Konstruieren für den Kosmos Schöner Wohnen auf dem Mars

Von: Ortrun Huber

Stand: 23.09.2021

Der US-Milliardär Elon Musk plant in naher Zukunft eine Siedlung auf dem Mars. Und die Europäischen Weltraumorganisation ESA will in den kommenden 20 Jahren Menschen auf den Mond und langfristig auch auf den Mars befördern. Alle wollen ins All - doch der sichere Transport hin zu fernen Planeten allein reicht nicht aus. Unerlässlich für die Raumfahrer ist ein lebenserhaltender, zuverlässiger Schutzraum - ein Habitat. Weltraum-Architekten weltweit arbeiten schon daran.

Szenario für ein Leben auf dem Roten Planeten.   | Bild: AI SpaceFactoy

Extraterrestrischen Bedingungen - egal, wo im All - sind für Menschen extrem lebensfeindlich. Beispiel Mars: Geringer atmosphärischer Druck, starke Temperaturschwankungen, ungefilterte kosmische Strahlung und die völlige Abwesenheit von Sauerstoff machen das Forschen und Leben im All sehr ungemütlich. Gleichzeitig darf der Transport von Werkstoffen zum zwischen 56 und 401 Millionen Kilometern entfernten roten Planeten nicht viel kosten (die schwankende Distanz ist übrigens abhängig von der jeweiligen Position von Erde und Mars auf ihren Umlaufbahnen um die Sonne). Also müssen Ingenieure beim Bau von Unterkünften auf Ressourcen vor Ort zurückgreifen.

Derzeit existieren bereits einige Testhabitate auf dem Globus - doch sie wurden alle in erste Linie für die Erde gebaut, um darin beispielsweise das psychische Befinden der Bewohner oder organisatorische Abläufe zu untersuchen. Konstruktionspläne für Häuser, die den schwierigen Bedingungen auf dem Mars standhalten, sind derzeit noch rar – aber es gibt sie... 

Blick zurück: Der Traum vom Leben auf fernen Planeten

Undatierte Zeichnung einer halb-permanenten Mondstation (Vordergrund). Die kuppelförmige Station, die Platz für eine sechsköpfige Besatzung bietet, ist durch einen Schlauchtunnel mit einem Mondlandefahrzeug verbunden. | Bild: picture-alliance / dpa

Undatierte Zeichnung (ca. 1970) einer halb-permanenten Mondstation (Vordergrund), die als Stützpunkt zur Erforschung des Mondes dienen könnte.

"Es hieß mal, wenn der Mensch fliegen könnte, hätte er Flügel. Aber er ist geflogen. Er stellte fest, dass er das musste. Hätte die erste Apollo-Mission den Mond lieber nicht erreichen sollen? Und hätten wir nicht zum Mars weiterfliegen sollen?"

Captain James T. Kirk in Star Trek, Return to Tomorrow, 1968 (ausgestrahlt ein Jahr vor der ersten bemannten Mondlandung durch Apollo 11)

3D-Domizil: Bauen mit Marsgestein

2019 gewann das New Yorker Architekturbüro AI SpaceFactory mit dem 3D-gedruckten, eiförmigen Haus „Marsha“ die 3D-Printed Habitat Challenge der NASA. Bei dieser Wettbewerb sollte ein Lebensraum konzipiert werden, der für das Leben auf dem Mars geeignet ist und mit den Ressourcen vor Ort gebaut werden kann. | Bild: AI SpaceFactoy

Das 3D-gedruckte Haus „Marsha“ wurde vom New Yorker Architekturbüro AI SpaceFactory im Rahmen eines NASA-Wetbewerbs entworfen.

Wer auf dem Mars bauen will, muss über zwei Dinge nachdenken: die Konstruktion und das Baumaterial. Das New Yorker Start-up AI Space Factory hat für beides Antworten gefunden. Ihre Lösung heißt "Marsha" (kurz für: Mars Habitat) und kommt aus dem 3D-Drucker. 2019 gewannen die New Yorker Architekten mit "Marsha" die NASA 3D-Printed Habitat Challenge. Der über mehrer Jahre, in Stufen verlaufende Wettbewerb der US-Raumfahrtagentur NASA kürte damals konkret realisierbare Ideen für nachhaltige Mars-Habitate.

