Jahrzehntelang galt der Mond als staubtrockener Himmelskörper. Kein Wunder: Hat er doch keine Atmosphäre, die seine Oberfläche davor schützt, dass Flüssigkeiten verdunsten. Wer aber ganz genau hinschaut, kann im Mondstaub Wasser finden – gefroren und im Gestein versteckt. Und aus Wasser lässt sich Atemluft für Astronauten herstellen und Wasserstoff extrahieren, um Mondhabitate und Fahrzeuge zu betreiben. Auch deshalb ist das Interesse am Mond zuletzt neu erwacht. Er wird mittlerweile sogar als Sprungbrett zum Mars gehandelt.

Noch ist allerdings unklar, wie viel Wasser es auf dem Mond gibt und wie es sich verteilt. Etliche Forschungsmissionen werden in den kommenden Jahren nötig sein, um diese Fragen zu klären. Den Auftakt macht die Mission IM-2: Am 27. Februar 2025 gegen 1.02 Uhr (MEZ) sollen ein kleiner Satellit namens Lunar Trailblazer und ein Landemodul der US-amerikanischen Firma Intuitive Machines an Bord einer Falcon-9-Rakete starten. Das Landemodul wird mehrere autonome Roboter auf unserem Trabanten absetzen, darunter eine Bohrplattform und eine hüpfende Drohne. Sie alle sind bestückt mit Instrumenten, die dem Mondwasser nachspüren. Während die Roboter neue Technologien testen sollen, um Wasser und andere nutzbare Stoffe vor Ort zu finden und an die Oberfläche zu fördern, wird der Satellit den Mond in einer Höhe von 100 Kilometern umkreisen, Wasservorkommen kartieren und beobachten, wie diese sich mit den Jahreszeiten verändern. Insgesamt soll die Mission die großen Mondpläne der US-Amerikaner in den Bereich des Machbaren rücken.

Der Nova-C genannte Lander wird – wenn alles glatt läuft – den Mons Mouton in der Nähe des Südpols anfliegen. Das ist nicht irgendein Landeplatz, sondern einer von neun möglichen Zielorten für die Artemis-3-Mission, die für das Jahr 2027 geplant ist und das erste Mal seit der letzten Apollo-Mission im Jahr 1972 wieder Menschen zum Mond bringen soll. Intuitive Machines steht allerdings unter Druck: Der erste Mondflug im Februar 2024 verlief nicht ganz so wie geplant. Das Lasernavigationssystem fiel während der Landung aus. Der Nova-C ging deshalb mit zu hoher und seitwärts gerichteter Geschwindigkeit zu Boden. Beim Aufprall geriet er in Schieflage und kippte auf die Seite. Das darf bei dieser Mission nicht passieren. Der Lander hat ein Bohrexperiment der NASA an Bord, das nur funktioniert, wenn er aufrecht stehen bleibt.

Wasser auf dem Mond?

Die Erkundung von Wassereis gehört zu den spannendsten und wichtigsten Feldern der aktuellen Mondforschung. Weil der Mond keine richtige Atmosphäre hat, wird gefrorenes Wasser bei minus 163 Grad Celsius gasförmig ohne je flüssig gewesen zu sein – es sublimiert. Freigesetzte Moleküle fliegen ungehindert über die Oberfläche, bis sie schließlich in den Weltraum entweichen.

Da die Rotationsachse des Mondes fast senkrecht auf seiner Umlaufbahn steht, steigt die Sonne an seinen Polen kaum über den Horizont. Steil aufragende Kraterränder liegen daher dauerhaft in ihrem Licht, während tief liegende Kraterböden permanent beschattet sind. Das macht den Südpol für die bemannte Raumfahrt interessant. Denn hier befinden sich die zwei wichtigsten Ressourcen für eine Mondstation in unmittelbarer Nachbarschaft – Energie und Wasser.

