Die Mondbasis aus dem 3D-Drucker

Bereits heute werden mit dem 3D-Drucker ganze Gebäude gedruckt. Dabei wird der Druckkopf an einem Gerüst oder an einem Roboterarm geführt. Schicht für Schicht fügt er einem geeigneten Werkstoff wie beispielsweise Sand ein Bindemittel zu. In einem Projekt der Europäischen Weltraumagentur ESA wird seit 2013 auf der Erde getestet, wie sich dieses Verfahren zum Bau zukünftiger Mondbasen nutzen lässt.

Dabei herausgekommen ist der Entwurf einer Kuppel, die einen aufblasbaren Wohn- und Arbeitsbereich umgibt. Die Kuppel soll die Astronauten gegen Mikrometeoriten und kosmische Strahlung schützen. Die hohle Zellstruktur der Wände bietet Stabilität bei vermindertem Gewicht. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, dass das meiste Baumaterial auf dem Mond gewonnen wird und somit nicht von der Erde dorthin transportiert werden muss.

Architektur für den Mond

Das Konzept einer Mondbasis aus dem 3D-Drucker entwarf das Architekturbüro Foster+Partners im Auftrag der ESA. Grafik: ESA/Foster + Partners

Das Konzept einer Mondbasis aus dem 3D-Drucker entwarf das Architekturbüro Foster+Partners im Auftrag der ESA. Grafik: ESA/Foster + Partners

Zu den industriellen Partner des ESA-Projekts gehört das Architekturbüro Foster + Partners. Die Architekten entwarfen die stabile Kuppel, die mit ihrer zellularen Wandstruktur eine aufblasbare Kuppel umhüllt. In der Kuppel sollen die Astronauten ohne Raumanzug arbeiten und wohnen können.

„Üblicherweise entwerfen wir für extreme Klimate auf der Erde und nutzen dabei die örtlich vorhandenen nachhaltigen Materialien“, sagte Xavier De Kestelier von Foster + Partners Specialist Modelling Group. „Unser Mond-Habitat folgt einer ähnlichen Logik.“

Gebäude aus dem 3D-Drucker

Mögliche Wandstruktur einer 3D-gedruckten Mondbasis. Der 1,5 Tonnen schwere Baustein wurde auf der Erde gedruckt, um den 3D-Druck mit simuliertem Mondmaterial zu demonstrieren. Das Design basiert auf einer hohlen Zellstruktur, ähnlich wie Vogelknochen, um mit geringem Gewicht hohe Festigkeit zu erzielen. Foto: ESA

Mögliche Wandstruktur einer 3D-gedruckten Mondbasis. Der 1,5 Tonnen schwere Baustein wurde auf der Erde gedruckt, um den 3D-Druck mit simuliertem Mondmaterial zu demonstrieren. Das Design basiert auf einer hohlen Zellstruktur, ähnlich wie Vogelknochen, um mit geringem Gewicht hohe Festigkeit zu erzielen. Foto: ESA

Als 3D-Drucker dient der D-Shape des Unternehmens Monolite UK Ltd., die den Drucker sonst eher zur Herstellung von Skulpturen und künstlicher Korallenbänke als Schutz vor starken Wellen nutzt. Der 3D-Drucker ist ausgerüstet mit einem mobilen Düsenfeld an einem sechs Meter langen Rahmen, das den chemischen Binder in das sandartige Baumaterial spritzt. Er arbeitet mit einer Druckrate von etwa 2 Meter pro Stunde. Die nächste Druckergeneration soll 3,5 Meter pro Stunde schaffen und damit ein Gebäude in einer Woche errichten können.

Die Mondbasis aus dem 3D-Drucker: Die aufblasbare Kuppel wird von fahrbaren Robotern mit einer dicken Schicht Mondstaub (Regolith) und einem Bindemittel bedruckt. Die Schicht schützt die Astronauten vor Weltraumstrahlung und Meteoriten. Grafik: ESA/Foster + Partners

Die Mondbasis aus dem 3D-Drucker: Die aufblasbare Kuppel wird von fahrbaren Robotern mit einer dicken Schicht Mondstaub (Regolith) und einem Bindemittel bedruckt. Die Schicht schützt die Astronauten vor Weltraumstrahlung und Meteoriten. Grafik: ESA/Foster + Partners

„Zuerst müssen wir das simulierte Mondmaterial mit Magnesiumoxid mischen. Das verwandelt sich in ‘Papier’, mit dem wir drucken können“, erklärte der italienische Monolite-Gründer Enrico Dini. „Für unsere strukturelle ‘Druckertinte’ verwenden wir dann ein Bindesalz, das das ganze Material in eine Art Stein umwandelt.“

3D-Druck unter Weltraumbedingungen

3D-Druck einer Hohlkugel aus Titan als Beispiel für die Fertigung einer komplexen geometrischen Form. Mit anderen Herstellungsverfahren hätte die Kugel nicht in einem Stück gefertigt werden können. Foto: ESA

3D-Druck einer Hohlkugel aus Titan als Beispiel für die Fertigung einer komplexen geometrischen Form. Mit anderen Herstellungsverfahren hätte die Kugel nicht in einem Stück gefertigt werden können. Foto: ESA

Wie der 3D-Drucker sonst noch in der Raumfahrt eingesetzt wird, zeigt der Blog-Beitrag 3D-Drucker im irdischen und außerirdischen Einsatz.

