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In jeder Diskussion über Weltraumrohstoffe kommt früher oder später das Thema „Helium-3 vom Mond“ auf. Spätestens seit Frank Schätzings SciFi-Thriller „Limit“ (2009) ist das Thema auch in einer breiteren Öffentlichkeit bekannt geworden. Im Buch betreibt ein US-Milliardär im Jahr 2024 (! Wie bald das mittlerweile ist…) eine Station auf dem Mond, um dort das seltene Helium-3 abzubauen und es in Kernfusionsreaktoren auf der Erde zu verbrennen. China will auch einen Teil des Helium-3-Kuchens, und die Ölkonzerne sind nicht glücklich über die Situation. Das Buch ist lesenswert, aber – ist es auch realistisch? Welches wirtschaftliche Potential hat das Helium-3 wirklich?
Zunächst ganz grundsätzlich, was ist Helium-3 und warum sollte man es abbauen wollen? Helium, das zweithäufigste Element im Universum, kommt in der Natur in zwei Varianten (Isotopen) mit unterschiedlicher Häufigkeit vor: Helium-3 und Helium-4. Während Helium-3 insgesamt seltener ist, ist es in der Erdatmosphäre besonders selten. Warum? Helium ist zu leicht, um von der Erde dauerhaft gebunden zu werden – es entweicht über Jahrmillionen in den Weltraum. Der Sonnenwind, ein Strom von elektrisch geladenen Atomen, der mit 400 km/s von der Sonne ausströmt, enthält zwar etwa 5% Helium (wobei etwa eines von 2200 Helium-Atomen ein Helium-3 ist), doch das Erdmagnetfeld hält ihn von der Erde fern. Das Helium der Erdatmosphäre wird stattdessen von zwei anderen Quellen nachgeliefert: Erstens aus Vulkanen, die sowohl Helium-3 als auch Helium-4 aus dem tiefen Erdinnern freisetzen. Zweitens der radioaktive Zerfall von Uran und Thorium, welcher ausschliesslich Helium-4 beiträgt. Insgesamt führt das zu einer Atmosphäre, in der nur eines von 700’000 Helium-Atomen ein Helium-3 ist. Auf dem Mond ist die Situation ganz anders: Der Mond hat weder eine Atmosphäre, noch ein Magnetfeld: seine Oberfläche ist dem Sonnenwind schutzlos ausgesetzt. Obwohl die Atome des Sonnenwinds nur ein paar Mikrometer tief in die Oberfläche des Mondes eindringen, bevor sie stecken bleiben, wird diese durch Asteroiden-Einschläge immer wieder umgeschichtet, so dass mindestens die obersten zehn Meter des Mondes mit Sonnenwind gesättigt sind. Der Beitrag des Sonnenwindes zum Mond-Helium ist sehr viel grösser als der Beitrag des radioaktiven Zerfalls von Uran und Thorium – Helium-3 ist deshalb vergleichsweise häufig.
Helium-3 kommt heute in der Wissenschaft (zur Kühlung auf sehr tiefe Temperaturen) und der Medizin (bildgebende Verfahren) zum Einsatz. Es kostet etwa 2000 Dollar pro Liter, oder 15 Millionen Dollar pro Kilogramm, und gehört damit zu den teuersten Substanzen überhaupt. Der Weltbedarf beträgt aber etwa 60’000 Liter oder 8 kg pro Jahr. Praktisch alles kommerziell erhältliche Helium-3 stammt aus dem Zerfall des radioaktiven Wasserstoff-Isotops Tritium (Halbwertszeit 12.3 Jahre) aus Kernfusions-Bomben und aus Kernreaktoren. Der heutige Helium-3 Markt ist nicht gross genug, um einen Abbau auf dem Mond zu rechtfertigen, denn der Preis würde mit der neuen Quelle rasch sinken: auf der Höhe des Kalten Krieges, als noch viel mehr Kernfusions-Bomben existierten, lag er bei 100 Dollar pro Liter. Es scheint nicht plausibel, dass man bei diesem Preis (750’000 Dollar pro kg) die Versorgung vom Mond finanzieren könnte.
Langfristig gesehen ist jedoch ein sehr viel grösserer Markt für Helium-3 denkbar, der einen Abbau auf dem Mond wirtschaftlich machen könnte: als Brennstoff für fortschrittliche Kernfusions-Reaktoren. Experimentelle Kernfusionsreaktoren verwenden heute fast ausschliesslich Deuterium-Tritium (DT) als Brennstoff. Bei der Fusion dieser beiden Wasserstoff-Isotope wird jedoch stets ein energiereiches Neutron freigesetzt. Diese Neutronen können nicht durch Magnetfelder gelenkt werden, weshalb sie in die Reaktorwand prallen und dort Kernreaktionen auslösen: dadurch wird das Reaktorgehäuse radioaktiv und muss nach einer gewissen Zeit entsorgt werden – als radioaktiver Abfall. Kernfusionskraftwerke, wie sie heute geplant werden, sind also keineswegs so „sauber“ wie manchmal behauptet wird.
