Eine goldene Ressource für die Raumfahrt? Das Baumaterial der geplanten Stationen auf der Mondoberfläche könnte eine Zutat enthalten, die von den Kolonisten selbst fortlaufend produziert wird – Urin. Forscher konnten zeigen, dass sich der in ihm enthaltene Harnstoff als Weichmacher bei der Herstellung von Beton aus Mondmaterial eignet. Das Gemisch kann dadurch der Herstellung von Bauelementen unter Verwendung von 3D-Druckern dienen, erklären die Wissenschaftler.

Der Schritt zum Mond ist bereits vor über 50 Jahren geglückt – jetzt soll der Mensch dort auch bald dauerhaft Fuß fassen: Die NASA, die Europäische Weltraumorganisation (ESA) und ihr chinesisches Pendant planen den Bau von Mondbasen in den kommenden Jahrzehnten. Später stehen dann auch fernere Ziele im Visier der Raumfahrt: Eines Tages könnte der Mensch den Mars besiedeln, so die Zukunftsvision.

Bei der Umsetzung der Pläne sind allerdings gewaltige Herausforderungen zu meistern: Siedlungen auf dem Mond müssen die extremen Temperaturschwankungen, Meteoritenbeschuss und die intensive Strahlung aushalten können. Es ist also sehr widerstandsfähiges Baumaterial gefragt. Von der Erde sollte davon aber so wenig wie möglich kommen. Denn der Transport von etwa 0,45 Kilogramm Fracht in den Weltraum kostet mit existierender Raketentechnik etwa 10.000 Dollar. Der Bau einer Mondbasis mit irdischem Material wäre damit extrem kostspielig und auch logistisch schwer umzusetzen.

Aus diesem Grund wollen die Raumfahrtbehörden die Ressourcen des Mondes best-möglichst nutzen und auch die Substanzen, die im Rahmen der bemannten Missionen dort zwangsläufig anfallen. In der Raumfahrt wurde in diesem Zusammenhang schon mehrfach das Potenzial des Astronauten-Urins erfolgreich genutzt. Die Substanz kann unter anderem zur Gewinnung von Trinkwasser genutzt werden oder etwa zur Düngung von Weltraum-Gemüse. Ein internationales Forscherteam präsentiert nun eine weitere Nutzungsmöglichkeit für diese goldene Ressource der Raumfahrt.

Im Rahmen ihrer Studie haben die Wissenschaftler ausgelotet, inwieweit sich der im Urin enthaltene Harnstoff als Weichmacher bei der Herstellung von Beton auf dem Mond eignet. Wie sie erklären, könnte der Geopolymer-Baustoff aus dem losen Material der Mondoberfläche – dem sogenannten Regolith – und dem Wasser hergestellt werden, das aus den bekannten Eisvorkommen des Himmelskörpers stammt. Um dem Mond-Beton vor dem Aushärten bestimmte Formen zu geben, könnten spezielle 3D-Drucker zum Einsatz kommen, berichten die Wissenschaftler.

Dazu muss die Ausgangsmischung allerdings geschmeidig sein – deshalb ist ein Weichmacher nötig. Aus diesem Grund rückte der Urin ins Visier. „Die beiden Hauptbestandteile dieser Körperflüssigkeit sind Wasser und Harnstoff. Dabei handelt es sich um ein Molekül, das Wasserstoffbrückenbindungen brechen kann und somit die Zähigkeit vieler wässriger Mischungen reduziert“, erklärt Co-Autor Ramón Pamies von der Polytechnischen Universität Cartagena.

Ob Harnstoff diese Funktion bei der Herstellung von Mond-Beton erfüllen kann, testeten die Forscher unter Verwendung eines von der ESA entwickelten Materials, das dem Mondregolith ähnelt. Als Zusatzstoffe kamen neben Harnstoff verschiedene Weichmacher zum Einsatz, die bereits technisch für die Herstellung von Geopolymeren genutzt werden. Als Kontrolle wurde Material ohne den Zusatz eines Weichmachers eingesetzt. Aus allen Testmaterialien stellten die Forscher unter Einsatz eines speziellen 3D-Druckers Zylinder her, die sie anschließend untersuchten.

Wie sie berichten, zeigte die Zumischung von etwa drei Prozent Harnstoff eine ähnlich günstige Wirkung auf das Betonmaterial wie der Einsatz der anderen Weichmacher. Ohne die Zusätze konnte der Drucker hingegen keine gut strukturierten Zylinder hervorbringen, zeigten die Tests. Nach der Aushärtung erwiesen sich die Kontroll-Gebilde auch als wenig belastbar. Die Harnstoff-Beton-Zylinder wurde hingegen ähnlich stabil wie die anderen Vergleichsobjekte. Auch gegenüber wiederholten Frost-Tau-Zyklen, wie sie auf dem Mond zu erwarten sind, zeigte sich das Material widerstandsfähig. „Insgesamt weist Harnstoff vielversprechende Eigenschaften als Weichmacher für den 3D-Druck von lunaren Geopolymeren auf“, schreiben die Wissenschaftler.

Die Forscher wollen nun das Potenzial der Substanz weiter ausloten. „Vielleicht ist es sogar nicht einmal nötig, den Harnstoff aus dem Urin zu extrahieren. Denn vielleicht könnte sein anderer Hauptbestandteil auch gleich für die Herstellung des Geopolymer-Betons verwendet werden“, sagt Co-Autorin Anna-Lena Kjøniksen vom norwegischen Østfold University College in Halden. „Die Urin-Flüssigkeit könnte für die Mischung verwendet werden, zusammen mit dem Wasser, das auf dem Mond gewonnen werden kann“.

Darüber hinaus wollen die Wissenschaftler nun testen, welche Auswirkungen Vakuum-Bedingungen auf den 3D-Druck von Urin-Mond-Beton haben und wie leistungsfähig das Material ist: So wollen sie etwa untersuchen, inwieweit es Meteoriteneinschlägen widerstehen oder die Kolonisten vor der Strahlung im All schützt kann.

Quelle: FECYT – Spanish Foundation for Science and Technology, Fachartikel: Journal of Cleaner Production, doi: 10.1016/j.jclepro.2019.119177

© wissenschaft.de - Martin Vieweg

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