Ein bisschen Staub? Im Alltag vielleicht keine große Sache, aber in der Raumfahrt ist Staub mehr als nur ein kosmetisches Problem. Und Staub gibt es nicht nur auf der Erde, sondern auch auf allen anderen Gesteinsplaneten und deren Monden. Insbesondere der Mond unserer Erde ist über und über mit Staub bedeckt. Und anders als auf der Erde ist dieser Staub nicht durch Wind und Wetter glattgeschliffen, sondern scharfkantig und zusätzlich elektrostatisch aufgeladen. Diese Erfahrung mussten auch die Apollo-Astronauten machen, die nach dem Aufenthalt auf der Oberfläche nicht nur mit defekten Reißverschlüssen an ihren Raumanzügen, sondern auch mit gereizten Atemwege zu kämpfen hatten. Teilweise hielten die Beschwerden dabei bis weit über das Ende der Mission hinaus an. Wie Astronauten und Equipment vor schädlichen Partikeln geschützt werden können und welche Möglichkeiten es gibt, den Mondstaub sinnvoll zu nutzen, erklärt Dr. Axel Müller, Lead Expert Cleanliness und Contamination Control bei der OHB System AG, im Interview.
Herr Dr. Müller, warum ist Mondstaub ein derart großes Problem?
Axel Müller: Zunächst einmal muss man sich klarmachen, mit was für einer Menge an Staub man es auf dem Mond zu tun hat. Wir reden hier nicht von einzelnen Partikeln, sondern von einer bis zu fünfzehn Meter dicken Schicht. Zudem hat der Mondstaub einige besonders unangenehme Eigenschaften. Es wird immer von Staub gesprochen, aber das Bild ist eigentlich nicht ganz richtig. Mondregolith ist pulverisiertes Mondgestein und ähnelt in vielerlei Hinsicht eher Sand. Da der Mond keine Atmosphäre hat, sind die einzelnen Partikel aber nicht abgerundet, sondern scharfkantig. Durch die kurzzeitige Wärmeeinwirkung bei Asteroideneinschlägen ist der Regolith zusätzlich von Glassplittern durchsetzt. An der Oberfläche ist der Sand sehr fein, aber in tieferen Schichten treten auch größere Steine und Felsen auf. Durch die geringe Schwerkraft auf dem Mond sinken aufgewirbelte Partikel nur sehr langsam wieder zurück auf die Oberfläche und die Sonnenstrahlung lädt die Partikel zusätzlich elektrostatisch auf, was dazu führt, dass diese besonders fest an Oberflächen anhaften.
Was bedeutet das für Explorationsmissionen zum Mond?
Das bedeutet, dass unsere Standardmethoden, Kontaminationen auf technischen Komponenten zu vermeiden, nicht anwendbar sind. Nicht umsonst hat die NASA in einer Studie von 2005 den Staub als größte Herausforderung für zukünftige Mondmissionen eingestuft. Der Staub kann in Dichtungen und mechanische Bauteile gelangen und durch Beeinflussung der Reibungseigenschaften ihre Lebensdauer drastisch verkürzen. Zudem kann er Optiken verschmutzen und sich auf Solarzellen und thermischen Radiatoren legen, wodurch diese weniger Energie erzeugen oder weniger Wärme abgeben. Ein gutes Beispiel dafür ist der Mars-Rover Opportunity der NASA, der nach 15 Jahren Missionsdauer letztendlich einem Staubsturm zum Opfer fiel.
Ist Mondstaub auch gefährlich für Menschen?
Ja, und zwar in zweierlei Hinsicht: Einerseits kann der Staub durch seine Scharfkantigkeit die Dichtungen von Raumanzügen und Luftschleusen beschädigen. Bei den Apollo-Missionen waren zum Beispiel die Reißverschlüsse der Astronauten bereits nach kürzester Zeit nicht mehr funktionsfähig. Hinzu kommt, dass der Staub durch die elektrostatische Aufladung an allen Oberflächen haftet und es somit kaum zu vermeiden ist, dass er auch in Innenräume gelangt. Dort bewirkt die geringere Gravitation, dass Staubpartikel deutlich länger in der Luft suspendiert bleiben. Zusätzlich funktioniert der Schutzreflex des Auges in der Mondumgebung nicht so wie auf der Erde. Und dass es nicht gerade förderlich für die Gesundheit ist, den Staub einzuatmen oder in die Augen zu bekommen, haben die Apollo-Astronauten am eigenen Leib erfahren. Nach der Rückkehr von der Mondoberfläche litten sie ausnahmslos an gereizten Atemwegen und Augen, einer Art „lunarem Heuschnupfen“, wie sie es genannt haben.
Welche Möglichen gibt es, sich der Herausforderung durch den Staub zu stellen?
