Mondforschung made in Luxemburg

Mehr als fünfzig Jahre nach Apollo rückt der Mond erneut ins Zentrum der Raumfahrt. Gemeinsam mit internationalen Partnern wie der europäischen Raumfahrtagentur ESA will die NASA mit dem Artemis-Programm wieder Menschen zum Erdtrabanten bringen. Bevor spätere Missionen eine Landung auf dem Mond anpeilen, wird bei Artemis II eine vierköpfige Crew den Mond umrunden. Bei der Mission sollen vor allem Raumfahrzeug, Systeme und Abläufe unter realen Bedingungen getestet werden.

Weltweit sind nun die Augen auf Rakete und Crew gerichtet. Doch hinter den Kulissen arbeiten seit Jahren zahlreiche Forschungseinrichtungen und Unternehmen an Technologien und wissenschaftlichen Grundlagen für künftige Mondmissionen. Auch in Luxemburg. Der Start der Artemis II-Mission ist also auch eine Gelegenheit, sich die Themen und Akteure der Mondforschung in Luxemburg anzuschauen.

Generell: Warum wird Mondforschung betrieben?

Der Mond ist weit mehr als ein nostalgisches Ziel der Raumfahrt. Für die Wissenschaft gilt er als einzigartiges Archiv der Frühgeschichte unseres Sonnensystems. Anders als die Erde besitzt er keine Atmosphäre, keine aktive Plattentektonik und kaum Erosion. Einschlagsspuren, Gesteinsformationen und vulkanische Strukturen sind so über Milliarden Jahre erhalten geblieben. Im Mondgestein stecken deshalb auch Hinweise auf die Entstehung der Erde und die Entwicklung der inneren Planeten, zu denen auch Merkur, Venus, und Mars gehören. Fragen, die bis heute noch nicht vollständig geklärt sind.

Der Nachweis von Wasser auf dem Mond verschaffte der Forschung in den vergangenen Jahren zusätzlichen Auftrieb. Messungen von Missionen wie dem Lunar Reconnaissance Orbiter der NASA und Daten früherer internationaler Missionen zeigen, dass in den dauerhaft schattigen Kratern an den Polen gefrorenes Wasser in größerem Umfang vorhanden sein könnte. Hinweise darauf liefern auch Analysen von Mondproben der chinesischen Chang’e-5-Mission aus dem Jahr 2020. Wasser ist wissenschaftlich interessant. Und es ist eine potenzielle Ressource. Für künftige Missionen wäre es die Lebensgrundlage und der Rohstoff für Raketentreibstoff.

Damit rückt der Mond zunehmend in den Fokus langfristiger Explorationspläne. Programme wie Artemis entwickeln Technologien, Infrastruktur und Betriebsabläufe, um den Mond zu einem dauerhaften menschlichen Außenposten zu machen. Der Erdtrabant wird dabei zum Testfeld: Unter reduzierter Schwerkraft und extremen Temperaturbedingungen lassen sich Systeme erproben, die später auch für weiter entfernte Ziele relevant sein könnten, zum Beispiel den Mars.

Neben Geologie und Ressourcen spielt auch die technologische Dimension eine zentrale Rolle. Der Mond zwingt Raumfahrtsysteme dazu, unter harschen Bedingungen wie Staub, Vakuum und großen Temperaturschwankungen zuverlässig zu funktionieren. Forschung am Mond ist deshalb auch Technologieentwicklung fürs Extreme.

Warum beteiligt sich Luxemburg an der Mondforschung?

Auch wenn Luxemburg selbst keine Raketen startet, positioniert sich das Land seit Jahren strategisch im internationalen Raumfahrtsektor. In der Mondforschung spielt vor allem die Luxembourg Space Agency (LSA) eine zentrale Rolle. Sie gibt die strategische Ausrichtung für die Raumfahrt des Großherzogtums vor. Und sie sorgt dafür, dass Luxemburg in internationale Programme und Partnerschaften eingebunden ist.

Über die Beteiligung an Programmen der ESA sowie durch Kooperationen mit Industriepartnern ist das Land an größeren Explorationsvorhaben beteiligt. Mondforschung wird so zu einem strategischen Baustein innerhalb einer langfristig angelegten Raumfahrtpolitik.

