Als het aan NASA, het Chinese ruimteagentschap en talloze ruimtenerds rond de wereld ligt, leven we straks in een toekomst waarin mensen op de maan wonen. Maar waar gaan zij hun elektriciteit halen?
Het antwoord is eigenlijk best wel simpel. Je maakt gewoon ter plekke zonnepanelen van maanstof. Dit klinkt als sciencefiction, maar wetenschappers maken het stap voor stap werkelijkheid. Onderzoekers uit Duitsland en Italië hebben nu een manier bedacht om zonnecellen te maken van het losse materiaal dat de maan bedekt, ook wel regoliet genoemd.
Maangrond wordt maanglas
Materiaal naar de maan transporteren is duur. Het kost ongeveer één miljoen euro per kilogram materiaal. Daarom zochten de wetenschappers naar een oplossing met spullen die al op de maan zijn. Ze smolten gesimuleerd maanregoliet bij 1550 graden Celsius tot een soort glas, dat ze ‘maanglas’ noemen. Dit glas gebruiken ze als ondergrond voor hele dunne zonnecellen op basis van perovskiet, een veelbelovend materiaal voor zonne-energie dat slechts in kleine hoeveelheden vanuit de aarde aangevoerd hoeft te worden. Wetenschappers hoeven maar 1 kilogram perovskiet-materiaal naar de maan te transporteren om, samen met lokaal regoliet, ongeveer 400 vierkante meter zonnepanelen te produceren. Dat is genoeg om een basis voor zo’n 200 astronauten van stroom te voorzien, staat in de studie te lezen.
Waarom dit zo slim is
Normale zonnepanelen voor de ruimte zijn zwaar en leveren weinig energie per gram aangeleverd materiaal: zo’n 0,3 tot 1 watt. De nieuwe methode met maanglas en perovskiet doet het veel beter, met meer dan 22 watt per aangeleverde gram. Dat is 20 tot 100 keer meer energie voor hetzelfde gewicht dat naar de ruimte moet worden gebracht. “Kijk naar het ISS (Internationaal Ruimtestation, red.), waarvan de zonnepanelen zo’n 8000 kg wegen en 240 kilowatt energie leveren. Met onze aanpak kan diezelfde 240 kilowatt worden geleverd met zonnecellen die ter plekke worden gefabriceerd, gecombineerd met slechts 100 kg materiaal van de aarde”, vertelt Felix Lang, hoofdonderzoeker achter het project, aan Scientias.nl. Dit gewichtsvoordeel maakt het dus veel goedkoper om energie naar de maan te brengen, iets wat cruciaal is voor langdurige missies.
Hoe goed werkt het?
De onderzoekers testten in het laboratorium verschillende configuraties. Ze ontdekten dat het maanglas bij een dikte van 2 millimeter ongeveer 44 procent van het licht doorlaat, wat beperkend werkt voor het rendement. Maar zelfs met deze beperking bereikten ze al een energie-omzettingsefficiëntie van 8,6 procent. Wanneer ze het licht niet door het maanglas lieten schijnen maar vanaf de bovenkant (waar geen maanglas zit), steeg de efficiëntie tot 12,1 procent. Met verdere optimalisatie en dunnere glaslagen verwachten ze volgens Lang efficiënties tot 21 procent te kunnen bereiken.
Sterk tegen straling
Nog een cruciale ontdekking was de uitstekende stralingsbestendigheid van het maanglas. Op de maan is de stralingsbelasting namelijk veel hoger dan op aarde. “Traditioneel glas verkleurt onder stralingsblootstelling, wat problematisch is voor zonnecellen. Bij maanglas hebben we ervoor gekozen om regoliet zonder zuivering te gebruiken. We denken dat vooral de ijzeronzuiverheden in het maanglas de vorming van zogenaamde kleurcentra voorkomen, waardoor het glas helderder blijft onder straling”, zegt Lang. Na tests met zware straling hield het maanglas maar liefst 99,6 procent van zijn prestaties.
Toch nog uitdagingen
De technologie werkt in het lab, maar of het op de maan werkt, is misschien een ander verhaal. “De grootste uitdagingen bij het overbrengen van ons laboratoriumproces naar de maan zijn de lage zwaartekracht en het vacuüm. De lagere zwaartekracht kan leiden tot een andere glasvorming. Het vacuüm is problematisch voor onze huidige productietechniek, maar we werken al aan thermische verdampingsmethodes die juist gebruik kunnen maken van het natuurlijke vacuüm op de maan”, verduidelijkt Lang. Ook de extreme temperatuurwisselingen op de maan (het gaat er van heel heet naar heel koud) kunnen problemen geven omdat het glas en perovskiet anders uitzetten en krimpen. Het team test dit nu met experimenten.
Nog niet voor meteen
Nog een caveat: Voor kleine bases of maanwagens blijft het misschien makkelijker om zonnepanelen van de aarde mee te nemen. Enkel voor grotere maanbases wordt deze methode interessant. “Gezien het gewicht van de benodigde apparatuur heeft productie pas zin op een iets grotere schaal. Voor kleine habitats en rovers blijft het waarschijnlijk praktischer om zonnecellen van de aarde te importeren”, nuanceert Lang. Toch wilt het team al een kleine versie van de technologie testen op de maan. “Als we financiering kunnen verkrijgen, hopen we binnen 3 tot 7 jaar een werkend kleinschalig demonstratiemodel gereed te hebben voor lancering naar de maan.”
