Die glänzende Folie, die Läufer nach einem Marathon umgehängt bekommen, könnte eines Tages Mondbasen vor Hitze und Kälte schützen. Ingenieure der University of Pennsylvania haben Hunderte Lagen des Kunststoffs Mylar, aus dem auch Rettungsdecken bestehen, zu einer Wärmedämmung für das Vakuum gestapelt. Die Stapel isolieren ähnlich gut wie die besten bekannten Vakuumdämmstoffe und halten zugleich enormen Druck aus. Noch sind die Proben allerdings nur etwa einen Quadratzentimeter groß und werden von Hand mit der Pinzette geschichtet.
Wer einen Marathon läuft, kennt sie aus dem Zielbereich. Damit der ausgekühlte Körper nicht zu viel Wärme verliert, bekommen die Läufer eine knisternde, silbrig glänzende Rettungsdecke um die Schultern gelegt. Der Grundstoff dieser Decken ist eine hauchdünne Kunststofffolie aus biaxial orientiertem Polyethylenterephthalat, kurz BoPET, die unter dem Markennamen Mylar bekannt ist. Mit Aluminium bedampft wirft sie die Wärmestrahlung des Körpers zurück. Unbeschichtet steckt derselbe Kunststoff in Frischhaltefolien, Verpackungen und Bauteilen der Raumfahrt.
Genau dieses Alltagsmaterial wollen Forscher der University of Pennsylvania nun auf den Mond bringen. Ein Team um den Maschinenbauingenieur Igor Bargatin und die Erstautorin Danielle Levin hat dünne Mylar-Folien zu dichten Paketen mit Hunderten Lagen geschichtet und deren Dämmwirkung im Vakuum gemessen. Die Forscher nennen die Stapel „hybrid layered insulating film stacks“, kurz HyLIFS. Laut der Mitteilung von Penn Engineering vereinen sie zwei Eigenschaften, die selten zusammen auftreten: Sie dämmen sehr gut und sind zugleich mechanisch robust. Die Ergebnisse sind im Fachjournal ACS Applied Materials & Interfaces erschienen.
Auf dem Mond gibt es keine Atmosphäre, die Wärme speichert oder verteilt. Entsprechend extrem schwanken die Temperaturen. Nach Messungen des Instruments Diviner an Bord der NASA-Sonde Lunar Reconnaissance Orbiter erreicht der Boden am Mondäquator zur Mittagszeit rund 114 bis 124 Grad Celsius und kühlt bis kurz vor Sonnenaufgang auf etwa minus 178 Grad Celsius ab. In ständig beschatteten Kratern nahe den Polen hat die Sonde laut NASA sogar Werte unter minus 246 Grad Celsius gemessen. Hinzu kommt der langsame Takt des Mondtages. Ein Tag und eine Nacht dauern dort jeweils rund zwei Wochen, sodass eine Station nicht nur ein paar kalte Stunden, sondern etwa vierzehn Erdtage Dunkelheit überstehen muss.
Gleichzeitig wächst der Bedarf an solchen Lösungen. Die NASA hat mit Artemis II im April 2026 erstmals seit mehr als 50 Jahren wieder Astronauten um den Mond geschickt. Nach einem Testflug in der Erdumlaufbahn im Jahr 2027 soll mit Artemis IV im Jahr 2028 die erste Landung in der Nähe des Mondsüdpols folgen, mit Artemis V will die Raumfahrtbehörde danach beginnen, eine Mondbasis aufzubauen. Auch China verfolgt eigene Pläne und möchte bis 2035 eine Mondstation errichten. Jedes Modul, jeder Rover und jeder Raumanzug, der dort lange arbeiten soll, braucht eine Hülle, die Wärme drinnen und Hitze draußen hält.
Das Problem beschreiben die Forscher als grundsätzlichen Zielkonflikt. Viele der besten Dämmstoffe sind mechanisch empfindlich. Aerogele etwa bestehen größtenteils aus Hohlräumen, was sie extrem leicht macht und hervorragend isolieren lässt, sie aber auch anfällig für Bruch und Stöße macht. Auf der Erde werden sie inzwischen sogar im Bau getestet, wo Aerogel Häuser besser isoliert als dicker Putz. In der Raumfahrt hat sich vor allem die sogenannte Mehrlagenisolierung bewährt. Das sind die gold- oder silberfarbenen Hüllen vieler Satelliten und Sonden, bei denen reflektierende Folien durch Abstandshalter voneinander getrennt sind. Sie bremsen die Wärmestrahlung sehr wirksam, sind aber laut den Forschern nicht dafür gemacht, Lasten zu tragen, und reißen bei Berührung leicht ein. Werden die Lagen zusammengedrückt, berühren sie sich, und die Dämmwirkung bricht ein.