An dem ESA-Projekt beteiligt sich auch das italienische Unternehmen Alta SpA. Es arbeitet mit Forschern der in Pisa ansässige Elite-Hochschule Scuola Superiore Sant’Anna zusammen. Gemeinsam arbeiten sie daran, 3D-Drucktechniken an die Bedingungen auf dem Mond anzupassen, beispielsweise dem Vakuum des Weltraums.

„Der Prozess basiert auf der Anwendung von Flüssigkeiten, aber ungeschützte Flüssigkeiten verdampfen im Vakuum natürlich“, sagte Giovanni Cesaretti als Vertreter von Alta. „Daher führten wir die Düse des 3D-Druckers unterhalb der Regolith-Schicht ein. Wir fanden, dass 2 mm kleine Tröpfchen von dem Bodenmaterial durch Kapillarkräfte festgehalten werden und somit der Druckprozess tatsächlich im Vakuum funktioniert.“

Simulierter Mond-Regolith wird für die Forschung von speziellen Unternehmen produziert und üblicherweise pro Kilogramm verkauft. Das ESA-Projekt benötigt allerdings Tonnen davon.

„Als ein anderes nützliches Ergebnis entdeckten wir eine europäische Quelle für simulierten Mond-Regolith“, ergänzte Enrico Dini. „Basaltgestein von einem Vulkan in Zentralitalien erwies sich als zu 99,8% dem Mondboden zu entsprechen.“

Ausblick

„Diese Projekt fand statt im Programm der ESA für allgemeine Studien, in dem neue Themen betrachtet werden“, fasste Laurent Pambaguian als Leiter des ESA-Projekts zusammen. „Wir haben die grundlegenden Konzepte bestätigt und ein fähiges Team für die Folgearbeiten zusammengestellt.“

Mondbasis aus mehreren Kuppeln. Nach dem Aufblasen der Kuppeln werden diese von mobilen 3D-Druck-Robotern mit Lagen des sandartigen Mondbodens (Regolith) bedruckt. Grafik: ESA/Foster + Partners

Mondbasis mit mehreren Kuppeln. Nach dem Aufblasen der Kuppeln werden diese von mobilen 3D-Druck-Robotern mit Lagen des sandartigen Mondbodens (Regolith) bedruckt. Grafik: ESA/Foster + Partners

Faktoren wie die Kontrolle des Mondstaubes – gefährlich einzuatmen – und die Temperaturbedingungen auf dem Mond erfordern weitere Studien. Ein weiteres Forschungsthema ist die Abschirmung der Weltraumstrahlung durch die 3D-gedruckten Kuppeln. Entsprechende Messungen anhand des simulierten Mond-Regoliths wurde bereits durchgeführt und gehen in die weitere Entwicklung ein.

3D-Druck funktioniert am besten bei Zimmertemperatur. Auf dem Mond schwankt die Temperatur allerdings dramatisch im Tag- und Nacht-Wechsel, wobei die Tage und Nächte jeweils zwei Wochen dauern. Für zukünfte Mondsiedlungen würden seine Polargebiete noch die mäßigsten Temperaturschwankungen bieten, da dort das Sonnenlicht nahezu konstant streifend im flachen Winkel einfällt. Ein solcher Standort würde eine Mondbasis durchgängig mit mehr als genug Sonnenenergie versorgen.

Sonnenenergie soll auch in dem ESA -Projekt eine Rolle Spielen: Es soll eine andere 3D-Drucktechnik für den Mond erprobt werden, die konzentriertes Sonnelicht nutzt, um den Reolith zu schmelzen, statt chemisch zu binden.

Bis auf weiteres bleibt eine Mondbasis ein reines Gedankenspiel. Zumindest macht jede Studie in dieser Richtung die zukünftige Besiedlung des Mondes und vielleicht auch anderer Himmelskörper ein kleines Bisschen durchführbarer.

ESA-Video: 3D-Printing a Lunar Base

Links

ESA
http://www.esa.int

D-Shape-Technologie der Monolite UK Ltd.
http://www.d-shape.com

Foster + Partners
http://www.fosterandpartners.com

Alta SpA
http://www.alta-space.com

Scuola Superiore Sant’Anna
http://www.sssup.it

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