In manchen Kratern können die Temperaturen auf minus 250 Grad Celsius sinken. Ralf Jaumann von der Freien Universität Berlin nennt diese Krater Kältefallen. »Fliegt ein Wassermolekül über eine dieser Kältefallen, dann kann es sich nicht mehr in den Weltraum bewegen. Es friert ein und wird von dem Krater eingefangen«, erklärt der Geologe und Planetenforscher. »Wenn das über viele Milliarden Jahre hinweg passiert, dann kommen da einige Wassermoleküle zusammen.« Und tatsächlich: Die NASA-Sonde Lunar Reconnaissance Orbiter fand Hinweise auf Eisablagerungen in den schattigen Kratern am Südpol.

Neue Studien zeigen, dass sich auch in kleinen, nur wenige Zentimeter großen Kältefallen Eis ansammeln kann

Schon im Jahr 1961 beschrieben drei Forscher aus den USA, dass Wasser in den Kältefallen des Mondes theoretisch stabil bleiben kann. Im Jahr 2009 ließ die NASA eine Raketenstufe in den schattigen Krater Cabeus stürzen. Die aufgewirbelte Wolke aus erhitztem Material enthielt neben Wasserdampf und Wassereispartikeln auch Kohlenmonoxid, Ammoniak und Methan – wichtige Rohstoffe für einen bemannten Außenposten. Neue Studien zeigen, dass sich auch in kleinen, nur wenige Zentimeter großen Kältefallen Eis ansammeln kann.

Manche Fachleute halten sogar Wassereis an der Oberfläche für möglich. Doch noch ist völlig unklar, in welcher Form. Kommt es in großflächigen Ablagerungen vor oder handelt es sich um vereinzelte Stückchen, verteilt im Regolithgestein? Es könnte auch als dünne Eisschicht an Gesteinskörnchen haften. Das Polar Resources Ice Mining Experiment, kurz PRIME-1, soll erste Antworten liefern.

Rohstoffsuche im Untergrund

PRIME-1 ist fest am Nova-C-Lander montiert und besteht aus einem Massenspektrometer und einem Bohrer. Mit einem Schneidkopf aus einem besonders widerstandsfähigen Karbid kann er sich selbst durch hartes Gestein wie Basalt fressen. Zwei Messfühler untersuchen, wie sich die Temperatur mit der Tiefe verändert und wie gut die unterschiedlichen Schichten Wärme leiten. Zudem messen feine Sensoren auch den Widerstand beim Bohren. Der zeigt an, ob der Bohrkopf durch locker gepackte Körnchen geht oder durch eisverkrusteten Regolith. Das sind wichtige Erkenntnisse, um eines Tages Ressourcen im Mondboden abbauen zu können.

Der Bohrer soll einen Meter tief in den Boden vordringen und mehrere rund zehn Zentimeter lange Proben ziehen. So lässt sich genauer bestimmen, in welcher Tiefe nutzbare Stoffe lagern und in welcher Menge sie vorkommen. Nach jeder Probenahme wird der Bohrer zu einer Vorrichtung gehoben. Über diese soll das herausgelöste Material dann zu Boden rieseln und sich zu einem wachsenden Regolithkegel auftürmen.

Das Massenspektrometer MSolo (Mass Spectrometer Observing Lunar Operations) wird das gesammelte Material und die Umgebung der Bohrstelle im Visier haben. Es misst flüchtige Stoffe wie Wasser, Kohlendioxid, Stickstoff und Wasserstoff und unterscheidet sie über das spezifische Gewicht. Auch deren Menge kann das Spektrometer bestimmen. Jede Probe wird MSolo bis zu viereinhalb Stunden untersuchen und ermitteln, wie die flüchtigen Stoffe aus dem Untergrund sublimieren, erklärt Ralf Jaumann – bis sie nicht mehr nachweisbar sind. »Das gibt Aufschluss darüber, wie lange diese Stoffe brauchen, um an die Oberfläche zu kommen und vor allem, wie viel davon im Untergrund steckt. Wenn man eine Mondstation bauen will, möchte man schon wissen, wie der Boden beschaffen ist.« Die ersten zehn Meter seien richtig spannend. Aber so tief könne noch niemand bohren auf dem Mond. »Wenn wir die Temperaturen im ersten Meter haben, sind wir auch in der Lage, sie für größere Tiefen zu modellieren.«

Woher aber kommt das Wasser auf dem Mond überhaupt? Nach derzeitigem Wissen aus verschiedenen Quellen. Ein Teil davon ist schon mehrere Milliarden Jahre alt und stammt aus der Frühzeit unseres Sonnensystems. Damals wurden Erde und Mond heftig von Asteroiden und Kometen bombardiert. Beim Aufprall verdampften Wasser und andere flüchtige Stoffe und lagerten sich als Eis an den Polen ab.