Für die Außenhülle von "Marsha" entwickelte AI Space Factory einen recycelbaren Werkstoff, der aus einem nachwachsenden Biokunststoff (Polymilchsäure oder PLA) und Basaltfasern aus Marsgestein besteht. Die ovalen Modulen sind auf vier Ebenen mit einem Doppelschalensystem isoliert, sodass das Habitat über eine eigene Innenraumatmosphäre wie in einem Raumschiff verfügt. Die runde Form ermöglicht einen Ausgleich zwischen dem für Menschen notwendigen Luftdruck der Erdatmosphäre und dem sehr geringen Luftdruck auf dem Mars.

Speziell - zugleich allerdings grundlegend für die Teilnahme am NASA-Wettbewerb - war die Konstuktion mittels 3D-Drucker. In einem Praxistest produzierte ein vollautomatischer Industrieroboter in 30 Stunden ein 4,50 Meter hohes Modul mit drei Fenstern. Ob der 3D-Druck für den Bau von Mars-Habitaten eine zukunftsfähige Technik ist, muss sich allerdings noch zeigen. "Derzeit weiß man noch zu wenig über das langfristige Verhalten von 3D-gedruckten Baustoffen unter Marsbedingungen, um das Leben von Astronauten diesen Baustoffen anvertrauen zu können", sagt Dr. Christiane Heinicke, Expertin für Mars-Habitate an der Universität Bremen (siehe Interview unten).

Aus Blut, Schweiß und Tränen: Der Zement der Zukunft

Mars-Astrocrete (links) und Mond-Astrocrete wird aus extraterrestrischem Staub und menschlichen Körperflüssigkeiten wie Blut, Schweiß und Tränen hergestellt. Er soll als Werkstoff bei künftigen Bauvorhaben im All dienen.   | Bild: dpa-Bildfunk/Dr. Aled Roberts

Mars-Astrocrete (links) und Mond-Astrocrete wird aus extraterrestrischem Staub und menschlichen Körperflüssigkeiten wie Blut hergestellt.

Wer den Zement für die Zukunft entwickeln will, um auf fernen Planeten Gebäude errichten zu können, dem hilft ein Blick in die Vergangenheit. Denn Mörtel, der Mauersteine verbindet und mit dem man Wände und Decken verputzt, wurde bereits im Mittelalter verwendet. Als unverzichtbarer Bestandteil des Bauschlamms galt damals Tierblut. Das im Blut enthaltene Eiweiß führte in einer Mischung mit Kalk zu einem dichteren, festeren und auch wasserbeständigeren Zement.

Diese jahrhundertalte Erkenntnis zur Anreicherung von Baumaterialien machen sich heutige Ingenieure bei der Entwicklung von Baustoffen zunutze. So haben Forscher der Universität Manchester auf der Suche nach möglichen Baumaterialien für Habitate auf dem Mars einen Werkstoff gefunden, der aus extraterrestrischem Staub, sogenanntem Regolith, und menschlichen Körperflüssigkeiten hergestellt wird. Die Substanz, die die Wissenschaftler "Astrocrete" nennen, soll eine höhere Druckfestigkeit als herkömmlicher Beton haben, berichteten die britischen Forscher im September 2021 im Fachblatt "Materials Today Bio".

Da man bei künftigen Mars-Mission vermutlich keine Baumaterialen in der Rakete mittransportieren kann, suchten die Forscher nach Rohstoffquellen vor Ort - und wurden in den Körpern von Astronauten fündig. Denn - wie schon der mittelalterliche Mörtelmacher wusste - wird für tragende Baustoffe, neben dem Gestein in Form von Marsstaub, auch das im menschlichen Blut vorkommende Protein Humanalbumin sowie Harnstoff, der im Urin, in Tränen oder im Schweiß enthalten ist, benötigt.

