Mining in Space – Rohstoffgewinnung auf anderen Himmelskörpern

Die Erkundung des Weltraums fasziniert die Menschheit seit Jahrzehnten. Damit einhergehend hat der Aufbau einer Kolonie auf anderen Himmelskörpern wie dem Mond oder Mars zunehmend an Interesse gewonnen. Für den Aufbau einer solchen Kolonie ist die Nutzung extraterrestrischer Rohstoffe von großer Bedeutung. Um diese nutzbar zu machen, stehen, wie auch in terrestrischen Prozessen, die Erkundung und Rohstoffgewinnung am Anfang der Prozesskette. Bedingt durch die herausfordernde Umgebung sind für die Rohstoffgewinnung innovative und hochgradig autonom arbeitende Verfahren erforderlich. In Forschung und Lehre kann das Institute for Advanced Mining Technologies (AMT) der RWTH Aachen University (RWTH), Aachen, hier seine Expertise im Bereich der terrestrischen Rohstoffgewinnung in den Bereich der Rohstoffgewinnung auf dem Mond einbringen. So können nicht nur innovative Konzepte für den extraterrestrischen Bergbau entwickelt werden, die Erkenntnisse können zukünftig auch zu Fortschritten im terrestrischen Bergbau beitragen.

1  Einleitung

Die Erkundung des Weltraums fasziniert den Menschen seit jeher. In den vergangenen Jahren ist damit einhergehend der Aufbau von Kolonien, beispielsweise auf dem Mond oder Mars, zunehmend in den Fokus gerückt. Um eine längerfristige Präsenz des Menschen auf anderen Himmelskörpern zu ermöglichen, ist die Nutzung der vor Ort vorhandenen Rohstoffe, die sogenannte In Situ Resource Utilisation (ISRU) unumgänglich, um den Bedarf der Rohstoffe, die von der Erde aus transportiert werden müssten, zu reduzieren. (1)

Das erste Ziel wird die Erhaltung lebenserhaltender Prozesse sein. Aus diesem Grund ist beispielsweise das Eis, welches an den Polen des Mondes vorhanden ist, von Interesse. Dieses könnte nicht nur als Wasser verwendet werden, sondern ebenso in Sauerstoff und Wasserstoff separiert werden, der als Treibstoff für Raketen dienen könnte. (1, 2)

Neben dem Eis an den Polen des Mondes ist der lunare Regolith für sämtliche Aktivitäten im Bereich ISRU interessant. Es handelt sich dabei um einen feinen staubartigen Rohstoff, zusammengesetzt aus verschiedenen Mineralien, der die gesamte Mondoberfläche bedeckt. In den Hochlandregionen beträgt die Dicke dieser Schicht 10 bis 15 m, in den Mare Regionen ist sie 4 bis 5 m dick. Der Regolith entsteht durch Meteoriteneinschläge, welche die Mondoberfläche zerstören. Gleichzeitig führen darauffolgende Einschläge zu einem Vermischen des Regoliths, sodass dieser heterogen in seiner Zusammensetzung ist. (3)

In seiner ursprünglichen Form könnte der Regolith zukünftig als Baumaterial oder zum Strahlenschutz verwendet werden. Darüber hinaus ist die Gewinnung von Metallen und Sauerstoff, der in gebundener Form im Regolith enthalten ist, Bestandteil der Forschung.

Um den Regolith nutzbar zu machen, folgt, wie auch in terres­trischen Prozessen, die Rohstoffgewinnung auf die vorherige Exploration. Nachfolgend sollen die Herausforderungen der Rohstoff­gewinnung auf dem Mond erläutert werden. Darauf aufbauend werden verschiedene Konzepte für die ISRU vorgestellt.

