer und in Salzlagerstätten vor) und vermutlich sehr viel leichter abzubauen als Helium-3.

Ilmenit

Ilmenit (FeTiO3) ist das auf der Erde am weitesten verbreitete Titan-Mineral. Es kommt nicht nur auf der Erde, sondern in grossen Mengen auch im Mondregolith vor und lässt sich zur Produktion von Eisen, Titan und Sauerstoff aus dem Regolith gewinnen. Während der Nutzen der Gewinnung von Sauerstoff offensichtlich ist, könnten Eisen und Titan entscheidend für den Aufbau einer Mondindustrie (siehe unten) sein. Zusammen mit Wasserstoff lässt sich Ilmenit in metallisches Eisen, Titania (TiO2) und Wasserdampf vewandeln, der Wasserdampf lässt sich durch Elektrolyse wieder aufspalten (der auf dem Mond sehr seltene Wasserstoff wird damit nicht verbraucht, sondern dient als Katalysator für die Produktion von Eisen, Titania und Sauerstoff aus Ilmenit). Dieses Verfahren wird bereits heute auf der Erde angewendet (wobei hier kein Sauerstoff, sondern Wasserdampf produziert wird).

KREEP-Erze

Es gibt eine Form von Erzen auf dem Mond, auch wenn ihr Anreicherungsgrad deutlich unter jenem irdischer Erze liegt (zum Teil bis zu einer Million mal seltener). Trotzdem stellen sie eine Anreicherung einer ganz speziellen Gruppe von Elementen dar, deren Produktion vor Ort je nach Förderumfang billiger als ihr Transport von der Erde her sein könnte. Diese "Erze" werden "KREEP"-Gesteine genannt. KREEP steht dafür für "Kalium, REE ("Rare Earth Elements" = seltene Erden oder seltene Metalle), Phosphor", da diese Elemente besonders häufig in diesen Gesteinen vorkommen.

Kalium und Phosphor sind wichtige landwirtschaftliche Nährstoffe, Kalium-Phosphat ist heute auf der Erde der wichtigste Nährstoff der Landwirtschaft überhaupt. Das heisst, diese Stoffe könnten verwendet werden, um auf dem Mond Pflanzen für die Bewohner der Raumstationen zu ziehen und eigene Nahrung (in Treibhäusern, auf oder unter der Oberfläche) anzupflanzen. Weiter enthalten die KREEP-Erze nennenswerte Mengen von Uran und Thorium, das sich in Kernspaltungsreaktoren auf der Mondoberfläche benutzen liesse, oder gar zum Bau von EPPP-Raumschiffen (siehe weiter unten).

Die KREEP-Erze entstanden als oberste, schwimmende Schicht im Magmaozean, der den Mond kurz nach seiner Entstehung (nach der Kollision der Urerde mit einem marsgrossen Protoplaneten, bei sich das in den Weltraum geschleuderte Material in einer Erdumlaufbahn zum Mond sammelte) bedeckte. Früher dachte man, dass sich diese Schicht in einer gewissen Tiefe auf dem gesamten Mond finden sollte: nachgeweisen wurde sie allerdings nur im Oceanus Procellarum und im Mare Imbrium (die beiden grossen, dunklen Flecken auf der "linken Seite" des "Mondgesichts").

Wissenschaft auf dem Mond

Der Mond ist ein äusserst interessanter Himmelskörper. Zusammen mit Merkur hat er die älteste Oberfläche im Sonnensystem - mit dieser lässt sich die Frühgeschichte unseres Sonnensystems analysieren und dessen Entwicklung durch die Jahrmilliarden verfolgen. Zudem dürfte die Mondoberfläche eines der ergiebigsten Meteoritenreservoirs des Sonnensystems sein, so dass man, wenn man lange genug sucht, Meteoriten von praktisch jedem grösseren Himmelskörper im Sonnensystem (zumindest jene, die aus Gestein bestehen) finden sollte.