Hochgerechnet könne mit dieser Technik eine Crew von sechs Astronauten innerhalb eines rund zweijährigen Aufenthalts etwa 500 Kilogramm Astrocrete herstellen, so die britischen Forscher. Als Mörtel für Sandsäcke oder Ziegel aus reinem Marsstaub genutzt, würde die von einem Astronauten ermöglichte Menge an Astrocrete ausreichen, um die künftige Marskolonie um die Behausung für eine Person zu erweitern. Bleibt die Frage, wie die künftigen Mars-Bewohner genügend Wasser gewinnen, um wiederum ausreichend Körperflüssigkeiten zum Häuslebauen zu produzieren.

Mit Aluminium ins All Module für Mond und Mars

In einer Laborhalle des Zentrums für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) die zylinderförmigen Demo-Version eines Wohn- und Arbeitsmoduls aus Aluminium, das für den extraterrestrischen Einsatz auf Mond oder Mars gedacht ist. | Bild: picture alliance/dpa | Mohssen Assanimoghaddam

Prototyp des zweigeschossigen MaMBA-Wohn- bzw. Arbeitsmoduls.

Auch im Norden Deutschlands entwickeln Wissenschaftler Habitate für extraterrestrische Himmelskörper. Das Ziel des Forscherteams am Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation der Universität Bremen: eine Behausung zu schaffen, die nicht nur das Überleben sichert, sondern das Leben der Astronauten im All möglichst angenehm macht. Das ist nicht zuletzt deshalb wichtig, da zukünftige Mond- und Mars-Missionen sich über Monate oder auch Jahre erstrecken werden.

Die Wissenschaftler des MaMBA (Moon and Mars Base Analog)-Projekts planen neben zweigeschossigen Arbeitsmodulen, in denen möglichst viele Laborplätze untergebracht werden können, auch eingeschossige Wohnmodule mit großer Deckenhöhe. Diese soll das Engegefühl der Besatzung mildern. In der Grundkonfiguration besteht die vollständige MaMBA-Anlage aus sechs Modulen und zwei Schleusen. Alle Module sind Hartschalen-Druckbehälter, die über kleine aufblasbare Korridormodule miteinander verbunden sind.

Eines der Module soll einige Fenster erhalten, durch die die Besatzung nach draußen sehen kann. Die Herausforderung dabei: Trotz des „Gucklochs" muss der Schutz vor Weltraumstrahlung aufrecht erhalten werden. Arbeits- und Freizeitmodule sollen sich in zwei getrennten Strängen des Habitats befinden. So kann die Besatzung leichter zwischen Arbeit und Freizeit unterscheiden.

Zusätzlich gut fürs Gemüt soll das kleine Gewächshaus sein, das sich an der Schnittstelle zwischen dem wissenschaftlichen Labor und dem Freizeitmodul befindet. Die hier angebauten Pflanzen werden der Nahrungsversorgung und Sauerstoffproduktion dienen, aber auch für Experimente verwendet. Und der Gipfel des Luxus: Im Schlafmodul soll jeder Bewohner sein eigenes Privatquartier haben. My home is my module.

Frage und Antwort MaMBA-Leiterin Christiane Heinicke über Mars-Immobilien

Fragen von ARD ALPHA -
Antworten von Geophysikerin Dr. Christiane Heinicke


Frage: "Sie entwickeln im MaMBA-Projekt derzeit Habitate für Mond und Mars. Welche Kriterien muss eine Behausung erfüllen, um auf dem Mars zu bestehen?"  

Antwort: "Die technischen Anforderungen sind, dass das Habitat den Druckunterschieden zwischen innen und außen standhalten muss. Da man auf dem Mars kein Fenster öffnen kann, muss außerdem ein Lebenserhaltungssystem für frischen Sauerstoff in der Luft sorgen. Außerdem muss das Habitat die Astronauten vor der Strahlung und anderen Umweltgefahren schützen. Neben diesen technischen Anforderungen ist es jedoch auch wichtig, dass sich die Astronauten in ihrem Zuhause wohl fühlen, da sonst psychische Probleme drohen." 

Frage: "Der von Ihnen entwickelte MaMBA-Protoyp ist ein Zylinder aus Aluminium. Die AI.SpaceFactory gewann 2019 einen Preis der NASA für die Entwicklung einer Mars-Behausung, die von einem 3D-Drucker  hergestellt wurde. Welche Vor- und Nachteile haben diese beiden Entwürfe im Vergleich?"