2  Rohstoffgewinnung auf dem Mond

In Bild 1 ist eine ISRU-Prozesskette schematisch dargestellt. Zu Beginn erfolgt die Exploration, auf welche die Gewinnung und mineralische Aufbereitung des Regoliths folgen, bevor dieser abhängig vom Verwendungszweck weiterverarbeitet wird. Auf die Weiterverarbeitung folgen die Nutzung sowie die abschließende Verwertung im Sinne eines verantwortlichen Umgangs mit den auf dem Mond vorhandenen Ressourcen.

Die Rohstoffgewinnung, wie auch andere ISRU-Prozesse, wird jedoch durch die Eigenschaften des Regoliths erschwert. Dieser ist einerseits fein und staubartig und damit hochgradig abrasiv. Darüber hinaus ist der Regolith elektrostatisch geladen und besitzt klebende Eigenschaften, was Herausforderungen, beispielsweise für den Einsatz von Kameras, mit sich bringt. (3, 4)

Weitere Herausforderungen ergeben sich durch die auf dem Mond vorherrschenden Bedingungen. Im terrestrischen Bergbau werden üblicherweise große und schwere Maschinen eingesetzt, um die für die Rohstoffgewinnung erforderlichen Grabkräfte aufzubringen. Auf dem Mond ist es, bedingt durch die verringerte Gravitationsbeschleunigung von 1,62 m/s^-2 im Vergleich zu einer Gravita­tionsbeschleunigung von 9,81  m/s^-2 auf der Erde, noch herausfordernder, die erforderlichen Grabkräfte aufzubringen. Darüber hinaus ist die Atmosphäre des Mondes so dünn, dass sie häufig als Vakuum bezeichnet wird, die Temperaturen sind geprägt von Extrema von - 153 °C während der Nacht und bis zu 107 °C während des lunaren Tags. Eine weitere Herausforderung stellt die Strahlung dar, die nicht nur eine Gefahr für den Menschen darstellt, sondern auch zu Beschädigungen an elektronischem Equipment führen kann. Weiterhin sind die Tag- und Nachtzyklen von 29,5 Erdtagen, insbesondere im Hinblick auf die Bereitstellung von Energie, zu berücksichtigen. (3, 5, 6)

Zusammenfassend ist die Umgebung charakterisiert durch Extrema. Folglich müssen alle Prozesse autonom oder zumindest teleremote stattfinden. Personen könnten diese Prozesse, falls erforderlich, aus einem Kontrollraum, der in ein Habitat integriert werden könnte, kontrollieren.

Darüber hinaus ist die Distanz von der Erde zum Mond groß und die Nutzlasten von Raketen sind begrenzt. Deshalb ist es nicht möglich und außerdem nicht sinnvoll, terrestrische Bergbaumaschinen zum Mond zu transportieren. Des Weiteren wäre es nicht sinnvoll, große und schwere Maschinen zu nutzen, da zu Beginn vermutlich nur kleine Mengen an Regolith gewonnen würden. Vielmehr sind für die Rohstoffgewinnung auf dem Mond kleine und leichte Maschinen erforderlich.

2.1  Bisherige Ansätze zur Gewinnung von Regolith auf dem Mond

Bisherige Konzepte zur Gewinnung von Regolith auf dem Mond fokussieren sich darauf, wie die Rohstoffgewinnung unter der geringeren Schwerkraft möglich ist und wie damit einhergehend die bei der Gewinnung aufzubringenden Grabkräfte reduziert werden können. Viele dieser Konzepte orientieren sich an terrestrischen Bergbaumaschinen. Ein Überblick dieser Entwicklungen ist beispielsweise in Mueller und van Susante (7) oder Just et al. (8) zu finden.

