Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/helium-3-kommt-der-energietraeger-der-zukunft-vom-mond-1508-115864.html    Veröffentlicht: 21.08.2015 12:00    Kurz-URL: https://glm.io/115864

Helium-3

Kommt der Energieträger der Zukunft vom Mond?

Ein Helium-Isotop vom Mond soll die Energieversorgung auf der Erde sicherstellen. Chinas nächste Mondmission soll gezielt nach Helium-3 im Mondboden suchen. Aber ist ein solches Vorhaben überhaupt realistisch?

Brennstoff vom Mond für Kraftwerke auf der Erde: Helium-3 gilt als möglicher Treibstoff für Fusionsreaktoren der Zukunft. Roboter sollen das Helium-Isotop auf unserem Trabanten schürfen. Dann soll es zur Erde transportiert und verwendet werden. Das klingt nach Science-Fiction, nach dem britischen Film Moon etwa oder Frank Schätzings Roman Limit, beide aus dem Jahr 2009.

Anfang dieses Jahres hat China eine Raumsonde in die Mondumlaufbahn einschwenken lassen, die eine weitere Mondmission vorbereiten soll. Eines der Ziele des chinesischen Mondprogramms ist die Suche nach Bodenschätzen. Darunter: Helium-3.

China will Proben vom Mond holen

Die Sonde fliegt in etwa 200 Kilometern Höhe über die Mondoberfläche, nimmt Bilder auf und sammelt Daten. Diese werden zur Vorbereitung einer zukünftigen Mondmission benötigt: 2017 will die nationale chinesische Raumfahrtbehörde einen Rover auf den Mond schießen. Ziel der Mission Chang'e-5 wird das Mare Imbrium oder Regenmeer. Dort soll es große Vorkommen von Helium-3 geben. Der Rover - der zweite, den China zum Mond schickt - soll landen und Proben sammeln. Diese sollen dann zur Erde zurückgebracht werden.

Wenn die Proben schon auf der Erde seien, dann biete es sich an, sie auch darauf zu untersuchen und dann zu überlegen, was sich mit dem Helium-Isotop anfangen lasse, sagte Ulrich Köhler vom Berliner Institut für Planetenforschung am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) im Gespräch mit Golem.de.

Der Sonnenwind bringt Helium-3

Das Helium-3 besteht aus zwei Protonen und einem Neutron, und es ist ein guter Energieträger: Eine Tonne soll ausreichen, um eine Stadt mit sieben Millionen Einwohnern ein Jahr lang mit Strom zu versorgen. Auf der Erde kommt das dreiwertige Helium allerdings - anders als das vierwertige - kaum vor. Es ist Bestandteil des Sonnenwindes, der die Erdoberfläche nicht erreicht - dafür sorgt das Erdmagnetfeld. Der Mond hat jedoch kein Magnetfeld, das den Sonnenwind abhält. Deshalb hat sich dort das Helium-3 angelagert.

Zwar hatte das Helium-3 dafür einige Milliarden Jahre Zeit. Dennoch ist die Konzentration sehr gering, das Helium-3 "einfach mit der Schaufel" auszubuddeln und wegzukarren, sei nicht möglich, sagte Köhler. Der Mondboden muss auf etwa 700 Grad aufgeheizt werden, um das Gas aus dem Regolith zu bekommen. Den Abbau und das anschließende Konzentrieren könnten Roboter übernehmen.

Ein Roboter gräbt den Mond um

Gerald Kulcinski von der Universität des US-Bundesstaates Wisconsin in Madison, ein wichtiger Befürwortwer des Helium-3-Abbaus auf dem Mond, hat vor einigen Jahren das Konzept für einen solchen Rover vorgestellt: Ein Parabolspiegel auf dem Dach soll das Sonnenlicht einfangen und konzentrieren. Groß wäre die Ausbeute nicht, denn die Konzentration ist äußerst gering. Um eine Tonne Helium-3 zu gewinnen, müssten 50 bis 100 Millionen Tonnen Regolith umgegraben werden. Um den Strombedarf der USA ein Jahr lang zu decken, würden 40 Tonnen des Helium-Isotops benötigt.

