In-situ resourcegebruik (ISRU): grondstoffen winnen op de Maan en Mars
Stel je voor dat je een poolexpeditie organiseert, maar alles wat je onderweg nodig hebt — water, brandstof, bouwmateriaal voor een schuilhut — vanuit Nederland moet meeslepen. Elke liter water en elke plank hout kost extra ruimte, gewicht en geld. Een slimmere aanpak is om ter plekke sneeuw te smelten voor drinkwater en lokaal hout te gebruiken om een onderkomen te bouwen. Dat principe, grondstoffen gebruiken die je al ter plaatse aantreft in plaats van alles mee te nemen, heet in de ruimtevaart in-situ resourcegebruik, afgekort ISRU (In-Situ Resource Utilization).
In de ruimtevaart gaat het dan niet om sneeuw en hout, maar om zaken als het stof en gesteente op de Maan (het zogeheten regoliet), waterijs verstopt in eeuwig donkere maankraters, of de kooldioxide in de dunne Mars-atmosfeer. Met de juiste apparatuur kun je daar zuurstof, water of zelfs raketbrandstof uit maken. Dat klinkt aantrekkelijk, want elke kilo die je niet vanaf de Aarde hoeft te lanceren, scheelt enorm veel geld: een lancering naar de Maan of Mars kost al snel tienduizenden dollars per kilogram vracht. ISRU is dan ook een van de sleuteltechnologieën waar ruimtevaartorganisaties op inzetten voor langdurige aanwezigheid buiten de Aarde, al staat de techniek nog grotendeels in de kinderschoenen.
Wat is het precies?
ISRU begint met het vinden en karakteriseren van een grondstof. Op de Maan speurt men vooral naar waterijs, dat vermoedelijk zit opgeslagen in permanent beschaduwde kratergebieden bij de zuidpool, plekken waar nooit zonlicht komt en de temperatuur onder de -200°C kan zakken. Op Mars is de belangrijkste grondstof juist de atmosfeer zelf: die bestaat voor ruim 95 procent uit kooldioxide (CO2).
Voor water op de Maan denken ingenieurs aan boren of verwarmen van regoliet, waarna het vrijkomende waterdamp wordt opgevangen en weer condenseert tot vloeibaar water. Dat water kan direct gedronken worden, maar is ook grondstof voor iets anders: via elektrolyse (het splitsen van een molecuul met behulp van elektrische stroom) valt water uiteen in waterstof (H2) en zuurstof (O2). Die zuurstof is te gebruiken om te ademen, en beide gassen samen vormen een bruikbare raketbrandstofcombinatie.
Op Mars werkt het net iets anders: daar wordt CO2 uit de atmosfeer gezogen en met een chemisch proces (zoals de Sabatierreactie, waarbij CO2 en waterstof onder hitte en met een katalysator worden omgezet in methaan en water) of via directe elektrolyse omgezet in zuurstof en/of brandstof. NASA's MOXIE-experiment gebruikte bijvoorbeeld vaste-oxide-elektrolyse: bij hoge temperatuur (rond 800°C) wordt CO2 direct gesplitst in zuurstof en koolstofmonoxide.
Een derde toepassing is het gebruik van regoliet als bouwmateriaal: gesmolten of samengeperst maan- of Mars-stof kan dienen voor 3D-geprinte funderingen, landingsplatforms of stralingsschermen, zodat je geen cement of staal hoeft mee te nemen. Ook wordt onderzocht of metalen zoals ijzer, aluminium en silicium uit regoliet te winnen zijn, bijvoorbeeld via het smelten van gesteente onder elektrische stroom ("molten regolith electrolysis"), wat behalve metaal ook zuurstof als bijproduct oplevert.
Wat wil men ermee bereiken?
De kern van het idee is simpel: hoe minder je van de Aarde hoeft mee te nemen, hoe goedkoper en haalbaarder een langdurige missie wordt. Voor een bemande Mars-missie is bijvoorbeeld veel meer brandstof nodig voor de terugreis dan voor de heenreis, en die brandstof vooraf klaarzetten op Mars via ISRU scheelt in potentie tientallen tonnen aan lanceermassa vanaf de Aarde.
Daarnaast is ISRU essentieel voor wat NASA en andere ruimtevaartorganisaties een "duurzame aanwezigheid" noemen: geen korte vlaggen-en-voetafdrukken-missie zoals Apollo, maar een basis waar mensen langere tijd kunnen verblijven, met lokaal geproduceerd water, zuurstof en later misschien voedsel. Daarnaast speelt een economisch motief: sommige bedrijven en overheden zien in de winning van maan- en asteroïdegrondstoffen een toekomstige markt, al is dat vooralsnog grotendeels toekomstmuziek en onderwerp van discussie over eigendom en internationaal recht (de Artemis Accords en een Luxemburgse wet uit 2017 proberen hier een juridisch kader voor te scheppen, maar het is geen wereldwijd gedragen regeling).