So verfolgt die NASA seit mehreren Jahren die Entwicklung und Optimierung des sogenannten RASSORs, dem Regolith Advanced Surface Systems Operations Robot. Dieser besteht aus zwei gegenläufigen Trommeln, die mit kleinen Schaufeln ausgestattet sind. Dadurch sollen die Grabkräfte neutralisiert werden. Nach ersten Untersuchungen erfolgte die Weiterentwicklung hin zu einer geringeren Masse des RASSORs bei gleichzeitig höherer Kapazität. Während die erste Entwicklung mit einem Kettenantrieb ausgestattet war, wurde dieser durch Räder ersetzt, da sie weniger fehleranfällig seien. Derzeit erfolgt die Weiterentwicklung vom Technologiereifegrad (TRL) 4 hin zu TRL 5. Sobald der TRL 6 erreicht wird, soll der RASSOR ein möglicher Kandidat für zukünftige Missionen auf anderen Himmelskörpern sein. (7, 9) Zu berücksichtigen ist jedoch, dass der RASSOR mit vielen beweglichen Teilen ausgestattet ist. Dies kann bedingt durch die her­ausfordernden Bedingungen, wie die abrasiven Eigenschaften des Regoliths, aus Sicht der Instandhaltung ein Nachteil sein.

Neben den Ansätzen, die sich an terrestrischen Bergbaumaschinen orientieren, existieren weitere, alternative Konzepte, wie z. B. die pneumatische Regolithgewinnung, deren Prinzip sich mit einem Staubsauger vergleichen lässt (10), oder die schlagende Gewinnung. Dabei handelt es sich um eine Schaufel, die mit einer Schlagfunktion ausgestattet ist, um die aufkommenden Grabkräfte zu reduzieren. (11)

Darüber hinaus veranstaltet die NASA regelmäßig Challenges, in denen Studierendenteams neue Konzepte für die Rohstoffgewinnung auf anderen Himmelskörpern entwickeln und testen können (8). Im Jahr 2020 nahm ein Team von Studierenden der RWTH Aachen University (RWTH), Aachen, welches vom Institute for Advanced Mining Technologies (AMT) betreut wurde, an einer Challenge zur Optimierung des RASSORs teil.

Alle beschriebenen Ansätze wurden bisher lediglich auf der Erde, nicht jedoch auf anderen Himmelskörpern getestet. Damit einher geht, dass bis heute keine optimale Methode für die Regolithgewinnung identifiziert werden konnte. Dies ist u. a. darauf zurückzuführen, dass die lunaren Umgebungsbedingungen nicht 1 zu 1 auf der Erde nachgebildet werden können. Folglich sind zukünftig weitere Untersuchungen erforderlich.

2.2  Selektive Regolithgewinnung

Für die Rohstoffgewinnung auf anderen Himmelskörpern wie dem Mond sind innovative Verfahren erforderlich, beispielsweise um Herausforderungen infolge der reduzierten Schwerkraft zu begegnen. Auch sind, bedingt durch die Umgebungsbedingungen, Maschinen mit geringer Anzahl an beweglichen Teilen wünschenswert. Darüber hinaus müssen diese aufgrund der vorherrschenden Umgebungsbedingungen robust sein und teleremote oder gar autonom arbeiten. Um die Kosten für den Transport der Maschinen oder Komponenten zu reduzieren, müssen Bergbaumaschinen des Weiteren im Vergleich zu terrestrischen Bergbaumaschinen klein sein und effizient arbeiten.

Diese Anforderungen lassen sich in Teilen mit den Anforderungen an den terrestrischen Bergbau vergleichen, wo ein steigender Rohstoffbedarf bei gleichzeitig sinkenden Wertstoffkonzentrationen und komplexeren Lagerstätten die Rohstoffgewinnung zunehmend herausfordernder macht. Damit einher geht auch das wachsende Bewusstsein für Sicherheit und den verantwortungsvollen Umgang mit unserem Planeten. Ein Ansatz, diesen Herausforderungen zu begegnen, ist die zunehmende Automatisierung von Bergbaumaschinen und -prozessen sowie die Entwicklung innovativer Methoden für die Rohstoffgewinnung. Daraus wird deutlich, dass die Ansätze, Herausforderungen in der Rohstoffgewinnung auf der Erde und auf anderen Himmelskörpern wie dem Mond zu begegnen, in einigen Aspekten ähnlich sein können. Entwicklungen im Bereich des Weltraumbergbaus können einerseits auf der bestehenden Erfahrung im Bereich des terrestrischen Bergbaus aufbauen. Gleichermaßen können zukünftige Entwicklungen im Bereich des Weltraumbergbaus dazu beitragen, Herausforderungen im Bereich des terrestrischen Bergbaus zu begegnen. (12)

