Mondgestein und recycelter Kunststoff könnten die Kosten für Weltraummissionen deutlich senken. Forschungsansätze zeigen, wie der 3D-Druck vor Ort auf dem Mond Ersatzteile und Baumaterialien aus Regolith und Polymerabfällen fertigen kann. Dies reduziert die hohen Transportkosten von der Erde und fördert die Autonomie künftiger Mondbasen.

3D-Druck als Schlüssel zur Kostenkontrolle im All

Der Transport von Gütern von der Erde zum Mond kostet derzeit rund eine Million Euro pro Kilogramm Nutzlast. Diese logistischen und finanziellen Aufwände stellen eine zentrale Herausforderung für nachhaltige Mondmissionen und -basen dar. Wissenschaftler setzen daher verstärkt auf die In-situ-Ressourcen-Nutzung (ISRU), bei der Materialien direkt auf dem Mond gewonnen und verarbeitet werden.

Dabei gilt der 3D-Druck als vielversprechende Lösung. Er ermöglicht die Herstellung von Baumaterialien und Ersatzteilen aus den vor Ort verfügbaren Rohstoffen. Ein zentrales Material ist der Mondstaub, auch Regolith genannt, der den Mond in einer dicken Schicht bedeckt.

Forscher der Concordia University untersuchten die Möglichkeit, recycelten Hochleistungskunststoff Polyetherketonketon (PEKK) mit künstlichem Mondboden zu mischen. Eine Mischung mit 30 Gewichtsprozent Regolith-Simulant ließ sich zu dünnen Kunststofffäden verarbeiten und erfolgreich im 3D-Drucker zu Prüfstücken formen. Der zugesetzte Gesteinsanteil verringerte das Schrumpfen und Verziehen der gedruckten Teile während der Wärmebehandlung.

Gleichzeitig erhöhten sich jedoch die Sprödigkeit und die Bildung kleiner Hohlräume, was weitere Optimierungen erfordert.

Internationale Forschung treibt Entwicklung voran

Die Forschung zur Nutzung von Mondstaub geht über Materialmixe mit Kunststoffen hinaus. An der Ohio State University wandelten Wissenschaftler simulierten Mondboden (LHS-1, ein Simulant der Mondhochländer) mittels Laser-3D-Druck in hitzebeständige Strukturen um. Die leitende Autorin Sarah Wolff und ihr Team stellten fest, dass das gedruckte Material besonders gut auf Aluminiumoxid-Silikat-Keramik haftete.

Dies deutete auf Kristallbildung hin, die zur thermischen Stabilität und mechanischen Festigkeit beiträgt. Weitere Einflussfaktoren waren der Sauerstoffgehalt der Luft, die Laserintensität und die Druckgeschwindigkeit.

Das von der VolkswagenStiftung finanzierte Projekt Moonrise der TU Braunschweig und des Laser Zentrums Hannover (LZH) arbeitet ebenfalls an der Erzeugung von Bausteinen aus Regolith mittels Laser-Schmelzverfahren. Ziel ist die Produktion von Gebäuden, Landeplätzen und Straßen aus Mondstaub. Das Team um Niklas Gerdes und Professor Ludger Overmeyer entwickelte einen Laserkopf von der Größe einer Saftpackung, der Vakuum-, Temperatur- und Vibrationstests bestanden hat.

Versuche im Einstein-Elevator der Leibniz Universität Hannover zeigten das Schmelzen von Regolith unter Schwerelosigkeit und Mondgravitation. Der Laser wurde dabei an einem Roboterarm angesteuert, um größere Strukturen gezielt aufzuschmelzen.

Eine gemeinsame Studie der BAM, der TU Clausthal und der Hochschule Aalen untersucht das Schmelzen von Mondstaub (Simulant EAC-1A der ESA) mit Laserstrahlen unterschiedlicher Stärke und Größe. Bei überlappenden Laserspuren entstanden Risse. Als Lösung entwickelten die Forscher dreieckige, ineinandergreifende „Pflastersteine“ mit Öffnungen, die ohne überlappende Spuren gefertigt werden können.