Das ist eine Menge Mondboden, der durchsucht werden muss. Das sieht auch Köhler so: "Nach gegenwärtigem Stand der Wissenschaft und der Technik ist das noch in sehr weiter Ferne, um nicht zu sagen, im Moment ist es nicht sehr realistisch, daran zu denken."

Das heißt aber nicht, dass es grundsätzlich unmöglich ist. Wozu wird das Helium-3 benötigt?

Was tun mit dem Helium-3?

Das Isotop Helium-3 soll als Brennstoff für die Kernfusion eingesetzt werden. Es könnte entweder mit dem Wasserstoffisotop Deuterium oder Helium-3 zu Helium-4 fusioniert werden. Dabei werden ein oder zwei Protonen freigesetzt. Endprodukt ist jeweils Helium-4. Vorteil der Helium-3-Fusion wäre, dass praktisch keine radioaktive Strahlung entsteht.

Es gibt allerdings noch nicht einmal Reaktoren, in denen das Helium-3 verbrannt werden könnte. Zwar melden die verschiedenen Initiativen, die an der Kernfusion arbeiten, Erfolge. Unterm Strich lautet die Bilanz aber: Noch keiner der Versuchsreaktoren hat bisher eine positive Energiebilanz. Noch keiner hat also mehr Energie abgegeben, als aufgewendet werden musste, um die Fusion zu initiieren.

Hoher Druck und hohe Temperatur für die Fusion

Denn um die Abstoßung von zwei positiv geladenen Atomkernen zu überwinden und sie zu verschmelzen, bedarf es sehr hohen Drucks und Temperaturen. In der Sonne etwa herrscht ein Druck von 200 Milliarden Bar und eine Temperatur von 15 Millionen Grad Celsius. Auf der Erde lässt sich ein so immenser Druck nicht erzeugen, weshalb die Temperatur deutlich höher sein muss. Im europäischen Fusionsreaktor Iter etwa soll es 150 Millionen Grad heiß sein.

Das geht natürlich nur unter immensem Energieaufwand. Da die Abstoßung der Helium-3-Kerne größer ist, müsste die Temperatur noch höher liegen - was mit heutiger Technik kaum möglich ist. Anfangs müsste das Helium-3 also mit Deuterium fusioniert werden. Erst die folgende, also die dritte Generation der Fusionsreaktoren soll allein mit Helium-3 betrieben werden.

Helium-3 taugt zum Bombenbau

Allerdings könnte das Interesse an dem Helium-3 auch einen anderen Grund haben: Es eignet sich nämlich für den Bau von Bomben. Die Sprengkraft wäre gewaltig. Eine Tonne des Helium-Isotops würde eine Energie von 315 Petajoule freisetzen, was einer Sprengkraft von rund 75 Megatonnen TNT-Äquivalent entspricht. Die stärkste Atombombe, die bisher gezündet wurde, war die AN602 oder Zar-Bombe, die die Sowjetunion 1961 auf der Insel Nowaja Semlja testete. Sie hatte eine Sprengkraft von 57 Megatonnen TNT-Äquivalent.

Da erscheint eine dritte Anwendung für das Helium-Isotop doch deutlich wünschenswerter: die Raumfahrt. Ein Fusionstriebwerk mit Helium-3 und Deuterium könnte Raumschiffe deutlich schneller antreiben als heutige Raketenmotoren. Damit soll ein Flug zum Mars nur etwa drei Monate dauern. Mit heutiger Technik dauert eine Reise von der Erde zum Mars und wieder zurück nach Schätzungen der US-Raumfahrtbehörde National Aeronautics and Space Administration (Nasa) vier Jahre.

Apropos Raumfahrt: Wie soll das Helium-3 zur Erde kommen?

Der Fahrstuhl zur Erde

Das ist erst einmal nicht so problematisch: Die Anziehungskraft des Mondes beträgt nur etwa ein Siebtel der Erdanziehungskraft. Eine Rakete, die von dort startet, benötigt bei gleicher Nutzlast also auch nur ein Siebtel der Schubkraft. Oder sie kann bei gleicher Schubkraft sieben Mal so viel Nutzlast transportieren.