Um das herauszufinden, hat die ESA gerade eine Studie in Auftrag gegeben. Diese trägt den Namen DEAR – Dusty Environment Application Research. Es handelt sich dabei um ein Projekt mit akademischen und industriellen Partnern aus Deutschland, Österreich, Irland, Norwegen, Rumänien Frankreich und Belgien. Ziel der Studie ist es, Wege zu finden, um Staubablagerungen auf optischen Oberflächen, Mechanismen und Dichtungen zu entfernen oder gleich ganz zu vermeiden. Dazu werden neben mechanischen Verfahren unter anderem die Anwendungsmöglichkeiten von elektrischen Feldern untersucht. Darüber hinaus werden Reinigungsverfahren für Schleusensysteme untersucht. Ein anderer Ansatz ist es, Systeme von Anfang an so robust auszulegen, dass Staub keine Rolle spielt.
Welche Rolle hat OHB bei der Studie?
OHB ist als Initiator des Projektes beratend tätig und übernimmt in dem Konsortium den Raumfahrt-Lead sowie den Bereich Qualitätskontrolle und Cleanliness. Dabei liegt der Schwerpunkt auf dem Verständnis der bestehenden Herausforderungen, der fundierten Formulierung von Anforderungen und deren Überprüfung. Ebenso verbinden wir die Tätigkeiten mit laufenden oder geplanten Ausschreibungen innerhalb der OHB Gruppe. Wir arbeiten an Prüf- und Reinigungsverfahren für Equipment auf Erde und Mond und testen diese mit im Konsortium hergestellten Regolith-Simulanten.
Woher stammt die für diese Rolle relevante Expertise?
Die Bewertung von und der Umgang mit möglichen Kontaminationen durch Partikel gehören zu den Kernaufgaben der Abteilung Cleanliness bei OHB. Diesbezügliche Risikoanalysen, Anforderungsdefinitionen, Messungen und Ergebnisbewertungen erstellen wir quasi täglich und leiten natürlich auch entsprechende Konsequenzen daraus ab. Wobei man sagen muss, dass wir uns im Tagesgeschäft in erster Linie mit den Bedingungen in Reinräumen beschäftigen. Dort herrschen im Vergleich zur Mondoberfläche natürlich nahezu paradiesische Zustände. Wir gehen aber davon aus, dass der Umgang mit staubigen Umgebungen in zukünftigen Angeboten eine entscheidende Rolle spielen wird. Insbesondere auch für zukünftige Oberflächenmissionen zu Mond und Mars. Durch unsere verschiedenen Netzwerkpartner können wir unsere Expertise in verschiedenen Bereichen einbringen. Beispiele dafür sind die Simulation von Regolith-Eigenschaften, die Entwicklung von Raumanzügen oder auch die Weltraummedizin. Die langjährigen Kontakte zu Geologen und Vulkanologen und deren Erfahrungen mit pyroklastischen Gesteinen helfen uns hierbei enorm weiter.
Gibt es auch Möglichkeiten, den Mondstaub sinnvoll zu nutzen?
Da der Mondstaub in nahezu unbegrenzten Mengen zur Verfügung steht, ist diese Idee definitiv naheliegend. Es gibt vielversprechende Ansätze, Sauerstoff und Rohmetall aus Regolith zu gewinnen und auch die Verwendung von Mondstaub als Speichermedium und Baumaterial wird intensiv untersucht. Wir sind auch an einer Studie beteiligt, die in diese Richtung zielt: LARS – Lunar Regolith Application Study. In der Studie geht es darum, die Eigenschaften von Regolith zu verstehen und sicherzustellen, dass auf der Erde entwickelte Verarbeitungsprozesse richtig bewertet, verglichen und abgenommen werden. Dabei geht es beispielsweise um die einzelnen Phasen beim 3D-Druck von Regolith.
Wie ist OHB an dieser Studie beteiligt?
Wir unterstützen bei der Entwicklung von realistischen Anforderungsprofilen für den 3D-Druckprozess und haben es uns zum Ziel gesetzt, Messmethoden zu etablieren, um diese Anforderungen genau zu definieren und zu verifizieren. Das ist ein notwendiger Schritt, um die Flugfreigabe für Hardware zu erreichen. Insgesamt betrachten wir beim Thema Mondstaub beide Seiten der Medaille: Im Projekt DEAR sehen wir den Mondstaub als Herausforderung, bei LARS stellt er hingegen eine wertvolle Ressource dar, die es bestmöglich zu nutzen gilt.
Dr. Axel Müller ist Diplom-Physiker und hält einen Doktortitel der TU München. Nach seiner Promotion arbeitete er drei Jahre als Postdoc an der Stanford University in Kalifornien in den USA und stieg anschließend als erster Cleanliness Engineer bei Kayser-Threde in München (seit 2014 Teil der OHB System AG) ein. In den folgenden Jahren etablierte er die Abteilung Cleanliness innerhalb des OHB-Konzerns als Teil der Qualitätssicherung und ist heute Lead Expert Cleanliness und Contamination Control.