Die Isolation von der Zivilisation und die langsame Rotation des Mondes machen ihn zudem für die Astronomie sehr interessant. Teleskope auf der Mondrückseite wären durch den Mond selbst von der Erde und ihrem störenden Einfluss abgeschirmt, und könnten zumindest zwei Wochen lang in völliger Dunkelheit den Sternhimmel beobachten. Die fehlende Atmosphäre sorgt zudem für gestochen scharfe Bilder wie bei einem Weltraumteleskop - gleichzeitig können die Teleskope relativ einfach von Astronauten aus den Mondstationen bedient und repariert werden. Schaltet man ein Teleskop auf der Erde mit einem dieser Mondteleskope zusammen, hat man zudem ein Teleskop mit einer gigantischen Winkelauflösung.

Die genaue Vermessung der Mondbahn um die Erde wird neue Tests der Relativitätstheorie mit sich bringen. Extrem lange Teilchenbeschleuniger könnten dank des Vakuums selbst auf der Oberfläche - vergleichsweise günstig - gebaut werden. Ein Netzwerk von Gravitationswellendetektoren, die über den ganzen Mond verteilt werden, könnten Gravitationswellen in nie erreichter Genauigkeit messen. In den Kratern an den Mondpolen, die so tief sind, dass niemals Sonnenlicht in sie eindringen kann, herrschen Tieftemperatur-Vakuumbedingungen, in vieler Hinischt Ideal für weitere Fortschritte auf dem Gebiet der Materialwissenschaften.

Die Erforschung des Sonnensystems

Ein Punkt der "Vision for Space Exploration" war, dass man den Mond als Sprungbrett zur Erforschung des Sonnensystems benutzen könne. Der Grundgedanke ist prinzipiell sehr vernünftig: Da die Gravitation des Mondes sehr viel geringer ist als jene der Erde, braucht eine Raumsonde, die vom Mond aus z.B. zum Jupiter startet, sehr viel weniger Enerige als von der Erde aus. In der Raumfahrt wird ein solcher Energieunterschied gerne in den km/s angegeben, die erreicht werden müssen, um einen bestimmten Flug durchzuführen. Für den Flug zum Jupiter fallen damit von der Erdoberfläche aus, im idealsten Fall, etwa 12 km/s an. Vom Mond aus sind es nur etwa 2.3 km/s: der Start zum gleichen Zeil braucht vom Mond aus also nur etwa ein Viertel der Energie, die der Flug von der Erde aus benötigt! Der Haken an der Sache: muss man das Raumschiff erst von der Erde auf den Mond bringen, hebt sich dieser Vorteil auf und kehrt sich sogar in einen Nachteil um: neben dem Start von der Erde mit etwa 10 km/s schlägt die anschliessende Landung auf dem Mond mit rund 2.3 km/s zu Buche, total sind das dann rund 15 km/s.

Das bedeutet, den "Sprungbrett"-Vorteil, den uns der Mond bietet, lässt sich nur dann ausnützen, wenn das Raumschiff auf dem Mond selbst gebaut wird, vorwiegend aus Rohstoffen, die sich dort finden. Dies wiederum schliesst einige Typen von Antrieben aus. So sind chemische Antriebe, die auf der Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff basieren, denkbar ungeeignet, denn der Mond ist arm an diesen Stoffen, und wenn sie gefördert werden, dann gibt es bessere Verwendung für sie. Der Mond ist jedoch vergleichsweise reich an nuklearen Brennstoffen wie Uran, Thorium oder eben Helium-3. Zudem gibt es auf dem Mond viel Sonnenlicht (in jedem Monat rund zwei Wochen lang 24 Stunden pro (Erd-)Tag), das mit Solarzellen in Stom umgewandelt werden könnte, so dass auch Raumschiffe mit Laserantrieb denkbar wären (dabei transferiert ein Laser auf der Mondoberfläche, der von den Solarzellen gespeist wird, Energie auf ein Raumschiff, etwa, in dem mit diesem Laser ein gigantisches Segel angetrieben wird).