Die Fusion von zwei Helium-3 Atomen hingegen führt nicht zu Radioaktivität, denn es entstehen zwei Protonen und ein Helium-4, die mit magnetischen Feldern von den Reaktorwänden ferngehalten werden können. Die Fusion von Helium-3 mit Deuterium ist auch möglich, liefert etwas mehr Energie pro Reaktion, aber durch die unvermeidbare Fusion von Deuterium-Kernen untereinander (DD) entstehen wieder Neutronen, Tritium und damit etwas Radioaktivität, allerdings deutlich weniger als bei DT. Das Problem aber ist, dass beide Reaktionen mit Helium-3 sehr viel höhere Temperaturen brauchen als DT. Die heute und in naher Zukunft existierenden experimentellen Kernfusionsreaktoren sind also gar nicht in der Lage, Helium-3 als Brennstoff zu nutzen. Das käme frühestens für eine zweite Reaktoren-Generation in Frage. Attraktiv ist die Idee trotzdem: der heutige Weltstrombedarf könnte mit nur gerade 200-300 Tonnen Helium-3 pro Jahr gedeckt werden. Wollte man den heutigen Weltstrombedarf aus bestehenden kommerziellen Reserven decken, wären diese nach nur 6 Stunden aufgebraucht. Das gesamte Helium-3 in der Atmosphäre wäre bereits nach einem Jahrhundert erschöpft.
Doch wie sieht es auf dem Mond aus? Hier vermutet man eine Million Tonnen, die den heutigen Weltstrombedarf für 3300 Jahre decken könnten. Um das Helium-3 zu extrahieren, müsste der Regolith, die oberste Staubschicht des Mondes, auf etwa 900°C aufgeheizt werden. Dann müsste – z.B. durch Kühlung – das Helium von den restlichen Gasen getrennt werden. Am Ende müsste es auch noch vom Helium-4 abgetrennt werden, entweder durch weitere Kühlung, oder durch eine andere Anreicherungsmethode (z.B. Zentrifugen). Der Ertrag ist nicht sehr hoch: Bei einer typischen Konzentration von 3.3 ppb (Teile pro Milliarde) enthält eine Tonne Regolith etwa 3.3 Milligramm Helium-3. Um die 300 Tonnen Helium-3 zu produzieren, müssten pro Jahr 90 Milliarden Tonnen Regolith verarbeitet werden. Ein grosser Tagbau-Bagger der „Garzweiler“-Klasse (siehe Titelbild) schafft etwa 240’000 Tonnen pro Tag – es wären also gut 1000 Stück davon nötig. Bei zehn Metern Abbautiefe müssten pro Jahr 4500 Quadratkilometer umgegraben werden, also alle neun Jahre eine Fläche von der Grösse der Schweiz. Ein gewaltiger Aufwand, der – bei Strompreisen von 3 Cent pro Kilowattstunde – mit etwa 300 Milliarden Dollar pro Jahr gedeckt werden müsste.
Der Aufwand mag gewaltig sein, aber lohnt es sich wenigstens energetisch? Der Transport der Erde erfordert eine Geschwindigkeitsveränderung („Delta-v“) von etwa 2.4 km/s. Das entspricht einer Energie von 2.9 Megajoule pro Kilogramm. Dazu kommt aber die Aufheizung auf 900°C (von ca. 100°C auf der Tagseite). Bei einer typischen Wärmekapazität von 600 J/kgK sind das etwa 500 Megajoule pro Tonne Regolith. Für ein Kilogramm Helium-3 müssen 300’000 Tonnen Regolith entgast werden, dafür sind insgesamt 150 Terajoule (Millionen Megajoule) nötig. Der Energieaufwand für das Abtrennen von anderen Gasen sowie von Helium-4 kommen noch dazu. Der nominelle Brennwert von Helium-3 (in der saubersten Fusions-Variante) beträgt gut 210 Terajoule pro Kilogramm, und das ist noch vor Effizienz-Verlusten gerechnet. Insgesamt halten sich der energetische Aufwand und der energetische Ertrag in etwa die Waage, was nie ein gutes Zeichen für einen Energierohstoff ist. Trotzdem: der mögliche Energie-Ertrag ist 70 Millionen Mal grösser als der Aufwand, um das Helium-3 vom Mond zur Erde zu transportieren. Das heisst – wie beim Erdöl auf der Erde – die Transportkosten spielten beim Preis kaum eine Rolle. Das eröffnet neue Möglichkeiten: Wenn wir einen Ort finden, an dem die Bedingungen für die Helium-3-Gewinnung besser sind als auf dem Mond, können auch grössere Distanzen bzw. grössere Delta-v problemlos verkraftet werden. Tatsächlich gibt es solche Orte im Sonnensystem: die Atmosphären der Gasriesen.
Uranus ist der massenärmste der Gasriesen, das heisst, man kommt von ihm am leichtesten wieder weg. Der Energieaufwand, um ein Kilogramm Helium-3 aus der Uranus-Atmosphäre zur Erde zu bringen, ist mit ca. 450 Megajoule pro Kilogramm zwar fast 200 Mal höher als beim Mond. Aber im Gegensatz zum Mond liegt das Helium-3 in der Uranus-Atmosphäre bereits als Gas vor – es macht bereits 0.005% der Atmosphäre aus und muss nur noch von den anderen Gasen abgetrennt werden. Darüber hinaus ist es auch nahezu unerschöpflich: Insgesamt gibt es etwa 400 Billiarden Tonnen Helium-3 in der Uranus-Atmosphäre. Genug, um den 300’000-fachen Weltstromverbrauch (heute) für die nächsten 5 Milliarden Jahre zu decken. Wenn Helium-3-Fusion auf der Erde jemals funktioniert, dann scheint es deshalb plausibel, dass man das Gas direkt auf dem Uranus holen wird – und damit die uralte, schöne Mondoberfläche für die Touristen bewahrt.
Hinweis: Dieser Artikel wurde als Reaktion auf drei Leserkommentare (siehe unten) drei Mal aktualisiert. Danke!