Solarzellen aus Mondregolith

Lunare Solarzell-Fabrik: Künftige Mondstationen könnten die Solarzellen für ihre Stromversorgung vor Ort herstellen – und 99 Prozent des Transportgewichts für die nötigen Rohstoffe einsparen. Denn das Glas für die Photovoltaikmodule lässt sich ohne große Aufbereitung aus lunarem Regolith erzeugen, wie Tests nun belegen. Kombiniert mit einer hauchdünnen Perowskit-Halbleiterschicht entstehen so Solarzellen mit einer Effizienz von immerhin bis zu zehn Prozent.

Ob China, die USA oder andere Nationen: Es geht zurück auf den Mond. Anders als bei den Apollo-Missionen sollen die Astronauten diesmal länger auf dem Erdtrabanten bleiben, unter anderem in lunaren Raumstationen und Mondbasen. Doch dafür benötigen die künftigen Mondbewohner Baustoffe, Sauerstoff, Wasser und Energie – und diese müssen möglichst vor Ort gewonnen werden. Hauptquelle für die mineralischen Rohstoffe ist der lunare Regolith, Energie und Wärme liefert die Sonne.

99 Prozent Transportgewicht eingespart

Wie sich auf dem Mond Solarzellen herstellen lassen, haben nun Julian Cuervo Ortiz von der Universität Potsdam und seine Kollegen ausprobiert. „Stellen Sie sich eine permanente Mondbasis, ein Dorf oder sogar eine Stadt auf dem Mond vor, die von der fast durchgehenden Sonnenstrahlung am lunaren Südpol versorgt wird“, so das Team. Um diese Sonnenenergie zu nutzen, sind jedoch unzählige Solarmodule nötig – und diese können nicht alle per Raketen zum Mond gebracht werden.

„Wir schlagen eine Lösung vor, die 99 Prozent des Gewichts für den Materialtransport einspart“, erklären die Forschenden. Die Idee dahinter: Statt die ganzen Photovoltaikmodule von der Erde zum Mond zu transportieren, könnte man das als Trägermaterial benötigte Glas vor Ort herstellen – aus lunarem Regolith. „Das Highlight unserer Studie ist, dass wir das benötigte Glas für unsere Solarzellen direkt und ohne Aufbereitungsprozesse aus dem Mondregolith gewinnen können“, erklärt Seniorautor Felix Lang von der Universität Potsdam.

Mondstaub im Sonnenofen ergibt Glas

Mondregolith besteht im lunaren Hochland zu knapp 50 Prozent aus dem Glasrohstoff Siliziumdioxid, dazu kommen rund 30 Prozent Aluminiumoxid (Al₂O₃), knapp 15 Prozent Calciumoxid und wenigen Prozent Eisen- und Titanoxid. In den basaltreichen Maren des Mondes liegt der Anteil dieser Metalloxide mit zusammen rund 13 Prozent erheblich höher.

Für ihr Experiment verwendeten die Forschenden zwei verschiedene Regolith-Analoga – für jede Mondregion eines. Dieses Pulver schmolzen sie bei 1.500 Grad auf und ließen es zu Glas erstarren. Auf dem Mond ließe sich die dafür nötige Hitze sehr einfach mit einem Sonnenofen erzeugen, wie Cuervo Ortiz und seine Kollegen erklären. Dieser Ofen bündelt die intensive Sonnenstrahlung auf dem atmosphärenlosen Mond mittels Linsen und kann so die notwendigen hohen Temperaturen erreichen.

Hauchdünne Halbleiterschicht

Das Resultat ist ein Glas, das bei Hochland-Regolith nur wenig durch die Metalloxid-Beimischungen eingetrübt wird. Das einen Millimeter dünne Regolithglas ließ noch 65 Prozent der Strahlung im Wellenlängenbereich um 700 Nanometer durch, wie die Tests ergaben. „Das passt perfekt zur Absorption von Halid-Perowskiten“, erklärt das Team. Weniger gut sah es beim Glas aus Basaltregolith aus, das wegen des höheren Metalloxidgehalts fast lichtundurchlässig war.

Im nächsten Schritt dampften die Forschenden die für die Solarzellen nötige Halbleiterschichten auf die Glasoberfläche auf, darunter Perowskit sowie eine dünne Trennschicht aus Indium-dotiertem Zinnoxid (ITO) und Elektrodenkomponenten. Diese aktive Schicht wurde dann mit einer weiteren ultradünnen Glasschicht bedeckt. Das Perowskit kann als Lösung eingesetzt werden, es ist formbar und besonders resistent gegenüber Strahlung, Licht- und Temperaturschwankungen – dies sind für den Mondeinsatz wichtige Eigenschaften.

Wirkungsgrade von bis zu zehn Prozent

In den Tests erreichten diese Mondglas-Solarzellen eine Effizienz von bis zu zehn Prozent. „Die jetzt in der Raumfahrt genutzten Solarzellen erreichen eine Effizienz von 30 bis 40 Prozent“, erklärt Lang. „Aber wenn man das Transportgewicht um 99 Prozent verringert, braucht man keine ultraeffizienten Solarzellen, man kann auf dem Mond einfach entsprechend mehr davon herstellen.“ Denn anders als bei den Solarsegeln einer Raumsonde gibt es auf der Mondoberfläche kein Platzproblem.

„Diese Solarzellen benötigen nur 500 bis 800 Nanometer dünne Halbleiterschichten, somit könnte man mit einem Kilogramm Perowskit-Rohmaterial von der Erde 400 Quadratmeter Solarzellen auf dem Mond herstellen“, sagt Lang.

Weitere Optimierungen nötig

Nach Ansicht der Forschenden ebnet ihre Technologie den Weg zu vor Ort herstellbaren Mondsolarzellen. „Unsere Regolith-basierten Perowskit-Solarzellen sind der vielversprechendste Weg zur Energieversorgung künftiger Mondhabitate“, konstatieren sie. Allerdings ist bis dahin noch einiges zu tun. Denn die für das Erzeugen der Perowskitschicht genutzte Methode funktioniert bisher nicht im Vakuum. Unklar ist auch, ob die geringere Schwerkaft des Mondes den Prozess negativ beeinflusst.

Cuervo Ortiz und seine Kollegen wollen ihre Technik daher noch weiter optimieren. Sie hoffen zudem, in naher Zukunft einen Prototyp ihrer Solarzellfabrik zum Mond schicken zu können, um das Ganze unter realen Bedingungen auszuprobieren. (Device, 2025; doi: 10.1016/j.device.2025.100747)

Quelle: Cell Press, Universität Potsdam