Potenzielle Lösungsmittel für Gebäude auf Mond und Mars identifiziert

Forschende haben die ersten Schritte unternommen, um flüssige Lösungsmittel zu finden, die eines Tages dabei helfen könnten, wichtige Baumaterialien aus Mond- und Marsgestein zu extrahieren – ein wichtiger Baustein, um eine langfristige Raumfahrt zu ermöglichen. Mithilfe von maschinellem Lernen und computergestützter Modellierung haben Forschende der Washington State University etwa ein halbes Dutzend guter Kandidaten für Lösungsmittel gefunden, mit denen sich auf dem Mond und dem Mars Materialien für den 3D-Druck gewinnen lassen.

Unter der Leitung von Soumik Banerjee, Associate Professor am School of Mechanical and Materials Engineering der WSU, wurden mithilfe von maschinellem Lernen und computergestützter Modellierung etwa ein halbes Dutzend potenzielle Lösungsmittel identifiziert, die für den 3D-Druck nutzbare Materialien aus Mond- und Marsgestein extrahieren können. Die Ergebnisse wurden im Journal of Physical Chemistry B veröffentlicht.

Die Forschenden konzentrierten sich auf leistungsfähige Lösungsmittel, sogenannte ionische Flüssigkeiten, die Salze im flüssigen Zustand sind.

“Die Arbeit des maschinellen Lernens brachte uns von der 20.000-Fuß-Ebene auf die 1.000-Fuß-Ebene”, sagte Banerjee. “Wir waren in der Lage, viele ionische Flüssigkeiten sehr schnell auszuwählen, und konnten dann auch die wichtigsten Faktoren wissenschaftlich verstehen, die bestimmen, ob ein Lösungsmittel das Material auflösen kann oder nicht.”

Dieser Forschungsansatz ist für die NASA von großer Bedeutung, da sie im Rahmen ihrer Artemis-Mission Menschen wieder zum Mond und anschließend tiefer ins All, zu Mars und darüber hinaus, senden möchte. Um solche Langzeitmissionen zu ermöglichen, müssen Astronauten die Materialien und Ressourcen in diesen extraterrestrischen Umgebungen nutzen, indem sie mit 3D-Druck Strukturen, Werkzeuge oder Teile aus den wesentlichen Elementen extrahieren, die aus dem Mond- oder Marsboden gewonnen werden.

Die Gewinnung dieser Baumaterialien muss umweltfreundlich und energieeffizient erfolgen. Die Methode zum Abbau der Elemente darf auch kein Wasser verwenden, das auf dem Mond nicht verfügbar ist. Ionische Flüssigkeiten, die Banerjees Gruppe seit mehr als einem Jahrzehnt für den Einsatz in Batterien untersucht, könnten die Lösung sein.

Da die Testung jedes ionischen Flüssigkeitskandidaten im Labor teuer und zeitaufwendig ist, verwendeten die Forscher maschinelles Lernen und Modellierung auf Atomniveau, um aus Hunderttausenden von Kandidaten auszuwählen. Sie suchten nach solchen, die Mond- und Marsmaterialien verdauen, wichtige Elemente wie Aluminium, Magnesium und Eisen extrahieren, sich selbst regenerieren und möglicherweise Sauerstoff oder Wasser als Nebenprodukt produzieren könnten, um die Lebenserhaltung zu unterstützen.

“Die In-situ-Ressourcennutzung ist für die NASA in den nächsten Jahrzehnten von großer Bedeutung”, so Banerjee. “Andernfalls müssten wir eine enorm hohe Nutzlast an Materialien von der Erde transportieren.”

Durch die Identifizierung überlegener Eigenschaften, die die Lösungsmittel benötigen, konnten die Forscher etwa ein halbes Dutzend sehr starke Kandidaten finden. Wichtige Erfolgsfaktoren waren die Größe der molekularen Ionen, die die Salze bilden, deren Oberflächenladungsdichte, also die Ladung pro Flächeneinheit der Ionen, und die Beweglichkeit der Ionen in den Flüssigkeiten.

In Zusammenarbeit mit Forschenden der University of Colorado in einer separaten Studie testeten sie einige ionische Flüssigkeiten im Labor auf ihre Fähigkeit, Verbindungen aufzulösen. Sie hoffen, letztendlich einen Labormaßstab- oder Pilotmaßstab-Reaktor zu bauen und gute Lösungsmittelkandidaten mit mondregolithähnlichen Materialien zu testen.