Ein Raumschiff, das vom Mond zur Erde fliegen soll, muss allerdings zuvor von der Erde zum Mond gelangt sein. Flüge ins All von der Erde jedoch sind teuer. Ein Pendelverkehr - und der würde benötigt, wenn die Kraftwerke auf der Erde mit Mond-Helium-3 betrieben werden sollen - erscheint also nicht realistisch.

Fahrstuhl fährt ins All

Schätzing lässt in seinem Roman Limit einen Weltraumfahrstuhl das Helium-3 zur Erde bringen. Das ist ein 100.000 Kilometer langes Seil, dessen eines Ende auf der Erde befestigt wird und an dessen anderem Ende ein Gegengewicht angebracht ist, das aufgrund der Fliehkraft das Seil straff hält.

An dem Seil fährt eine Gondel auf und ab. Ihr Endpunkt befindet sich in 36.000 Kilometern Höhe. Das ist im geostationären Orbit (Geo): Ein Himmelskörper, der die Erde auf einer solchen Bahn umkreist, steht scheinbar über einem bestimmten Punkt still. Kommunikationssatelliten werden deshalb meist in den Geo geschossen, etwa die für die Fernsehübertragung. Auch die obere Station eines Weltraumaufzugs wäre dort gut aufgehoben.

Raumtransporter pendeln zum Mond

Raumtransporter würden das Helium-3 dorthin bringen. Von den Gondeln würde es dann auf den Erdboden gebracht. Der Abstieg würde etwa eine Woche dauern. Im Gegenzug könnten die Raumfähren beispielsweise Versorgungsgüter zum Mond bringen.

Das klingt auch erst einmal nach Science-Fiction. Grundsätzlich sei aber ein solcher Aufzug möglich, sagte Volker Schmid, Leiter Fachgruppe Internationale Raumstation beim DLR, vor einiger Zeit im Gespräch mit Golem.de. Allerdings fehle es derzeit an der Technik, um ein derart langes Seil zu bauen. Außerdem müsste ein solches Projekt auch erst einmal finanziert werden.

Ist also der Abbau von Ressourcen auf dem Mond doch nur etwas für die Fantasie von Science-Fiction-Autoren?

Relaisstation im Weltall

Nicht ganz, meint Köhler. Zwar gibt es dort Silizium, Eisen, Magnesium, Titan oder Elemente der Seltenen Erden. An die denkt der DLR-Forscher aber nicht. Die meisten dieser Rohstoffe vom Mond gebe es auch auf der Erde. Angesichts des logistischen Aufwands sei ein lunarer Abbau nicht praktikabel.

Andere Rohstoffe scheinen ihm attraktiver: Wasser, das in gefrorenem Zustand in den Kratern am Nord- und Südpol vorkommt, oder Gesteine mit Sauerstoffanteilen. Daraus könnte Wasserstoff und Sauerstoff gewonnen werden: Treibstoff für Raketentriebwerke. Damit könnte dann ein Raumfahrzeug betankt werden, um eine Reise zum Mars anzutreten.

Raketen fliegen von einer Relaisstation zum Mars

Die Idee sei, Raketen zu einem anderen Planeten nicht von der Erde aus starten zu lassen, sondern von einer Relaisstation. Die könnte an verschiedenen Stellen eingerichtet werden, sagte Köhler. In der Erdumlaufbahn zum Beispiel, an einem der Lagrange-Punkte, an denen sich die Schwerkraft zwischen zwei Körpern aufhebe. Weltraumteleskope werden gern an einem Lagrange-Punkt stationiert, weil diese Position mit wenig Treibstoff gehalten werden kann.

Eine weitere Möglichkeit, eine Relaisstation einzurichten, ist auf dem Mond. Zwar muss beim Start auch Schwerkraft überwunden werden, aber eine viel geringere als auf der Erde. Dafür bietet der Mond Vorteile: Dort hätte man festen Boden unter den Füßen, um eine Basis zu errichten und das nötige Material zu lagern. Viele Ingenieure und Wissenschaftler halten den Mond deshalb für die bessere Option.

Bei so einem Szenario käme möglicherweise auch das Helium-3 wieder ins Spiel - als Bestandteil des Treibstoffs für ein Fusionstriebwerk.  (wp)


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