Echte Fälschungen: Wissenschaftler stellen Mondgestein her

30. Dezember 2006: Das Leben ist hart für ein bescheidenes Staubkörnchen auf der Mondoberfläche. Es wird von kosmischer Strahlung bombardiert, ist Sonnenflares ausgesetzt und wird von Mikrometeoriten verprügelt -- zertrümmert, verdampft und unzählige Male erneut kondensiert in Milliarden von Jahren. Und die Erdlinge wollen es auch noch in Sauerstoff und andere Elemente aufspalten um eine "Vorort Rohstoff Ausnutzung," oder ISRU (von "in situ resource utilization") zu etablieren, den Prozess um im All zu leben, wenn die NASA in der nicht allzu fernen Zukunft zum Mond zurückkehrt.

Aber, wie Robert Heinlein bekannterweise beobachtete, "ist der Mond eine raue Gebieterin." Das Leben mit Mondstaub und seine Aufspaltung ist vielleicht schwieriger als man dachte.

Rechts: Ein Stückchen Mondstaub. Die seltsame Form erzählt eine Geschichte der Gewalt: Sie resultiert von der Verschmelzung von Fels, Mineralien und Glas, durch die Hitze eines Mikrometeoriteneinschlags. Image credit: David S. McKay, NASA/JSC.

Um herauszufinden wie schwierig, würden Forscher ihre Ideen für ISRU und ihre Konstruktion von Mondfahrzeugen gerne mit richtigem Mondboden testen, bevor Astronauten auf den Mond zurückkehren. Aber es gibt ein Problem:

"Wir haben nicht genug echten Mondstaub dafür," sagt Larry Taylor, Direktor des Planetary Geosciences Institute an der University of Tennessee in Knoxville. Um alle Tests durchzuführen, "müssen wir eine gute Kopie des Mondbodens herstellen." Und ein paar Säcke reichen dafür nicht aus. "Wir brauchen Tonnen davon, hauptsächlich um an Technologien für Bagger, Reifen und Maschinen für die Oberfläche zu arbeiten," fügt David S. McKay hinzu, Leitender Wissenschaftler für Astrobiologie am Johnson Space Center (JSC).

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Taylor und McKay sind leitende Mitglieder einer kleine Gruppe von selbst ernannten "Mondfanatikern," deren Karrieren auf Mondboden und Mondgestein konzentriert sind. Sie befinden sich in einer Gruppe von mehreren Beratern für NASA's Marshall Space Flight Center (MSFC), welche das Lunar Regolith Simulant Development Program leitet.

Carole McLemore ist die Leiterin des Programms am Marshall. Damals in den 1990ern, erklärt sie, benutzten Forscher einen Mondbodenersatz genannt JSC-1, der am JSC entwickelt wurde. Aber "es gibt kein JSC-1 mehr." Also, um anzufangen, arbeiten Forscher am Marshall mit der Astromaterials Research and Exploration Science Abteilung zusammen, um eine Kopie von JSC-1 herzustellen: JSC-1A. Es wird in drei Arten hergestelt, basierend auf der Größe der Körner (fein, mittel und grob). MSFC hat auch begonnen anspruchsvollere Kopien herzustellen, welche verschiedene Gebiete auf dem Mond repräsentieren.

Bis die Apollo Astronauten Proben des Mondbodens während der Zeit von 1969-1972 zur Erde brachten, glaubte man, dass die luftlose, trockene Umgebung des Mondes den Boden im Großen und Ganzen ungestört gelassen hat. Die Realität ist viel rauer.

Mikrometeoriten, viele kleiner als die Spitze eines Bleistifts, regnen ständig mit Geschwindigkeiten von bis zu 100.000 km/h auf die Oberfläche und splittern Material ab oder bilden mikroskopisch kleine Einschlagskrater. Einige schmelzen den Boden, verdampfen und kondensieren als glasiger Belag auf anderen Staubkörnchen. Einschläge verschmelzen Staub zu "Verklumpungen." Komplizierte Wechselspiele mit dem Sonnenwind konvertieren Eisen im Boden zu Myriaden von "Nanophasen" metallischen Eisenkörnchen, die nur ein paar Nanometer breit sind.

Oben: Die Mondoberfläche ist dem Sonnenwind ausgesetzt und ständig schlagen Mikrometeoriten darauf ein. Credit: Larry Taylor, Univ. of Tennessee. [Mehr]

Dieser Vorgang formt den "Regolith" -- Griechisch für Decke aus Stein (litho + Rhegos) -- der die Mondoberfläche bedeckt. Was Astronauten und Raumschiffe begrüßt, ist ein komplexes Material, dass sich aus "scharfen, aggressiven, verzahnten Glasscherben und Bruchstücken" zusammensetzt," sagt Taylor. Es schleift Maschinen und Versieglungen ab und schädigt die menschliche Lunge.