Neben wissenschaftlichen Erkenntnissen stehen dabei auch technologische und wirtschaftliche Perspektiven im Fokus. Entwicklungen für extreme Umweltbedingungen, neue Materialien oder autonome Systeme können über den Raumfahrtkontext hinaus Anwendung finden. Mondprojekte fungieren damit nicht nur als Forschungsfelder, sondern auch als Innovationsmotor für einen spezialisierten, international vernetzten Standort.

Foto: Marc Serres (Credit: Luxembourg Space Agency)

Wer betreibt Mondforschung in Luxemburg?

In Luxemburg arbeiten mehrere Akteure an unterschiedlichen Aspekten der Mondforschung. Das reicht von der Grundlagenforschung über technologische Entwicklung bis hin zu kommerziellen Anwendungen. Die Aktivitäten verteilen sich dabei auf öffentliche Forschungseinrichtungen, spezialisierte Innovationszentren und Industriepartner.

Das Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST) bringt vor allem Expertise in Materialanalyse und Ressourcenforschung ein. Hier werden unter anderem Fragen zur Zusammensetzung und Nutzung von Mondmaterial untersucht.

An der Universität Luxemburg konzentrieren sich mehrere Labore auf technologische Bausteine künftiger Missionen, wie etwa Kommunikationssysteme für den Einsatz jenseits der Erde oder Testumgebungen für extreme Bedingungen.

Operativer Knotenpunkt zwischen Politik, Forschung und Industrie ist LSA. Die nationale Raumfahrtagentur initiiert Programme, begleitet Projekte und koordiniert die Zusammenarbeit mit internationalen Partnern wie der ESA.

Eine zentrale Rolle im Bereich der Weltraumressourcen spielt das European Space Resources Innovation Centre (ESRIC). Das Zentrum wird von der LSA, dem LIST und der ESA getragen, versteht sich als europäische Plattform für Forschung und Innovation rund um die Nutzung extraterrestrischer Ressourcen und bündelt die entsprechenden Kompetenzen.

Mit ispace Europe ist zudem ein Industrieakteur in Luxemburg ansässig, der direkt an der Entwicklung von Technologien wie zum Beispiel kleine Rover für den Einsatz auf dem Mond beteiligt ist.

Gemeinsam bilden diese Einrichtungen ein wachsendes Ökosystem, das wissenschaftliche Fragestellungen, technologische Entwicklung und industrielle Umsetzung miteinander verbindet.

Was sind aktuell die wichtigsten Mondforschungsprojekte in Luxemburg?

Ein Rover aus Luxemburg auf dem Weg zum Mond

Das Unternehmen ispace Europe hat in Luxemburg den Tenacious Rover entwickelt und gebaut. Das Fahrzeug ist für den Einsatz auf der Mondoberfläche vorgesehen und wurde 2025 im Rahmen der jüngsten Mission ins All gestartet. Auch wenn die Landung auf dem Mond missglückte, war die Mission für ispace Europe ein Meilenstein.

„In Luxemburg gebaut, ist Tenacious der einzige in Europa entwickelte Mondrover, der bislang ins All gestartet ist. Während des Flugs verliefen alle Systemchecks erfolgreich.“, erklärt Philippe Ludivig, Senior Space Robotics Engineer bei ispace Europe und langjähriger Rover-Entwickler. Er ist unter anderem für die Kamerasysteme und autonome Navigation des Rovers verantwortlich.

Die Entwicklung des Rovers wurde durch die Luxembourg Space Agency im Rahmen eines ESA-Vertrags im nationalen Raumfahrtprogramm LuxIMPULSE kofinanziert. Ein Teil des dafür nötigen Know-hows entstand jedoch bereits in früheren Forschungsarbeiten in Luxemburg. So entwickelte Philippe Ludivig während seiner vom Fonds National de la Recherche (FNR) unterstützten Promotion Werkzeuge für die Steuerung kleiner Mondrover. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse flossen später auch in die Entwicklung des Tenacious-Rovers ein.