Doch damit nicht genug. Noch heute prasseln in jeder Sekunde unzählige Mikrometeoriten auf den Mond herab. Treffen sie auf die Oberfläche, setzen sie Wassermoleküle und andere flüchtige Stoffe frei und durchmischen den Regolith. Die NASA-Sonde LADEE registrierte im Jahr 2014 einen Anstieg solcher freigesetzten Moleküle, wenn der Mond durch Wolken von Mikrometeoriten zog.

Und sogar im Inneren des Mondes gibt es Wasser. Das konnten Forscher in Gesteinsproben von Apollo-Missionen nachweisen. Vor rund 3,5 Milliarden Jahren war der Vulkanismus auf dem Mond so ausgeprägt, dass er möglicherweise eine dünne Atmosphäre erzeugte. Die könnte Wasser und andere flüchtige Stoffe zu den Kältefallen an den Polen befördert haben, vermuten Forscher.

Eine weitere Wasserquelle ist der Sonnenwind. Der reichert den Boden kontinuierlich mit Wasserstoffkernen an, erklärt Planetengeologe Jaumann. »Wenn dann ein Mikrometeorit mit 20 Kilometern pro Sekunde auf die Oberfläche trifft, zerstört er das Gestein. Dabei wird Sauerstoff freigesetzt, der sich anschließend mit dem Wasserstoff verbindet. Dieses Wasser ist zwar nur kurzlebig, aber wenn es mit Regolith bedeckt wird, kann es als Eis im Untergrund stabil bleiben.«

Die Zusammensetzung von Stoffen wie Wasser, Kohlendioxid und Schwefel könnte zeigen, wie die einstige Atmosphäre des Mondes beschaffen war. Und vielleicht lässt sich sogar klären, woher das Wasser auf der Erde stammt. Einen Hinweis darauf kann das Isotopenverhältnis geben. Das ist ein sehr spezifischer Fingerabdruck von unterschiedlich schweren Wasserstoffatomen. Das Isotopenverhältnis des irdischen Wassers wurde so noch nirgendwo sonst im Sonnensystem gefunden. Möglich, dass es den gleichen Ursprung hat wie das Wasser in den schattigen Kratern des Mondes. Darüber ließe sich zumindest bestimmen, wann das Wasser auf die Erde kam, und auch klären, ob Asteroiden und Kometen tatsächlich Wasser zur Erde brachten, wie vermutet wird.

PRIME-1 hat nur einen Versuch, Wasser im Mondboden aufzuspüren. Da die Landefähre Licht zur Stromerzeugung braucht, muss sie auf sonnenbeschienenem Untergrund stehen. An der Oberfläche ist es höchstwahrscheinlich zu warm für Wasser, nicht aber in 40 oder 80 Zentimeter Tiefe. NASA-Projektmanagerin Jackie Quinn erhofft sich von den Bohrungen insbesondere neue, belastbare Erkenntnisse zu vorhandenen Mondressourcen. »Diese Daten werden gebraucht, um Technologien entwickeln zu können, mit denen sich die Stoffe an die Oberfläche holen lassen.« Das habe Auswirkungen auf zukünftige Missionen zum Mond und sogar zum Mars. »Es hilft uns, langfristige Aufenthalte und deren Selbstversorgung zu planen.«

Große Sprünge für die Mondforschung

Während PRIME-1 den Untergrund erkundet, soll ein weiterer Roboter, der South Pole Hopper, Wasservorkommen von der Oberfläche aus untersuchen und Technologien testen. Die hüpfende Drohne, die Intuitive Machines entwickelt hat, sieht aus wie eine Miniversion des Nova-C-Landers. Für Mark Robinson, den wissenschaftlichen Leiter der Drohnenmission, ist das wichtigste Ziel, »den Hopper zu trainieren und seine Fähigkeiten zu testen«. Neben zwei Kameras hat der Hopper noch den Puli Lunar Water Snooper an Bord, ein kleines Neutronenspektrometer aus Ungarn, sowie das Infrarotradiometer LRAD, entwickelt von einem deutschen Forschungsteam.