Für eine Mondbasis ist das ein echtes Hindernis. Material muss eng verpackt zum Mond transportiert, dort verbaut und über Jahre benutzt werden. „Man könnte diese Stapel zur Dämmung einer Mondstation verwenden, aber Astronauten werden unweigerlich kleine Unfälle haben, bei denen sie dagegenstoßen“, sagt Bargatin. Für einen langen Aufenthalt auf dem Mond seien deshalb robuste Materialien wichtig, die lange genug halten. Die ideale Dämmung sei zugleich unempfindlich gegen Beschädigung und gegen Wärmeverlust.
Im Vakuum funktioniert Dämmung anders als in der Hauswand. Weil keine Luft vorhanden ist, fällt der Wärmetransport durch strömendes Gas weg. Übrig bleiben zwei Wege, nämlich Wärmestrahlung und Wärmeleitung über Stellen, an denen sich feste Körper berühren. Jede Folienlage wirkt als zusätzliche Barriere gegen die Strahlung, und an jeder Grenzfläche zwischen zwei Lagen stockt der Wärmefluss, weil sich die Folien nur an wenigen Punkten tatsächlich berühren. Nach demselben Prinzip arbeitet eine Thermoskanne, deren doppelte Wand einen luftleeren Spalt umschließt und deren verspiegelte Innenflächen die Wärmestrahlung zurückwerfen.
Für ihre Stapel nutzten die Forscher Mylar-Folien mit Dicken von 2,5, 5 und 12,5 Mikrometern, also deutlich dünner als ein menschliches Haar. Einen Teil der Folien überzogen sie ein- oder beidseitig mit einer extrem dünnen Schicht Aluminiumoxid, die per Atomlagenabscheidung aufgebracht wurde und die Folien steifer macht. Auf einen Millimeter Stapelhöhe kamen so nominell 80 bis 400 Lagen. Im Vakuum erreichten die besten Stapel eine Wärmeleitfähigkeit von nur 2,2 Milliwatt pro Meter und Kelvin. Gemessen wurde das bei einem Anpressdruck von 0,1 Megapascal, was etwa dem Luftdruck auf der Erde entspricht und damit der Belastung, die in einer Mondstation mit normaler Atemluft auf eine Dämmschicht drückt, sowie bei Temperaturen zwischen 35 und 120 Grad Celsius. Zum Vergleich leitet ruhende Luft Wärme mit rund 26 Milliwatt pro Meter und Kelvin, also mehr als zehnmal so gut. Laut der Studie liegen die Stapel damit im Bereich von Aerogelen und Vakuumdämmplatten unter Vakuumbedingungen.
Überraschend war vor allem die Belastbarkeit. In getrennten mechanischen Tests pressten die Forscher die Proben auf mehr als 20 Megapascal zusammen. Nach Angaben der Universität entspricht das etwa 91 Kilogramm, die auf die Fläche einer Fingerkuppe drücken. „Wir hatten Sorge, dass das Material bei so hoher Druckbelastung versagt“, erinnert sich Levin. „Aber die Stapel überstanden nicht nur einen einzigen Hochlastzyklus, sondern zehn hintereinander.“ Die beschichteten Stapel behielten ihre Dämmwirkung selbst bei den höchsten Drücken, die mit der Laborausrüstung erreichbar waren. Laut der Studie halten sie damit deutlich höhere Drücke aus als Aerogele oder unbeschichtete Schichtdämmungen, ohne dass sich ihre mechanischen oder thermischen Eigenschaften im untersuchten Temperaturbereich nennenswert verschlechtern.