"Einiges von dem Zeug, dass in das Apollo Raumschiff gelang, war sehr fein gemahlen," sagt McKay. Staub war überall und unmöglich abzuwaschen. Alle Apollo Astronauten hatten Lungenprobleme durch den Staub, einige mehr als andere, wie Harrison H. (Jack) Schmitt's "Mond-Heuschnupfen."

Die Apollo Proben sind Amerika´s Krohnjuwelen und werden sehr sparsam, in ultra-kleinen Proben an Wissenschaftler ausgegeben, die nachweisen können, dass nichts anderes für ihre wichtigen Experimente in Frage kommt. Das erneute Interesse an der Erforschung des Mondes in den späten 1980ern bedeutete, dass künstliche Mondproben benötigt wurden um Gebäudekonstruktionen für den Mond zu testen, oder Sauerstoff und andere Materialien zu extrahieren.

Dies führte zur Entwicklung von JSC-1 im Jahr 1993, das aus basaltischen, vulkanischen Aschelagern aus einer Mine nahe Flagstaff, AZ stammt. Die Fertigung von 25 Tonnen -- verteilt in 50 Pfund Packeten -- wurde sehr beliebt.

"Wir sind völlig ausverkauft, was sich aber bald ändern wird," sagt McKay. MSFC hat einen Small Business Innovative Research (SBIR) Vertrag mit Orbitec of Madison, WI, um etwa 16 metrische Tonnen der drei Typen von JSC-1 herzustellen: 1 Tonne des feinen Typs (geliefert); 14 Tonnen der mittleren Körnergröße (wird gerade geliefert); und 1 Tonne der groben Körner (wird bald geliefert). Der U.S. Geological Survey in Denver und die University of Colorado in Boulder -- Schlüsselpartner -- prüfen die chemischen, mineralogischen und geotechnischen Eigenschaften.

Rechts: Dieses Foto von Boden aus einem der Mondmeere gibt Hinweise auf die Vielfalt in echtem Mondstaub und der Schwierigkeit diese zu reproduzieren. [Größeres Bild]

MSFC entwickelt die drei neuen Typen. Zwei repräsentieren die Meere sowie die polaren Hochgebiete. Eine dritte Art repräsentiert die glasigen, scharfen, rauen Kanten des Regoliths um Maschinen und den Effekt auf den Menschen zu testen. Um allerdings jede Region des Mondes abzubilden, bräuchte man eine große Anzahl von kleinen, einzigartigen und teuren Produktionen.

"Anstelle dessen entwickeln wir Grundmaterialien und stellen aus diesen den spezifischen Mondstaubersatz her, geben aber den Forschern auch die Möglichkeit die Produkte zu verbessern," fügt McLemore hinzu. "Ich vergleiche diesen Vorgang mit dem Backen eines Kuchens: abhängig von der Art des gewünschten Kuchens, braucht man bestimmte Zutaten um das richtige Aussehen und Geschmack zu bekommen. Das Rezept richtig hinzubekommen ist sowohl für Kuchen als auch für Mondstaubersatz kritisch."

Der Ersatz für die Mondmeere wird zum Beispiel mit Ilmenit, einem kristallinen Titan-Eisen, angereichert. Materialien die man für die drei Typen Mondstaubersatz benötigt, werden von so verschiedenen Orten stammen wie Montana, Arizona, Virginia, Florida, Hawaii, und sogar einigen internationalen Gegenden. 

Die ersten Produktionen werden nur einige Zehntel Pfund wiegen um sicherzustellen, dass der Mondstaubersatz korrekt hergestellt wurde. "Wir werden dann größere Mengen herstellen, wenn wir sicherstellen können, dass es bei den einzelnen Produktionen nur geringe Unterschiede gibt," sagt McLemore.

Wenn die NASA dann erst einmal versteht wie die verschiedenen Mondstäube hergestellt werden, soll die Arbeit an andere Gesellschaften ausgelagert werden, damit größere Einheiten produziert werden können. "Wir haben Zertifizierungsverfahren für Lieferanten, so dass die Wissenschaftler sicher sein können, dass die Produkte die NASA Standards erfüllen," sagt McLemore.

Und dies wird die beste Art und Weise sein, dass es eine "echte Fälschung" ist.

Investigators and other potential users should contact Carole A. McLemore NASA/MSFC -- VP33, Huntsville, AL 35812 (256-544-2314 or carole.a.mclemore@nasa.gov)

Author: Dave Dooling | Editor: Dr. Tony Phillips | Credit: Science@NASA