»Wir erreichen mit dem South Pole Hopper Regionen, zu denen wir mit Rovern nur schwer oder gar keinen Zugang hätten, weil das Gelände zu steil ist«Matthias Grott, Planetenforscher

Für die Anreise ist der Hopper fest auf dem Nova-C montiert. Nach erfolgreicher Landung und ersten Instrumentenchecks wird er jedoch seine Schubdüsen zünden und 20 Meter entfernt wieder aufsetzen. Wenn der Hopper das geschafft hat, soll er vier Sprünge absolvieren und zeigen, dass er präzise manövrieren kann. Matthias Grott, Leiter der Abteilung Planetare Sensorsysteme am Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrum (DLR) in Berlin, sieht großes Potenzial in der innovativen Flugtechnik. »Wir erreichen Regionen, zu denen wir mit Rovern nur schwer oder gar keinen Zugang hätten, weil das Gelände zu steil ist. Und wir sind relativ schnell da. Wenn es klappt, dann eröffnet das der Planetenforschung ganz neue Möglichkeiten.« Und es wäre ein Quantensprung für die Erkundung von Ressourcen. Möglicherweise könnten Nachfolger des Hoppers eines Tages Astronauten auf ihren Mondausflügen begleiten und zum Beispiel beim Suchen nach Proben helfen.

Zunächst soll der hüpfende Roboter zu einem rund 100 Meter weiten Sprung ansetzen und dabei zeigen, dass er selbstständig eine Treibstoff sparende Bahn zum vorgegebenen Ziel findet, gefährliche Stellen am Boden erkennt und ihnen ausweichen kann. Der nächste Sprung wird dann dreimal so weit sein und am Rand eines schattigen Kraters enden. Diese Strecke soll der Hopper in einer Höhe von 100 Metern zurücklegen. Während der Sprünge werden die Kameras Stereoaufnahmen von der Oberfläche machen mit einer Auflösung im Zentimeterbereich. Diese Aufnahmen lassen sich für virtuelle Astronautentrainings nutzen und zur Planung von künftigen Rover-Missionen.

Zwischen jedem Sprung liegt ein Tag Pause für Checks und den Austausch von Daten mit dem Kontrollzentrum in Houston, Texas. In dieser Zeit werde das Neutronenspektrometer den Wasserstoffgehalt im Boden ermitteln, erklärt Tibor Pacher von der Firma Puli Space Technologies, die das Gerät entwickelt hat. »Wir messen den Wasserstoffgehalt in etwa einem Meter Tiefe. Unsere Daten wollen wir dann mit denen des Bohrexperiments vergleichen, um auf die räumliche Verteilung des Wassers zu schließen. Wir sehen ja nur den Mittelwert der Bodenschichten.«

Das Team von LRAD wird die Wärmeabstrahlung des Bodens messen und zum ersten Mal die Temperaturunterschiede zwischen hellen und dunklen Flächen am Südpol ermitteln, wo das Sonnenlicht die Oberfläche streift. »Im Verlauf von 24 Stunden ändert sich der Winkel des einfallenden Lichts und damit auch die Wärmeabstrahlung der Oberfläche«, erklärt der Geowissenschaftler Maximilian Hamm von der Freien Universität Berlin. Aus diesen Veränderungen lasse sich dann zum Beispiel ableiten, welche Temperatur auf der Oberfläche herrscht und wie rau sie ist. Das wiederum liefert Erkenntnisse darüber, wie gut der Boden Wärme leitet – wie wahrscheinlich es also ist, Eis zu finden und in welcher Tiefe es stabil bleiben könnte.