Langfristig könnte ein leichter Fresnel-Linsenaufbau auf Folienbasis Sonnenlicht bündeln und schwere Laser ersetzen. Dieses Projekt wird von der ESA im Rahmen ihres Discovery-Programms gefördert.

Vielfältige Anwendungen und technologische Sprünge

Die ESA untersucht zudem die Nutzung von Meteoritenmaterial und Mondstaub zur Herstellung von Klemmbausteinen. Dafür wird 4,5 Milliarden Jahre altes Meteoritenmaterial mit Polylactid und einem Simulanzlösemittel gemischt. Die produzierten Bausteine haben eine raue Oberfläche, aber nach Angaben der Forscher die gleiche Klemmkraft wie handelsübliche Legosteine.

Fünfzehn dieser Steine wurden bereits in Ausstellungen gezeigt.

Neben dem Bau von Infrastruktur ist der 3D-Druck auch für die Herstellung von Ersatzteilen relevant. Forschungsergebnisse nennen Vorteile wie Designfreiheit, Materialersparnis, beschleunigte Prototypenentwicklung, Gewichtsreduktion und die Vereinfachung komplexer Baugruppen. Zahlreiche Unternehmen wie Airbus, Boeing und Embraer integrieren den 3D-Druck bereits in ihre Produktionsprozesse.

Embraer produziert etwa 1.800 3D-gedruckte Thermoplast-Teile pro Jahr für sein E2-Programm. Für bestimmte Anwendungen berichtete das Unternehmen von 50 Prozent kürzeren Vorlaufzeiten und 65 Prozent weniger Abfall.

Ein Forschungsteam der Hochschule München um Professor Markus Pietras demonstrierte erstmals den automatischen 3D-Druck einer Struktur im freien Weltraum an Bord einer Forschungsrakete. Das Verfahren nutzt UV-härtende Photopolymere. Es wurde als energieeffizient beschrieben und zeigt, wie sich große Strukturen direkt im All fertigen ließen.

Solarzellen und Sauerstoff aus Mondressourcen

Die Produktion von Energie ist ein weiterer Schwerpunkt für autonome Mondbasen. Forschende der Universität Potsdam entwickelten Solarzellen, deren Glasschichten aus geschmolzenem Mondregolith-Material hergestellt werden. Der synthetische Mondstaub wurde bei etwa 1.550 Grad Celsius geschmolzen, sodass wenige Millimeter dünne Glasschichten entstanden.

Darauf wurden Perowskit-Schichten und leitfähige Lagen aufgebracht. Mit Mondglas erreichten die Zellen einen Wirkungsgrad von 8 bis 10 Prozent, verglichen mit 16 bis 20 Prozent für hochreine Erden-Gläser. Langfristig wird eine Steigerung bis auf 23 Prozent angestrebt.

Die Forscher nennen gegenüber dem Transport kompletter Module Nutzlast-Einsparungen von bis zu 99 Prozent. Für ein 3-Megawatt-Solarfeld wären demnach nur etwa 3 Tonnen Material von der Erde nötig. Die Solarzellen zeigten zudem Beständigkeit gegenüber simulierter kosmischer Strahlung.

Parallel dazu arbeiten ESA-Wissenschaftler an Verfahren zur Gewinnung von Sauerstoff aus Mondstaub. Die Fähigkeit, Baustoffe, Energie und Sauerstoff vor Ort zu produzieren, zählt zu den wichtigsten Zielen für dauerhafte Mondbasen.

Die Weiterentwicklung dieser Technologien, insbesondere unter realen Mondbedingungen wie niedriger Schwerkraft, Vakuum und extremen Temperaturschwankungen, bleibt eine zentrale Herausforderung. Die nächsten Schritte umfassen umfassendere Tests unter simulierten und realen Mondbedingungen, um Materialeigenschaften und Langzeitstabilität der gedruckten Bauteile zu validieren. Analysten beobachten gespannt, welche Auswirkungen diese Entwicklungen auf die Wirtschaftlichkeit und Machbarkeit zukünftiger Weltraummissionen haben werden.