Antwort: "Langfristig ist es sinnvoll, weitere Habitate auf dem Mars aus vor Ort vorhandenen Rohstoffen herzustellen, wie zum Beispiel Regolith (grobkörniger Marsstaub, Anm. d. Red.). Allerdings weiß man derzeit noch zu wenig über das langfristige Verhalten von 3D-gedruckten Baustoffen unter Marsbedingungen (insbesondere Grobvakuum und Strahlung), um das Leben von Astronauten diesen Baustoffen anvertrauen zu können. Der Schwerpunkt von MaMBA liegt auf den ersten Missionen. Daher haben wir die konservative Variante gewählt mit vielfach erprobten Zylindern, die auf der Erde unter optimalen Bedingungen hergestellt werden. Aluminium ist dabei einer von mehreren möglichen Werkstoffen." -->

Frage: "Vor kurzem veröffentlichten Wissenschaftler der Universität Manchester eine Studie, wonach sie einen Baustoff aus extraterrestrischem Staub, Blut und Urin entwickelten. Dieses Material sei für den 3D-Druck geeignet und habe eine weitaus höhere Druckfestigkeit als herkömmlicher Beton. Ist dies ein realistisches Szenario für künftige Bauunterfangen auf dem Mars?"

Antwort: "Meiner Meinung nach ist die Druckfestigkeit als alleiniges Kriterium bei Druckbehältern nicht ausreichend. Aber das Spannende an der Mischung sind ohnehin nicht die reinen Materialeigenschaften, sondern vielmehr die Zusammensetzung aus lokal vorhandenen Ressourcen - Gestein und Körperprodukten der Astronauten. Ob die Menge an Urea und Blut von wenigen Astronauten allerdings ausreicht um ein vollständiges neues Habitat zu bauen, wird sich noch zeigen müssen."

Frage: "Wann rechnen Sie mit einer konkreten Umsetzung eines Bauvorhabens auf Mond oder Mars?"

Antwort: "Im Moment sieht es so aus, als würde die neue Konkurrenz zwischen USA und China die astronautische Raumfahrt vorantreiben. Auf dem Mond könnte es daher bis zum Ende des Jahrzehnts soweit sein, auf dem Mars wird es ein paar Jahre länger dauern."

Frage: "Inwiefern geht es bei den derzeitigen Forschungsansätzen auch darum, wichtige Erkenntnisse für das Leben auf der Erde zu gewinnen?"

Antwort: "Es geht nicht nur um Erkenntnisse, sondern um konkrete technologische Entwicklungen, die zwar für den Mars angestoßen werden, aber auch auf der Erde eingesetzt werden können. Das Leben auf dem Mars erfordert in vielerlei Hinsicht ein Umdenken, für das hier auf der Erde der Leidensdruck noch nicht hoch genug ist: Wenn wir es schaffen, auf dem Mars zu überleben, haben wir hier auf der Erde eine bessere Chance, echte Nachhaltigkeit zu erreichen. Das reicht von der Wiederaufbereitung von Luft und Wasser und effizienter Nutzung von Sonnenenergie bis hin zur Produktion von Nahrungsmitteln mit eingeschränkten Ressourcen und dem Vermeiden bzw. Wiederverwenden von vermeintlichen Abfällen."

Christiane Heinicke, Geophysikerin vom Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM), steht in der Demo-Version von einem Wohn- und Arbeitsmodul, das für den Einsatz außerhalb der Erde gedacht ist und spricht zu dem Modell des Roboters „Marvin“, der im Weltraum Astronauten assistieren soll.  | Bild: picture alliance/dpa | Mohssen Assanimoghaddam

Dr. Christiane Heinicke, Geophysikerin vom Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM), mit Roboter „Marvin“.

"Wenn wir es schaffen, auf dem Mars zu überleben, haben wir hier auf der Erde eine bessere Chance, echte Nachhaltigkeit zu erreichen." MAMBA-Leiterin Christiane Heinicke

Die Geophysikerin Dr. Christiane Heinicke leitet das Projekt Moon and Mars Base Analog (MaMBA) am Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universität Bremen und entwickelt hier Lebens- und Arbeitsräume für den Mond und den Mars.

Mehr Wissen: Quellen und Infos

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