Wie man Mondregolith in druckbare elektronische Bauteile umwandelt

Wie man Mondregolith in druckbare elektronische Bauteile umwandelt

Mondstaub in Leiterplatten umwandeln: So funktioniert das Projekt, das die Produktion im Weltraum revolutionieren könnte.

Ein von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) unterstütztes Projekt zeigt, wie Mondstaub in leitfähige Materialien für den 3D-Druck elektronischer Bauteile umgewandelt werden kann. Das vom Dänischen Technologieinstitut in Zusammenarbeit mit dem britischen Unternehmen Metalysis geleitete Projekt im Wert von 155.000 Euro zielt darauf ab, die Abhängigkeit von irdischen Nachschublieferungen drastisch zu reduzieren und den Weg für eine autonome Produktion funktionsfähiger elektronischer Systeme direkt auf dem Mond oder auf dem Mars zu ebnen. Die Technologie basiert auf einem elektrochemischen Prozess, der Sauerstoff aus dem Mondstaub (Regolith) extrahiert und dabei leitfähige metallische Rückstände hinterlässt, die in Tinten und Pulver für die additive Fertigung umgewandelt werden können.

Was ist Mondstaub und warum ist er wichtig?

Der Mondstaub (Regolith), die Schicht aus Staub und Gesteinsfragmenten, die die Mondoberfläche bedeckt, stellt eine entscheidende Ressource für die Produktion vor Ort dar, da er bis zu 45 % chemisch gebundenen Sauerstoff enthält.

Der Mondstaub besteht aus extrem feinen und abrasiven Partikeln, die sich im Laufe von Milliarden Jahren durch Meteoriteneinschläge gebildet haben. Dieser “Mondstaub” enthält ungefähr 40-45 % Sauerstoff, ein lebenswichtiges Element für die Raketentriebwerke und die Lebenserhaltung, sowie eine Mischung aus Silizium-, Aluminium-, Eisen- und anderen Metalloxiden. Die chemische Zusammensetzung des Regoliths variiert je nach Mondregion: Die Proben der Apollo-Missionen zeigten signifikante Unterschiede zwischen den Hochland- und den Mondmeerregionen.

Die Bedeutung des Regoliths als Ressource ergibt sich aus einer einfachen wirtschaftlichen Gleichung: Der Transport eines einzigen Kilogramms Material in den Weltraum erfordert etwa 15 Kilogramm Treibstoff. Christian Dalsgaard, Seniorberater am Dänischen Technologieinstitut, betont: «Es ist ein enormer Vorteil, lokale Materialien auf dem Mond nutzen zu können, zum Beispiel um kritische Teile zu reparieren.» Diese Logik der In-situ-Ressourcennutzung (In-Situ Resource Utilization, ISRU) stellt einen fundamentalen Pfeiler für die nachhaltige Weltraumforschung und die Schaffung permanenter extraterrestrischer Basen dar.

Sauerstoff- und Metalllegierungsextraktion: Der Metalysis-Prozess

Die patentierte Technologie von Metalysis nutzt die Elektrolyse von geschmolzenen Salzen, um Sauerstoff vom Regolith zu trennen und gleichzeitig reine Metalllegierungen mit leitfähigen Eigenschaften zu erzeugen.

Der von Metalysis entwickelte Prozess basiert auf einer elektrochemischen Methode namens Elektrolyse von geschmolzenen Salzen. Der Mondstaub (oder sein Simulant) wird in ein auf 800 bis 1.000 Grad Celsius erhitztes Calciumchlorid-Elektrolyt getaucht. Wird eine elektrische Spannung zwischen den Elektroden angelegt, wird der Sauerstoff an der Anode freigesetzt, trennt sich von der mineralischen Struktur des Regoliths und hinterlässt eine Mischung aus metallischen Elementen.

«Unser Prozess wurde ursprünglich als alternative Methode zur Titanproduktion entworfen», erklärt Dr. Ian Mellor, Geschäftsführer und Chefscientist von Metalysis. «Die Technologie ist auf fast 50 Elemente des Periodensystems anwendbar und ist rohstoffagnostisch, daher kann sie Mondstaub verarbeiten. Unser unmittelbarer Fokus auf der Erde liegt auf hochbelastbaren Tantalpulvern und Aluminium-Scandium-Legierungen für den Elektroniksektor.»

Metalysis arbeitet seit 2019 mit der ESA und der UK Space Agency an verschiedenen Initiativen, die sich auf lunaren Regolith konzentrieren. Für dieses spezifische Projekt stellt das Unternehmen simulierten und de-oxidierten Mondboden für die Experimente zur Verfügung. Die nach der Sauerstoffextraktion verbleibenden Metallrückstände, die zuvor hauptsächlich für strukturelle Anwendungen wie Bau oder Reparaturen betrachtet wurden, werden nun auf ihre elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften als Nebenfunktion untersucht.

Von Staub zu Tinte: Vorbereitung von Materialien für den 3D-Druck

Die aus Regolith extrahierten Metalllegungen werden zu leitfähigen Tinten und Pulvern für den additiven Druck verarbeitet, was neue Möglichkeiten für die extraterrestrische Elektronikfertigung eröffnet.