„Diese Mylar-Stapel können sich biegen, erheblichen Druck aushalten und behalten ihre Dämmleistung“, sagt Bargatin. Damit ließen sie sich womöglich verpacken, transportieren und über viele Jahre auch grobe Behandlung überstehen. Levin sieht darin einen Weg zu einer günstigen, langlebigen und wiederverwendbaren Dämmung für den Mond. Neben Mondstationen nennen die Forscher Raumanzüge, Rover und Elektronik als mögliche Einsatzgebiete.
Eine Rolle spielt dabei ein Detail, das bislang kaum Beachtung fand. Sehr dünne Kunststofffolien haften leicht aneinander, was ihre Herstellung und Verarbeitung erschwert. Hersteller mischen deshalb mikroskopisch kleine sogenannte Antiblock-Partikel in das Material, die ein wenig aus der Oberfläche herausragen und wie Abstandshalter verhindern, dass benachbarte Lagen verkleben. Die Modellrechnungen des Teams zeigen, dass die Wärme im Vakuum vor allem genau an diesen Stellen von einer Folie zur nächsten wandert, also an den winzigen Punkten, an denen die Partikel die Nachbarfolie berühren. Am besten passte dieses Modell zu den Messdaten bei hohen Anpressdrücken.
Daraus ergab sich auch eine Erklärung für ein unerwartetes Ergebnis. Eigentlich hatten die Forscher erwartet, dass die dünnsten Folien am besten dämmen, weil mehr Lagen und damit mehr Grenzflächen in denselben Raum passen. Mit Aluminiumoxid beschichtet schnitten die dünnsten erfolgreich vermessenen Folien jedoch ähnlich ab wie die mittleren. Die Forscher vermuten, dass die Partikel in den dünnen Folien mehr Kontakte zwischen den Lagen erzeugen und so zusätzliche Wege für die Wärme öffnen. „Wenn man die Lagen zusammendrückt, verändert sich die Kontaktlandschaft“, erklärt Levin. Künftig ließen sich Größe, Anzahl und Verteilung der Partikel gezielt einstellen, um noch niedrigere Wärmeleitfähigkeiten zu erreichen.
Bis zum Einsatz auf dem Mond ist es noch ein weiter Weg. Die Proben sind bislang nur etwa einen Quadratzentimeter groß, und ihre Herstellung ist mühsam. „Wir benutzen zwei Pinzetten und kleine Gewichte, um die empfindlichen Folien zu handhaben und zu stapeln“, beschreibt Levin. „Schon ein Atemzug in der Nähe des Stapels kann die Lagen durcheinanderwirbeln.“ Das Zuschneiden und Schichten von Hand dauert Stunden. Für eine praktische Dämmung wären meterlange Bahnen nötig, die etwa aus großen, fortlaufend beschichteten Folienrollen gewickelt werden könnten. Ob die Stapel dann wiederholtes Biegen, Kratzer und Stöße im Alltag ebenso gut überstehen, ist noch offen.
Hinzu kommen Bedingungen, die im Labor nicht geprüft wurden. Die Wärmeleitfähigkeit wurde zwischen 35 und 120 Grad Celsius gemessen, die bitterkalte Mondnacht mit Werten weit unter minus 100 Grad Celsius lag also außerhalb des untersuchten Bereichs. Auch Langzeittests unter Weltraumstrahlung, starker ultravioletter Strahlung oder dem scharfkantigen, an allem haftenden Mondstaub stehen noch aus. Gerade in den Polregionen, wo Missionen wie Artemis landen sollen, liegen zudem einige der kältesten Orte des Sonnensystems, darunter dunkle Krater, in die nie Sonnenlicht fällt.
Trotzdem zeigt die Arbeit, wie viel in scheinbar bekannten Materialien steckt. Ausgerechnet ein Kunststoff, der als Rettungsdecke, Verpackung und Frischhaltefolie zum Alltag gehört, könnte eine der schwierigsten Aufgaben einer Mondbasis lösen helfen, nämlich Wärme zu halten, ohne beim ersten Stoß nachzugeben. „Die einfachste Anordnung hat sich am Ende als die beste erwiesen“, sagt Levin.
University of Pennsylvania, Penn Engineers Turn Everyday Mylar Into a Promising Insulator for the Moon
ACS Applied Materials & Interfaces, Robust Layered Thermal Insulator Film Stacks for Vacuum Applications; doi:10.1021/acsami.6c09126
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