Raumfahrt : Forscher entwickeln Solarzelle aus Mondstaub

Der Bau von Solarzellen aus Mondmaterial könnte einmal Mondmissionen billiger machen. Wie das gelingen kann, zeigen Forscher aus Potsdam

Deutsche Forscher haben eine Solarzelle entwickelt, die zu 99 Prozent ihres Gewichts aus Mondstaub besteht. Sie könnte auf dem Mond hergestellt werden, ohne dass dafür Bergbau betrieben werden müsste, schreiben sie im Journal "Device". Der Wirkungsgrad der Photovoltaikeinheit erreicht demnach zwar nur etwa zehn Prozent, dafür könnten sehr viele Kosten für den Transport mit einer Rakete eingespart werden. Deshalb komme die Solarzelle auf eine Leistung von mehr als 22 Watt pro Gramm ins All beförderter Masse. Der Wert liegt mindestens 20-mal höher als bei anderen Solarzellenlösungen, berichtet die Gruppe um Felix Lang von der Universität Potsdam.

Die US-Weltraumbehörde NASA wollte mit der "Artemis"-Mission ursprünglich bis 2024 wieder Menschen auf dem Mond bringen. Nach derzeitigem Stand soll das Mitte 2027 geschehen. Als langfristiges Ziel hat die NASA die Errichtung einer permanenten Mondbasis als Grundlage für Missionen zum Mars ausgegeben.

99 Prozent des Gewichts aus Regolith 

Für die Mondbasis werde auch eine zuverlässige und kostengünstige Energieerzeugung benötigt, schreibt das Team um Lang. Heute in der Raumfahrt verwendete Solarzellen kommen auf einen Wirkungsgrad zwischen 30 und 40 Prozent. "Sie sind sehr teuer und relativ schwer, da sie Glas oder eine dicke Folie als Abdeckung verwenden", wird Lang in einer Mitteilung der Fachzeitschrift zitiert. Große Mengen dieser Photovoltaikmodule in den Weltraum zu bringen würde sehr teuer werden. Lang und Kollegen gehen von Transportkosten von einer Million Euro pro Kilogramm für einen Flug zum Mond aus.

Die Idee der Forscher ist nun, den Mondstaub – als Mineral Regolith genannt – als Basis für die Grundschicht und die abdeckende Schicht zu verwenden. Beide Schichten machen mehr als 99 Prozent des Gewichts der Solarzelle aus. Die Forscher schreiben, dass Regolith in einem einfachen Ofen, der über spezielle Linsen durch Sonnenlicht erhitzt werden könnte, aufgeschmolzen werden könne. Anschließend würde er so abgekühlt, dass sich Glas bildet. Das Team um Lang führte seine Versuche mit künstlichem Mondstaub zwar in einem Vakuum durch, wie es ähnlich auf dem Mond herrscht. Bei der Glasbildung spielt jedoch auch die Schwerkraft eine Rolle. Diese ist auf dem Mond nur etwa ein Sechstel so groß wie auf der Erde, sodass Unsicherheiten bleiben.

Günstig und energiesparend

Die Wissenschaftler nutzten zwei verschiedene Arten künstlichen Mondstaubs: TUBS-T repräsentiert den Regolith der höheren Regionen auf dem Mond, während TUBS-M dem Regolith der Tiefebenen ähnelt. TUBS-M hat sich aus Vulkangestein entwickelt und einen relativ hohen Eisenanteil, weshalb das aus ihm hergestellte Glas nicht lichtdurchlässig ist. "Der mit TUBS-M nachgeahmte Tieflandregolith könnte weiterhin eine gute Wahl für das Rückseitenglas zukünftiger Glas-Glas-Solarmodule sein", schreiben Lang und Kollegen. Das Vorderseitenglas entstand jedoch aus dem hellen TUBS-T, aus dem sich ein durchsichtiges Glas bildet.

Dieses Glas hat nach Forscherangaben zwar eine geringere Lichtdurchlässigkeit als sonst für Solarzellen verwendetes Glas. Dafür aber trübe es sich bei hoher Sonneneinstrahlung nicht ein, wie es oft bei den üblicherweise verwendeten Gläsern der Fall sei. Das Glas hat also eine hohe Strahlungstoleranz, wie die Forscher mit Experimenten belegen konnten. Als Schicht, die die Sonneneinstrahlung in elektrischen Strom wandelt, bevorzugen die Forscher das Mineral Perowskit, das ebenfalls weniger strahlungsempfindlich ist als das meistens verwendete Silizium. Mit einem Kilogramm Perowskit von der Erde könnten Solarzellen mit einer Fläche von 400 Quadratmetern hergestellt werden, schreiben die Studienautoren.

Benötigt werden außerdem noch kleinere Mengen verschiedener Metalle für die hauchdünnen Elektroden und Leitungsbahnen. "Wenn man das Gewicht um 99 Prozent reduziert, braucht man keine ultraeffizienten 30-Prozent-Solarzellen mehr – man muss einfach mehr davon auf dem Mond herstellen", sagt Lang. Zudem könnten die Mondstaub-Solarzellen noch weiterentwickelt werden. Theoretisch sei ein Wirkungsgrad von rund 23 Prozent möglich, schreibt das Team.