Ein möglicher Ansatz, der Anforderung nach einem effizienten Gewinnungsprozess gerecht zu werden, ist der der selektiven Rohstoffgewinnung. In Bezug auf die Regolithgewinnung bedeutet dies, dass nur das Regolith bergmännisch gewonnen wird, welches bereits eine etwas höhere Konzentration des gesuchten Wertminerals enthält, während das Regolith, welches eine geringere Konzentration des Wertminerals enthält, nicht gewonnen wird.

Um die selektive Rohstoffgewinnung umzusetzen, müssen die Anforderungen der nachfolgenden Prozessschritte bekannt sein. Sind beispielsweise eine bestimmte mineralische Zusammensetzung oder eine definierte Partikelgröße erforderlich oder im Mindesten hilfreich, um die nachfolgenden Prozesse effizienter zu gestalten? Darüber hinaus muss für eine effiziente Regolithgewinnung bekannt sein, welche Mengen des Materials zu einem festgelegten Zeitpunkt und an einem festgelegten Ort bereitgestellt werden müssen. Neben den Anforderungen der nachfolgenden Prozessschritte müssen die lokalen Umgebungsbedingungen bekannt sein. Dies umfasst die Kenntnis darüber, an welcher Stelle der Regolith aufzufinden ist, dessen Eigenschaften denen der nachfolgenden Prozesse möglichst nahekommt.

Das Konzept der selektiven Rohstoffgewinnung unterscheidet sich damit von bisherigen Entwicklungen im Bereich des Weltraumbergbaus, da nicht mehr nur der Gewinnungsprozess selbst, sondern auch die damit verknüpften Prozesse betrachtet werden. Dafür müssen zukünftig geeignete Sensortechnologien für die Charakterisierung des Regoliths während des Gewinnungsprozesses in diesen integriert werden.

Die Umsetzung der selektiven Regolithgewinnung soll anhand von Bild 2 erläutert werden. Dieses zeigt schematisch eine Lagerstätte, die in gleich große Felder aufgeteilt wurde. Für jedes Feld könnte nun eine Materialcharakterisierung unter Einsatz geeigneter Sensortechniken durchgeführt werden. In der Abbildung symbolisieren die verschiedenen Grautöne unterschiedliche Wertmineralkonzentrationen. Im Anschluss an die Materialcharakterisierung könnte die Regolithgewinnung im Anschluss nur in den Bereichen erfolgen, in denen die Konzentration des Wertminerals leicht erhöht ist. Darüber hinaus ist es erforderlich, bergbauliche Rahmenbedingungen während der Rohstoffgewinnung zu berücksichtigen. Dies bedeutet, dass es erforderlich sein kann, dass der Regolith auch in den Bereichen abgebaut wird, in denen die Konzentration des Wertminerals nicht erhöht ist, um Bereiche mit erhöhtem Wert­mineralgehalt freizulegen. Auch wenn die exakten Dimensionen von verschiedenen Einflussfaktoren abhängen, wird deutlich, dass die zu gewinnenden Regolithmengen und damit die Dimensionen der eingesetzten Maschinentechnik durch die selektive Rohstoffgewinnung reduziert werden könnten.

Zwar kann in Bezug auf die Regolithgewinnung, keine Entscheidung für jedes Einzelkorn getroffen werden und so niemals das ideale Material für die mineralische Aufbereitung bereitgestellt werden, dennoch können schon geringfügig erhöhte Konzentrationen des Wertminerals zu einer Optimierung der Folgeprozesse beitragen.

