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Mondstaub und Papierfasern können Mondbasen gegen extreme Temperaturen dämmen
Wärmeschutz aus Abfall: Eine Mischung aus Papierfasern und künstlichem Mondstaub lässt sich zu einem extrem porösen Dämmstoff verarbeiten. Laborproben erreichten eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 30 Milliwatt pro Meter und Kelvin. Das Material könnte künftig Mondstationen vor Temperaturwechseln schützen und zugleich die Versorgung mit Baumaterial von der Erde entlasten.
West Lafayette (U.S.A.). Der Mond ist ein schwieriger Bauplatz: An sonnigen Stellen kann die Oberfläche mehr als 120 Grad Celsius heiß werden, in der Mondnacht sinken die Temperaturen weit unter minus 100 Grad. Eine dauerhaft bewohnte Station bräuchte deshalb einen zuverlässigen Wärmeschutz, ohne dafür große Mengen Dämmmaterial von der Erde mitzubringen.
Ein möglicher Rohstoff liegt bereits auf der Mondoberfläche: Regolith, eine lockere Schicht aus Gesteinsbruchstücken und Staub. Zusammen mit Zellulose aus Papier- und Kartonabfällen könnte daraus ein leichtes Isoliermaterial werden. Entscheidend sind unzählige winzige Hohlräume, die den Wärmetransport durch das feste Material erschweren.
Forscher der Universities Space Research Association (USRA) um Dr. Haiquan Guo haben einen Dämmstoff aus Zellulose und künstlichem Mondstaub untersucht. Das sogenannte Aerogel ist ein fester, aber überwiegend aus Poren bestehender Verbundstoff. Statt echter Mondproben verwendete das Team den mineralischen Hochland-Regolith-Ersatz LHS-1.
Als Zellulosequelle diente zerkleinertes Labor-Filterpapier, also noch kein tatsächlich eingesammelter Verpackungsmüll. Dieses Papier wurde gemeinsam mit Wasser und dem Mondstaub-Ersatz in einer Kugelmühle zwei Stunden lang zerrieben. Dabei halfen die Mineralpartikel, die Zellulosefasern in besonders feine Fäden mit typischen Breiten um 0,1 Mikrometer aufzuteilen.
Aus der so entstandenen Suspension formten die Wissenschaftler Probekörper, die zunächst eingefroren wurden. Danach tauschten sie das Wasser gegen Alkohol aus und trockneten das Material mit überkritischem Kohlendioxid. Zurück blieb ein festes Netzwerk mit vielen Poren, dessen Eigenschaften vom Verhältnis zwischen Zellulose und Regolith abhingen.
Die Aerogele wiesen Porenanteile von knapp 80 bis 98,6 Prozent auf. Bei Messungen unter Laborbedingungen und rund 23 Grad Celsius erreichten sie Wärmeleitfähigkeiten zwischen etwa 30 und 45 Milliwatt pro Meter und Kelvin. Eine optimierte Probe mit 61,2 Prozent künstlichem Regolith kam auf 30,5 Milliwatt pro Meter und Kelvin. Die Werte stammen nicht aus Versuchen im Mondvakuum.
Doch die besten Isolatoren waren nicht unbedingt die stabilsten. Mischungen mit wenig Zellulose blieben besonders leicht und leiteten Wärme schlecht, schrumpften beim Trocknen aber stärker und hielten Druckbelastungen schlechter stand. Ein höherer Zelluloseanteil verbesserte die mechanischen Eigenschaften, ging jedoch häufig mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit einher. Das passende Rezept hängt daher davon ab, wie stark eine spätere Dämmschicht belastet würde.
Für eine Mondstation wäre vor allem interessant, wie viel der knappen mitgebrachten organischen Rohstoffe eingespart werden kann. Ein hoher Anteil örtlich gewonnenen Regoliths könnte dabei helfen, setzt aber eine ausreichende Festigkeit des Verbundstoffs voraus. Die Laborergebnisse zeigen diesen Zielkonflikt deutlich, lösen ihn für eine fertige Anwendung jedoch noch nicht.
„Für eine dauerhafte Präsenz auf dem Mond müssen wir neu darüber nachdenken, wie wir lokale Ressourcen nutzen“, erklärt Alexander Wei von der Purdue University.