Offensichtlich ist der Mond jedoch für den Bau und Start von EPPP-Raumschiffen (External Plasma Pulse Propulsion) geeignet. Bei dieser Antriebsart wird die Energie einer Atomexplosion, die hinter dem Raumschiff gezündet wird, auf das Raumschiff übertragen und in Antrieb übersetzt, meist über eine "Stossdämpfer-Platte", aber es sind auch andere, fortschrittlichere Designs denkbar. EPPP-Raumschiffe würden den Beginn einer ganz anderen Raumfahrt, als wir sie uns heute gewohnt sind, bedeuten. Anstatt einzelner Menschen, die in engen, möglichst leichten Kapseln durch die Weiten des Sonnensystems fliegen (und dabei Monate und Jahre brauchen, um weiter entfernte Ziele wie den Mars zu erreichen), könnten geräumige Raumschiffe mit einer Masse von einigen 1000 Tonnen, für jeweils einige dutzend Menschen gebaut werden, die das Sonnensystem in wenigen Wochen durchqueren könnten.

Auf der Erde ist der Bau eines EPPP-Raumschiffs zumindest beim Start ökologisch bedenklich, weil das Raumschiff auf einer Säule von Atomexplosionen "reiten" muss, um den Weltraum zu erreichen (und viel zu schwer ist, als dass man es kostengünstig im Weltraum aus Einzelstücken zusammensetzen könnte). Auf dem Mond hingegen gibt es keine Biosphäre, die dadurch gefährdet werden könnte. Man könnte ein Gebiet von einigen tausend Quadratkilometern zum Startgebiet für EPPP-Raumschiffe erklären und diese dann ohne grössere Umschweife direkt von der Oberfläche aus ins Sonnensystem starten. Bemannte Flüge zum Mars, zum Jupiter, zum Saturn in einem einzigen Flug könnten dann Wirklichkeit werden.

Eine Frage der Infrastruktur

Der Bau von Raumschiffen, die viele 1000 Tonnen schwer sind, erfordet natürlich eine entsprechende Industrie auf dem Mond. Diese Industrie würde hauptsächlich automatisch abgewickelt, für deren Steuerung und Wartung wären aber vermutlich Menschen oder zumindest "Avabots" (von Menschen ferngesteuerte, humanoide Roboter) notwendig. Ein solches Szenario ist allenfalls für die zweite Hälfte des 21. Jahrhunderts denkbar, wenn einige tausend Menschen auf dem Mond arbeiten und eine entsprechende Versorgungsinfrastruktur aufgebaut ist. Für diese Zeit ist die Einrichtung von Weltraumliften für den Zugang zur Mondoberfläche denkbar: ein solcher Lift könnte einen Punkt auf der Mondoberfläche mit dem L1-Punkt des Erde-Mond-Systems verbinden (dem Punkt, in dem sich die Gravitation von Erde und Mond die Waage halten): ein solcher Weltraumlift wäre sogar schon mit heute verfügbaren Materialen machbar (im Gegensatz zum Orbitalseil bei der Erde, für das exotische Kohlenstoffröhrchen, sogenannte "Carbon-Nanotubes", nötig sein werden). Ein solcher Lift könnte tausende von Tonnen aus der Mondumlaufbahn auf die Oberfläche bringen und umgekehrt. Von der Oberfläche aus könnte dann über Magnetschwebebahnen (die im Vakuum auch sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen könnten) die gesamte Mondoberfläche erschlossen werden.

Trotzdem werden sich die Menschen vermutlich nie auf dem Mond "häuslich" niederlassen und echte Kolonien gründen - dafür ist die Umwelt des Mondes zu lebensfeindlich, auch die mit 0.16 g sehr geringe Gravitation dürfte mit der Zeit Probleme machen. Dass der Mond langfristig zu einer Art "Industriezone" der globalisierten Menschheit wird, halte ich aber durchaus für plausibel: ein Ort, an den man geht, um für einige Wochen am Stück zu arbeiten, wo man aber dann auch wieder froh ist, wenn man für einige Wochen Urlaub zurück auf die Erde kann.