3  Konzepte für die ISRU

Für den Aufbau einer hochgradig effizient arbeitenden Prozesskette ist bei allen Aktivitäten im Bereich ISRU ein ganzheitlicher Ansatz von großer Bedeutung. Nur wenn Experten aus verschiedenen Gebieten, sowohl aus dem terrestrischen Bereich als auch aus der Raumfahrt, zusammenarbeiten, können die Herausforderungen der ISRU bestmöglich gelöst werden.

3.1  Das Moon Factory Concept

Aus dem Aachen Space Forum (ASF), einem Netzwerk, welches Vertreter aus Industrie und Wissenschaft in und um die Stadt Aachen zusammenbringt, um sich über raumfahrtbezogene Themen auszutauschen, wurde durch das AMT, das Institut für Strukturmechanik und Leichtbau (SLA) sowie das Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH das Konzept der Moon Factory entwickelt, welches, wie in Bild 3 dargestellt, die gesamte Prozesskette zur Gewinnung und Nutzung von Regolith berücksichtigt. Nach der Erkundung soll zunächst die Gewinnung des Regoliths erfolgen. Auf die anschließende mineralische Aufbereitung folgt die Weiterverarbeitung, beispielsweise in Form der Sauerstoffgewinnung oder, wie dargestellt, in Form der Faserproduktion. Diese Fasern könnten dann für verschiedene Anwendungen, beispielsweise den Aufbau von Wohnraumstrukturen, verwendet werden. Langfristig soll durch die Moon Factory eine Fabrik auf dem Mond geschaffen werden, die dazu beiträgt, eine Siedlung auf diesem aufzubauen und dafür die vor Ort vorhandenen Rohstoffe möglichst vollständig und effizient nutzt. Dafür sollen, aufbauend auf der Konzeptentwicklung, zukünftig erste Untersuchungen durchgeführt werden, die insbesondere darauf abzielen, die Verknüpfung der einzelnen Teilprozesse zu untersuchen.

3.2  Vom lunaren Regolith zu Sauerstoff und strukturellen Materialien – ein integrativer Konzeptansatz

Der Ansatz der selektiven Rohstoffgewinnung wird auch in dem in Bild 4 dargestellten Konzept zur Gewinnung von Sauerstoff und Metallen aus Regolith berücksichtigt, das vom AMT, dem Lehr- und Forschungs­gebiet für die Aufbereitung mineralischer Rohstoffe (AMR) und dem IME Metallurgische Prozesstechnik und Metallrecycling der RWTH entwickelt wurde. Durch die selektive Rohstoffgewinnung soll ein bereits mit Ilmenit angereichertes Eingangsmaterial für die mineralische Aufbereitung bereitgestellt werden. Durch dieses soll anschließend ein Ilmenit-Konzentrat erzeugt werden, das wiederum das Eingangsmaterial für einen nachfolgenden metallurgischen Prozessschritt ist. Mittels der MOSARI-Technik sollen abschließend Sauerstoff sowie hochqualitative Metalle erzeugt werden. Das Konzept zeichnet sich durch eine Reduktion der Restströme durch eine effiziente und möglichst vollständige Nutzung des Regoliths aus. (12)

3.3  Neue Ideen für die Gewinnung von lunarem Regolith: der SILER

Die sichere und effiziente Rohstoffversorgung durch die Automatisierung und Digitalisierung von Bergbaumaschinen und -prozessen nimmt nicht nur in Forschung und Transfer, sondern ebenso in der Lehre des AMT eine wichtige Rolle ein. Das Ziel ist es, junge Ingenieurinnen und Ingenieure auszubilden und sie beim Erwerb der Kompetenzen zu unterstützen, die sie benötigen, um den Bergbau der Zukunft mitgestalten zu können. Diese jungen Ingenieurinnen und Ingenieure stehen im Fokus der Lehre des AMT. Ihnen soll ein strukturierter Rahmen gegeben werden, der es ermöglicht, dass sie sich bestmöglich qualifizieren und so für ihre zukünftigen Aufgaben befähigt werden. Durch das Angebot und die Betreuung von Studierenden-Challenges erhalten die Studierenden schon während des Studiums die Gelegenheit, selbstständig Herausforderungen in einem Team zu lösen und so aktiv den Bergbau der Zukunft mitzugestalten. Innerhalb eines strukturierten Rahmens können die Studierenden in Teams die im Studium erworbenen Kompetenzen an realen Fragestellungen, auch im Bereich ISRU, anwenden und ausbauen.