Bo Byloos, Managerin für Exploration and Science bei der LSA erklärt, dass solche Missionen für die Raumfahrtagentur kein Einzelereignis wären. Vielmehr seien sie Teil einer längerfristigen Strategie. So arbeitet Luxemburg im Rahmen der ESA Small Missions Initiative gemeinsam mit ispace an weiteren Mondmissionen, bei denen Technologien zur Erkundung und Nutzung von Ressourcen direkt auf der Oberfläche demonstriert werden sollen.

Auf der Spur des Mondwassers

Wie viel Wasser gibt es auf dem Mond? Und woher stammt es? Mit diesen Fragen beschäftigt sich Veneranda Lopez Dias am LIST. Als Spezialistin für Isotopenphysik und Exohydrologie untersucht sie, wie sich Wasser auf der Mondoberfläche und in der extrem dünnen lunaren Exosphäre verhält. Denn anders als die Erde umgibt der Mond keine dichte Atmosphäre, sondern nur eine dünne Gashülle, in der Atome und Moleküle kaum miteinander kollidieren.

Veneranda untersucht das Verhältnis zwischen schwerem (D₂0) und normalem Wasser (H₂0), also zwei unterschiedlicher chemischer Varianten von Wasser. Denn daraus lässt sich schließen, wo das Wasser herkommt. Es könnte aus früheren vulkanischen Prozessen stammen. Es könnte auch von Asteroiden oder Kometen zum Mond gebracht worden sein. Oder aber es entstand durch Wechselwirkungen mit dem Sonnenwind.

Besonders interessant sind dabei die Polregionen des Mondes. In ewiger Dämmerung herrschen dort extrem niedrige Temperaturen. Dadurch könnte sich Wassereis über Milliarden Jahre erhalten haben. Solche Gebiete gelten als Archive des frühen Sonnensystems. Und sie sind auch potenzielle Ressource für zukünftige Missionen.

Am LIST werden experimentelle Systeme entwickelt, mit denen sich unter Mondbedingungen simulieren lässt, wie Wassereis sich verhält. Dazu gehören Vakuumumgebungen und sehr tiefe Temperaturen, wie sie in polaren Mondregionen auftreten. Die Forschung kombiniert Laborversuche mit theoretischer Modellierung, um Prozesse wie Sublimation, Speicherung und Redistribution von Wasser besser zu verstehen. Ziel ist es, die Verfügbarkeit von Wasser realistisch einzuschätzen. Das ist eine zentrale Voraussetzung für langfristige robotische oder bemannte Präsenz auf dem Mond.

Regolith im Labor: Ressourcen aus Mondgestein

Am LIST angesiedelt ist auch das ESRIC. Hier werden physikalische Eigenschaften und das Verhalten von Mondstaub unter Mondbedingungen untersucht. Die lockere Schicht aus zerkleinertem Gestein, die die Mondoberfläche bedeckt, heißt Regolith. Und die ist nicht nur wissenschaftlich interessant. Sie gilt auch als potenzieller Rohstoff für zukünftige Missionen.

Ein Beispiel ist das Forschungsprojekt PARTICLE, das sich mit dem Verhalten feiner Partikel in veränderter Gravitation beschäftigt. Im Rahmen einer ESA-Parabelflugkampagne wurden Experimente unter Mikrogravitation durchgeführt. Dabei wurde analysiert, wie sich Staub transportiert, ablagert oder miteinander interagiert. Solche Prozesse sind entscheidend, um sowohl wissenschaftliche Messungen als auch technische Systeme für den Einsatz auf der Mondoberfläche realistisch planen zu können.

Parallel dazu erforscht Timon Schild  mechanische Eigenschaften von Regolith-Analoga. Das sind irdische Materialien, die Mondstaub sehr ähneln. Welche Struktur haben diese Partikel? Wie stabil sind Materialverbünde? Oder wie verhält sich Staub unter extremen Temperatur- und Druckbedingungen? Antworten auf diese und viele weitere Fragen sind eine wichtige Voraussetzung, um das Mondmaterial später einmal zu verarbeiten und eine Infrastruktur auf dem Himmelskörper aufzubauen.