Nachdem der Sauerstoff extrahiert wurde, verfügt die verbleibende Mischung aus Metalllegungen über leitfähige Eigenschaften, die sie für elektronische Anwendungen wertvoll machen. Das Danish Technological Institute nutzt seine Erfahrung in der Synthese leitfähiger Materialien, um dieses Nebenprodukt des Mondbodens in digital druckbare Materialien umzuwandeln: Tinten für die Druckelektronik und Pulver für den leitfähigen 3D-Druck.

Bevor Regolith für die Elektronikproduktion genutzt werden kann, muss der simulierte Mondboden unter Verwendung harter Mahlkugeln zu feinem Pulver zerkleinert werden, um eine angemessene Partikelgröße und -konsistenz zu erreichen. Nach der Verarbeitung kann die leitfähige Fraktion zu Tinten für die Druckelektronik oder zu Pulvern für den leitfähigen 3D-Druck formuliert werden. Beide Materialformen sind für additive Fertigungsworkflows vorgesehen, die in lunaren Umgebungen repliziert werden könnten.

«Die Hauptsinn des Projekts besteht darin, den leitfähigen Teil des Mondbodens, auch Regolith genannt, in ein digital druckbares Material umzuwandeln, erklärt Christian Dalsgaard. Dies eröffnet völlig neue Möglichkeiten für die extraterrestrische Produktion von Elektronik für zukünftige Weltraummissionen. Das Forschungsteam plant, den additiven Druck mit Tinten und Pulvern zu demonstrieren, die aus de-oxidiertem Regolith-Simulanten gewonnen werden, wobei der Schwerpunkt auf der Herstellung einfacher leitfähiger Strukturen liegt, um die funktionale Leistung und die Herstellbarkeit zu veranschaulichen.

3D-Druck von elektronischen Schaltkreisen in extraterrestrischer Umgebung

Die Fähigkeit, elektronische Komponenten direkt auf dem Mond zu drucken, stellt einzigartige technische Herausforderungen im Zusammenhang mit extremen Umweltbedingungen dar, von abrasivem Staub bis zu großen Temperaturunterschieden.

Andreas Weje Larsen, 3D-Druck-Spezialist am Danish Technological Institute, erklärt das praktische Ziel des Projekts: Auf diese Weise stellen wir leitfähige Tinten und Pulver her und testen, ob sie verwendet werden können, um additiv ein Stück leitfähigen Draht herzustellen. Damit zeigen wir, dass das leitfähige Pulver beispielsweise verwendet werden kann, um Antennen direkt auf dem Mond zu bauen.«

Potenzielle Anwendungen umfassen die Wartung robotischer Planetensysteme, elektrische Installationen innerhalb von Habitaten und den Bau von Kommunikationsinfrastrukturen. Die lokale Produktionsfähigkeit würde es ermöglichen, Systeme ohne Nachschubmissionen zu reparieren oder anzupassen, was die Autonomie und Widerstandsfähigkeit von Missionen verbessert. Zu den möglichen Anwendungen gehören die Reparatur von Planetenrobotern, elektrische Installationen in Habitaten und sogar der Bau von Kommunikationsnetzen auf dem Mond und auf dem Mars.

Trotzdem stellen die Mondbedingungen bedeutende Herausforderungen dar. Der Regolithstaub ist extrem abrasiv, die Temperaturschwankungen sind hoch, und das Vakuum in Kombination mit der geringen Schwerkraft erfordert Materialhandhabungssysteme, die sich von irdischen Druckern unterscheiden. Parallelforschungen haben gezeigt, dass die Haftung des Materials auf dem Substrat erheblich variiert, wenn auf Stahl, Glas oder Keramik gedruckt wird, und dass nur einige Kombinationen kristalline Strukturen bilden, die thermisch und mechanisch ausreichend stabil sind.

Validierung auf der Erde und Zukunftsperspektiven

Tests auf der Erde mit Regolith-Simulanten zeigen die Machbarkeit des Konzepts und bereiten den Boden für zukünftige operative Anwendungen auf dem Mond und darüber hinaus.

Das Projekt, als Proof of Concept strukturiert, zielt darauf ab, zu zeigen, dass deoxidiertes Regolith zur Herstellung von Komponenten wie Antennen oder Leiterdrähten direkt auf der Mondoberfläche verwendet werden kann. Die Absicht ist, das Konzept zunächst auf der Erde zu beweisen, damit es auf dem Mond repliziert werden kann. Das Danish Technological Institute und Metalysis werden leitfähige Rohstoffe aus simuliertem, deoxidiertem Regolith herstellen und deren Verwendung für gedruckte Elektronik demonstrieren.

Tests konzentrieren sich auf die Produktion einfacher leitfähiger Strukturen, die die funktionale Leistung und die Herstellbarkeit unter Verwendung von Prozessen zeigen, die mit dem Mond-Einsatz kompatibel sind.

articolo scritto con l'ausilio di sistemi di intelligenza artificiale