Prüftechnik aus Ulm für den Materialeinsatz auf dem Mond: Eine Universalprüfmaschine zwickiLine steht schon mal auf dem Erdtrabanten. (Bild: ZwickRoell)
Sollte in naher Zukunft der Bau einer Basisstation auf dem Mond beginnen, könnte der Prüfmaschinenhersteller ZwickRoell daran Anteil haben. Für die österreichische Lithoz GmbH, die mit der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) kooperiert, prüfte das Unternehmen aus Ulm-Einsingen Proben aus künstlichem Mondstaub. Die Fragestellung lautete: Eignet sich das Material, um künftig per 3-D-Drucker auf dem Mond Werkstoffe und Werkzeug für den Bau einer Mondstation herzustellen?
Was kann ein Weltraum-3D-Drucker?
Ein Weltraum-3D-Drucker ist ein 3D-Drucker, der speziell für den Einsatz im Weltraum entwickelt wurde. Im Weltraum gibt es besondere Herausforderungen, die herkömmliche 3D-Drucker nicht bewältigen können, wie zum Beispiel die Schwerelosigkeit, der Mangel an Ressourcen und der begrenzte Platz. Ein Weltraum-3D-Drucker muss daher in der Lage sein, unter diesen Bedingungen zu arbeiten und hochwertige und zuverlässige Teile und Bauteile herzustellen.
Weltraum-3D-Drucker verwenden in der Regel Materialien wie Kunststoffe, Metalle oder keramische Pulver, um Objekte zu drucken. Die Rohmaterialien werden in der Regel in Patronen gelagert und in den Drucker eingesetzt. Der Druckprozess erfolgt durch das Schmelzen oder Verfestigen des Materials Schicht für Schicht, bis das gewünschte Objekt entsteht.
Ein Weltraum-3D-Drucker kann für viele Anwendungen nützlich sein, wie zum Beispiel für die Herstellung von Ersatzteilen oder Werkzeugen während einer Raumfahrtmission. Dies kann den Bedarf an teuren und zeitaufwändigen Versorgungsmissionen verringern. Darüber hinaus kann ein Weltraum-3D-Drucker auch für die Herstellung von Bauteilen für zukünftige Weltraumkolonien oder -habitate verwendet werden.
Der Mond als „Sprungbrett zum Mars“ – und weiter in den Weltraum: Das ist die Vision, die hinter dem Bau einer Mondbasis steht – und zu der internationale Weltraumbehörden bereits konkrete Pläne besitzen. Es ist jedoch sehr teuer, Baumaterial und Werkzeug von der Erde zum Mond zu transportieren.
Deshalb erarbeitete die Lithoz GmbH aus Wien, als Spezialist für technische Keramik im 3D-Druck, für die Europäische Weltraumorganisation (ESA) ein neues Verfahren. Mit diesem lässt sich aus synthetischem Mondstaub – per 3-D-Drucker mit LCM-Technologie – Baumaterial, Ersatzteile und Werkzeuge herstellen.
„Unsere LCM-Technologie ist – wenn man auf die Qualität der Ergebnisse Wert legt – führend und der Goldstandard im keramischen LCM 3D-Druck“, erläutert Johannes Homa, Geschäftsführer der Lithoz GmbH aus Wien.
Im Promotionsvideo der ESA wird der Plan zum 3D-Druck einer Mondbasis vorgestellt.
Echter Mondstaub ist unbrauchbar – Prüfungen mit synthetischem Material
ZwickRoell Prüfingenieure untersuchten im Auftrag der Lithoz GmbH die Proben aus Regolith, das ist künstlich hergestellter Mondstaub. Diese per Sinter-Verfahren bei +1100° C und +1200 °C hergestellten Proben wurden Druck- und 3-Punkt-Biegeversuchen unterzogen, um ihre besonderen Eigenschaften in puncto Belastbarkeit zu ermitteln.