Erste Erkundung eines Schattenkraters

Der dritte Sprung führt dann zum Höhepunkt der Mission. Der Hopper soll zum ersten Mal in einem permanent schattigen Krater landen und die Kältefalle 45 Minuten lang erkunden. Während seine Kameras und die verschiedenen Instrumente ihre Aufnahmen machen, überwacht der Hopper die Temperatur seiner Systeme. Sollten die zu stark abkühlen, hüpft er schon vorher aus dem Krater. Die kostbaren Daten dürfen auf keinen Fall verloren gehen.

»Wenn wir erfolgreich im schattigen Bereich landen, wird das Fotografieren einfach sein. Da sich der Hopper nicht bewegt, können wir das schwache Licht mit langen Belichtungszeiten ausgleichen«Mark Robinson, Projektleiter NASA

Für Projektleiter Robinson ist die größte Herausforderung, in einen kleinen, rauen Krater zu fliegen und nur wenig Licht zu haben. »Wenn wir erfolgreich im schattigen Bereich landen, wird das Fotografieren einfach sein. Da sich der Hopper nicht bewegt, können wir das schwache Licht mit langen Belichtungszeiten ausgleichen.« Spuren von Wasser werden die Kameras wohl nicht sehen. Der Krater ist zu weit vom Südpol entfernt und zu warm für Eisablagerungen direkt an der Oberfläche.

Sollte dort jedoch Wasser im Untergrund vorhanden sein, kann Puli es finden. Das Spektrometer zählt Neutronen, die entstehen, wenn kosmische Strahlung auf wasserstoffhaltiges Gestein trifft. Das kann im Regolith gebundenes Hydroxid sein, aber auch gefrorenes Wasser. Puli soll feststellen, wie viel Wasserstoff unter der Oberfläche steckt und wie er dort verteilt ist.

Parallel dazu soll LRAD untersuchen, ob der Boden überhaupt kalt genug ist, dass sich Wassereis anreichern kann. Das Radiometer kann die Temperatur im Kraterboden auf wenige Grad genau bestimmen. Matthias Grott weiß, wie wichtig diese Daten sind. »Es geht darum, die theoretischen Modelle zu überprüfen, die man bislang von der Temperaturverteilung in diesen schattigen Kratern hat. Ist das, was wir da vor Ort auf kleinen Skalen messen, auch das, was die Vorhersagen ergeben?«

Modelle für die Wassersuche

Die Modelle helfen, die Bedingungen für Wassereis am Südpol zu erforschen und potenzielle Ressourcen aufzuspüren. Bisher werden sie nur mit Daten von diversen Raumsonden gefüttert wie etwa dem Lunar Reconnaissance Orbiter. Seit September 2009 erkundet der NASA-Satellit den Mond. Kamera und Laser-Altimeter lieferten bereits Aufnahmen für ein dreidimensionales Geländemodell des Südpols. Damit lässt sich die Beleuchtung dieser Region über mehrere Jahre simulieren.

Darüber hinaus hat ein Radiometer bereits die Temperaturen auf der gesamten Mondoberfläche erfasst. Es kann jedoch nur einen groben, durchschnittlichen Temperaturwert für eine Fläche von mehreren zehntausend Quadratmetern liefern. Gebraucht werden viel detailliertere Messungen. Der Südpol hat zahlreiche kleine, noch nicht kartierte Schattenkrater, die sehr viel kälter sind als die direkte Umgebung. Die können die Messung stark verfälschen. »Die Temperatur lässt sich nicht einfach mitteln«, beschreibt Maximilian Hamm das Problem. »Die von der Sonne beschienenen, heißen Bereiche innerhalb dieser Fläche gehen viel stärker in das Signal ein als die weniger beleuchteten. Und je größer die Temperaturunterschiede sind, desto ungenauer wird die Messung.« Deshalb müssen die Modelle durch Messungen auf der Mondoberfläche dringend überprüft werden.

Wenn die neuen Sensoren die gewünschten Daten liefern und die Roboter funktionieren wie erwartet, werden sie vielleicht schon bald in größerem Maßstab zum Einsatz kommen. Eine Gruppe von mehreren Hoppern könnte den Landeplatz für die Astronauten der Artemis-3-Mission untersuchen und bei der Planung ihrer Erkundungsausflüge helfen.