Um diese Experimente durchführen zu können, stehen spezialisierte Testanlagen zur Verfügung, darunter eine Dusty Thermal Vacuum Chamber. In dieser Anlage lassen sich Vakuumbedingungen und starke Temperaturschwankungen simulieren, wie sie auf der Mondoberfläche auftreten. Die Kombination aus Laborversuchen, Simulation und experimenteller Infrastruktur schafft die wissenschaftliche Grundlage, um realistisch einschätzen zu können, welches Potenzial  Regolith tatsächlich hat.

Nach Einschätzung der LSA befindet sich die Kommerzialisierung des Mondes noch in einer frühen Phase und wird derzeit vor allem von staatlichen Programmen getragen. In den kommenden fünf bis zehn Jahren erwartet die Agentur jedoch verstärkte Aktivitäten beim Aufbau von Infrastruktur, Energieversorgung, Telekommunikation und ersten ISRU-Demonstrationen.

Kommunikation für Missionen jenseits der Erde

Neben Ressourcen- und Materialforschung spielen auch Kommunikations- und Testinfrastrukturen eine zentrale Rolle für künftige Mondmissionen. Vor allem das SnT an der Universität Luxemburg entwickelt Technologien für eine zuverlässige Datenübertragung zwischen Mondoberfläche, Satelliten in der Umlaufbahn und Erde.

Im LunaLab werden Navigations- und Steuerungssysteme unter realitätsnahen Bedingungen erprobt. Ergänzend arbeitet das 5G/6G-SpaceLab an Kommunikationslösungen, die eine stabile und leistungsfähige Datenübertragung auch jenseits der Erde ermöglichen sollen. Da zukünftige Missionen zunehmend autonom agieren und große Datenmengen erzeugen, gelten robuste Funk- und Netzwerklösungen als Grundvoraussetzung für wissenschaftliche Experimente ebenso wie für industrielle Anwendungen.

Auch experimentelle Testumgebungen wie das Zero G Lab tragen dazu bei, Technologien für veränderte Gravitationsbedingungen zu erproben und auf ihren Einsatz im Weltraum vorzubereiten.

Abbildungen: Links das LunaLab, rechts das Zero-G Lab am SnT an der Universität Luxemburg. (Credit: SnT, Universität Luxemburg)
 

Künstliche Intelligenz für den Mond

Mit dem „Lunar Foundation Model“ entsteht in Luxemburg ein KI-Modell, das speziell auf die Bedingungen des Mondes zugeschnitten ist. Das Projekt wird von der LSA gemeinsam mit Partnern aus Forschungseinrichtungen wie ESRIC und aus der Industrie vorangetrieben und soll große Mengen mondspezifischer Bild- und Sensordaten verarbeiten können.

Während viele heutige KI-Systeme mit erdnahen Datensätzen trainiert werden, erfordert die Mondumgebung eigene Modelle: Extreme Lichtverhältnisse, ungewöhnliche Schattenwürfe, staubige Oberflächen und eine stark reduzierte Atmosphäre stellen besondere Anforderungen an Bildanalyse und Navigation. Ein spezialisiertes Modell könnte etwa Geländestrukturen automatisch erkennen, potenzielle Gefahren identifizieren und verschiedene Datensätze – etwa zu Topografie oder möglichen Ressourcen – zusammenführen, um geeignete Standorte für Infrastruktur vorzuschlagen.

Abbildungen des KI-Modells (Credit: FDL Lunarlab / Trillium Technologies)

Darüber hinaus spielt KI eine Rolle bei der Koordination autonomer Systeme. Rover, Landeeinheiten oder stationäre Messinstrumente sollen künftig zunehmend selbstständig agieren. Das betrifft vor allem solch Orte, an denen Zeitverzögerungen in der Kommunikation schnelle Eingriffe von der Erde erschweren. Intelligente Datenverarbeitung wird damit zu einem zentralen Baustein für wissenschaftliche Exploration ebenso wie für technische Anwendungen.

Für die LSA ist diese Entwicklung mehr als ein Einzelprojekt. Digitale Werkzeuge wie das Lunar Foundation Model könnten künftig eine Schlüsselrolle bei Oberflächencharakterisierung und Missionsplanung spielen, erklärt Bo Byloos.

Autor: Kai Dürfeld (für scienceRELATIONS - Wissenschaftskommunikation)
Redaktion: Michèle Weber (FNR)