Warum jedoch wurden für die Prüfungen Proben aus synthetischem, also „künstlichem“ auf der Erde produzierten, Mondstaub verwendet? Das habe ganz simple Gründe, berichtet Homa: „Von früheren Mondmissionen existieren auf der Erde rund 400 Kilogramm Mondstaub. Dieser ist aber durch die Luft und Feuchtigkeit inzwischen kontaminiert. Zudem hat er seine chemische Reaktivität verloren und ist somit unbrauchbar für heutige Versuchszwecke.“ Der künstlich hergestellte Regolith besitze jedoch „zu fast 100 Prozent identische chemische, mechanische oder technische Eigenschaften und Charakteristika wie echter Mondstaub.“
ESA: 3D-Druck von Mondstaubziegeln mit konzentrierter Sonnenwärme
Mit konzentriertem Sonnenlicht wurden aus simuliertem Mondstaub 3D-Ziegel gedruckt. Dieses ESA-Projekt fand in der Einrichtung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln statt, wo ein 3D-Druckertisch an einen Sonnenofen angeschlossen war, in dem bei einer Temperatur von 1000 °C nacheinander 0,1 mm dicke Schichten von Mondstaub gebrannt wurden. Quelle: ESA, CC BY-SA 3.0 IGO
Prüfergebnisse werden analysiert und mit der ESA besprochen
Zwei Tage dauerten die Prüfungen im Labor bei ZwickRoell am Standort in Ulm-Einsingen. „Für uns stellten die Materialtests mit Regolith ein Novum dar, die wir den speziellen Kundenanforderungen entsprechend aber sehr gut durchführen konnten“, resümiert Tobias Ebner, verantwortlicher Werkstoffingenieur für die Probenprüfungen des Projektes „Moon Dust“. Und er ergänzt: „Die Bewertung der Prüfergebnisse, ob und inwieweit sich das Material eignet für den Bau einer Mondstation oder es mitunter angepasst werden muss, das obliegt jetzt unserem Auftraggeber.“ Aktuell werden die Ergebnisse und Erkenntnisse der zweitägigen Qualitätstests von der Lithoz GmbH analysiert, mit der ESA besprochen und anschließend veröffentlicht.
Unternehmensgründer lernten auf ZwickRoell Prüfmaschinen
Doch wie kam es zur Kooperation zwischen ZwickRoell und dem Wiener Unternehmen? Die Verbindung „Wien – Ulm“ bestehe seit der Studienzeit der beiden Geschäftsführer Johannes Benedikt und Johannes Homa. Homa: „Wir haben schon im Studium der Materialwissenschaften mit ZwickRoell Maschinen gearbeitet. Als sehr verlässlicher und qualitätsbewusster Partner hat uns ZwickRoell sozusagen unseren Weg vom Start-up hin zum Weltmarktführer geebnet. Daher begleitet uns das Ulmer Unternehmen jetzt auch auf dieser besonderen Mond Mission.“ Wann der Bau einer Mondstation tatsächlich beginnt, steht aktuell noch in den Sternen.
Aber eines sei „schon fix“. Homa: „Wer zum Mond fliegt, kommt an uns nicht vorbei. Wir möchten – im wahrsten Sinne des Wortes – nach den Sternen greifen und das Denkbare ermöglichen und weltraummäßig mit unserer Kompetenz umsetzen. Oder lateinisch gesprochen: Per aspera ad astra („Durch die Anstrengung zu den Sternen“). Dank ZwickRoell sind wir einen großen Schritt vorangekommen.“
Ein Blick in die Zukunft der Raumfahrt: Diese Weltraumkolonien sind in Planung
Es gibt derzeit keine vollständig geplanten Weltraumkolonien, die in naher Zukunft gebaut werden sollen. Es gibt jedoch mehrere Konzepte und Ideen für zukünftige Weltraumkolonien, von denen einige von verschiedenen Regierungen, Unternehmen und Raumfahrtorganisationen untersucht werden.
Hier sind einige Beispiele:
- Mars-Kolonisation: Die Mars-Kolonisation ist seit langem ein Ziel von Elon Musks Raumfahrtunternehmen SpaceX. Musk hat erklärt, dass er plant, bis 2050 eine selbsttragende Stadt auf dem Mars zu bauen. Andere Organisationen wie die NASA und die Vereinigten Arabischen Emirate haben ebenfalls Pläne für bemannte Missionen zum Mars und für die Einrichtung von Kolonien auf dem Roten Planeten.
- Mond-Kolonisation: Die NASA plant, bis 2024 eine bemannte Mondmission namens Artemis durchzuführen, um eine permanente Präsenz auf dem Mond aufzubauen. Private Unternehmen wie Blue Origin und SpaceX haben ebenfalls Pläne für Mondmissionen und die Einrichtung von Mondkolonien.
- O'Neill-Kolonien: O'Neill-Kolonien sind riesige künstliche Lebensräume, die im Weltraum stationiert werden sollen. Sie wurden vom Physiker Gerard K. O'Neill in den 1970er Jahren entworfen und sollen große Populationen von Menschen beherbergen und unabhängig von der Erde funktionieren. Diese Art von Kolonien würde vermutlich sehr aufwendig sein und erfordert enorme Ressourcen, um sie zu bauen.
- Lagrange-Kolonien: Lagrange-Kolonien sind Raumstationen, die in stabilen Orbits um die Lagrange-Punkte der Erde oder anderer Himmelskörper positioniert sind. Diese Orbits erfordern wenig oder keine Energie, um sie aufrechtzuerhalten, was sie zu idealen Standorten für Raumstationen macht. Die NASA und andere Raumfahrtorganisationen untersuchen derzeit Möglichkeiten für die Einrichtung von Lagrange-Kolonien für verschiedene Zwecke.
Die NASA stellt ihre Pläne für eine Zukunft im Orbit vor. Quelle: NASA