Im Rahmen der Veranstaltung Maschinentechnische Planung von Betriebspunkten, die im dritten Mastersemester des Studiengangs Rohstoffingenieurwesen verankert ist, wurde im Wintersemester 2020/2021 ein Gerät zur Gewinnung von Regolith entworfen. Der Scraper Inspired Lunar Excavation Rover (SILER), welcher in Bild 5 dargestellt ist, basiert auf einem einfachen, modularen und robusten Aufbau. Er zeichnet sich darüber hinaus durch wenige bewegliche Teile aus. Das entwickelte Konzept wurde auf der Poster Ausstellung der Space Ressources Week 2021 in Luxemburg vorgestellt. (13)

3.4  Neue Ansätze für den Transport von lunarem Regolith: das regONE-System

Im Jahr 2022 nahmen die Moon Aixperts, ein interdisziplinäres Team aus Studierenden der RWTH, welches u. a. vom AMT unterstützt wurde, an der Over the Dusty Moon Challenge der Colorado School of Mines (CSM) teil. Aufgabe war es, ein Konzept für den Transport von lunarem Regolith zu entwickeln. Im Rahmen des Finales stellten die Moon Aixperts im Juni 2022 den Prototypen ihres regONE-Systems, welches in Bild 6 dargestellt ist, vor und erhielten den Preis für das innovativste System. Es handelt sich um ein modulares System, welches für den Transport großer Volumenströme geeignet ist und aus einem Teilsystem für den horizontalen und einem für den vertikalen Transport besteht. (14)

4  Zusammenfassung und Ausblick

Um eine längerfristige Präsenz des Menschen auf anderen Himmelskörpern wie dem Mond zu ermöglichen, ist die Nutzung extraterrestrischer Rohstoffe, die sogenannte in situ resource utilisation (ISRU), von großer Bedeutung. Im Fokus der Forschung steht u. a. der lunare Regolith, ein staubartiger Rohstoff, der die gesamte Mondoberfläche bedeckt.

Der erste Schritt, um Rohstoffe nutzbar zu machen, ist, wie auch auf der Erde, ihre Gewinnung. Auf dem Mond wird die Rohstoffgewinnung jedoch durch verschiedene Faktoren, wie beispielsweise die geringere Schwerkraft oder die Eigenschaften des Regoliths, erschwert. Um den Herausforderungen zu begegnen, sind neue, innovative Ideen für die Rohstoffgewinnung erforderlich. Ein möglicher Ansatz ist die selektive Rohstoffgewinnung, sodass die erforderliche Menge eines möglichst hochqualitativen Rohstoffs zum richtigen Zeitpunkt am richtigen Ort für die nachfolgenden Prozessschritte bereitgestellt werden kann.

Es wird deutlich, dass bei allen Aktivitäten im Bereich ISRU ein ganzheitlicher Ansatz sowie die Zusammenarbeit in interdisziplinären Teams unumgänglich sind. Beispiele, die verschiedene Aktivitäten entlang einer Prozesskette zur ISRU einschließen und auf der Zusammenarbeit in interdisziplinären Teams beruhen, sind das Moon Factory Concept sowie ein Konzept zur Gewinnung von Sauerstoff und Metallen, welche beide an der RWTH entstanden sind und zukünftig weiterentwickelt werden.

Darüber hinaus zeigen auch studentische Aktivitäten wie die Entwicklung des SILERS oder das regONE-System Ansätze, um verschiedenen Herausforderungen im Bereich der ISRU zu ­begegnen.