Voorbeelden uit de praktijk
MOXIE op de Perseverance-rover (2021-2023). Dit koelkastgrote instrument, ontwikkeld door NASA en MIT, landde in februari 2021 op Mars en zette bij een reeks testruns CO2 uit de Mars-atmosfeer om in zuurstof. Over de hele missie produceerde het instrument in totaal ruim honderd gram zuurstof, in kleine hoeveelheden per run. Dat is te weinig om iemand echt mee te laten ademen, maar het experiment toonde vooral aan dat het proces onder Mars-omstandigheden werkt en herhaalbaar is. In de zomer van 2023 werd MOXIE definitief uitgezet, na de laatste geplande testrun.
NASA's VIPER-rover (ontwikkeld tot 2024, daarna geannuleerd). Deze rover moest naar de zuidpool van de Maan om waterijs op te sporen en te karakteriseren, als voorbereiding op toekomstige waterwinning voor het Artemis-programma. In 2024 annuleerde NASA de missie alsnog, ondanks dat de rover al grotendeels gebouwd was, vanwege oplopende kosten en vertragingen in het landingsprogramma. Het besluit veroorzaakte veel discussie in de ruimtevaartsector en laat zien hoe kwetsbaar dit soort verkennende ISRU-missies zijn voor budgetdruk.
ESA's PROSPECT-boor. Dit Europese instrument was ontworpen om water en andere vluchtige stoffen uit maanregoliet te boren en te analyseren, oorspronkelijk bedoeld voor de Russische Luna-27-missie. Na de Russische invasie van Oekraïne in 2022 zette ESA de samenwerking met Roscosmos stop, waardoor PROSPECT zonder lift naar de Maan kwam te zitten; ESA zoekt sindsdien naar een alternatieve missie om het instrument alsnog te lanceren.
Blue Origin's "Blue Alchemist" (aangekondigd in 2023). Dit is een door Blue Origin ontwikkeld laboratoriumproces dat via elektrolyse van gesmolten regoliet zuurstof en metalen als ijzer en silicium wint, met als extra doel om van dat silicium zonnecellen te maken, in theorie dus energie-infrastructuur die grotendeels ter plekke op de Maan gebouwd zou kunnen worden. Het proces is tot dusver alleen in laboratoriumomstandigheden met simulant-regoliet (kunstmatig nagemaakt maanstof) gedemonstreerd, niet op de Maan zelf.
China's Chang'e-8-missie (gepland voor rond 2028). Deze missie, onderdeel van China's opbouw naar een internationaal maanstation (International Lunar Research Station, samen met onder meer Rusland), moet onder meer 3D-printtechnieken met regoliet en eerste ISRU-experimenten testen als voorbereiding op een permanente basis bij de zuidpool van de Maan.
Hoe ver is de techniek?
Op dit moment is ISRU vooral bewezen in laboratoria op Aarde en met kleine, kortlopende experimenten in de ruimte. MOXIE liet zien dat het basisprincipe op Mars werkt, maar op een schaal die honderden tot duizenden keren kleiner is dan wat nodig zou zijn om daadwerkelijk astronauten van zuurstof of brandstof te voorzien. Voor waterwinning op de Maan is er tot nu toe nog geen enkel instrument geweest dat daadwerkelijk water uit regoliet heeft gewonnen op de Maan zelf; de aanwezigheid van waterijs is vooral afgeleid uit orbitale metingen en de inslagmissie LCROSS uit 2009, niet uit directe boringen.
De annulering van VIPER in 2024 is illustratief voor de obstakels: het gaat niet alleen om technische haalbaarheid, maar ook om kosten, planning en politieke prioriteiten, die snel kunnen verschuiven. Andere praktische obstakels zijn de extreme kou in beschaduwde maankraters (wat batterijen en elektronica zwaar op de proef stelt), het zeer schurende, scherpe regolietstof dat machines snel kan slijten, de grote energiebehoefte van elektrolyse- en verhittingsprocessen, en de noodzaak tot autonome besturing omdat communicatie met de Aarde vertraging heeft (op Mars enkele minuten) of, bij de Maan-zuidpool, doorlopende duisternis het gebruik van zonne-energie bemoeilijkt.
Kortom: het basisprincipe is aangetoond, maar opschalen naar een systeem dat betrouwbaar genoeg is om mensenlevens van te laten afhangen, is nog niet gebeurd. De meeste experts schatten dat dit nog een kwestie van jaren tot mogelijk een decennium is, met nadrukkelijk het voorbehoud dat eerdere planningen (zoals bij VIPER) al vaker zijn uitgelopen of geschrapt.
Wie werken eraan?
NASA is de meest zichtbare speler, via onder meer het Johnson Space Center, Kennedy Space Center en Glenn Research Center, en via het Artemis-programma dat mikt op een bemande landing bij de maanzuidpool. Het Europese ruimtevaartagentschap ESA werkt aan instrumenten zoals PROSPECT en aan regoliet-verwerkingsconcepten, vaak in samenwerking met Europese universiteiten en bedrijven. Japan (JAXA) en China (CNSA) hebben eigen programma's; China bouwt via de Chang'e-missies stapsgewijs toe naar het International Lunar Research Station, een project dat het samen met Rusland en enkele andere landen ontwikkelt als tegenhanger van het door de VS geleide Artemis-programma en de bijbehorende Artemis Accords.
Aan de private kant investeren onder meer Blue Origin (met Blue Alchemist en het Honeybee Robotics-onderdeel, gespecialiseerd in boor- en grondmonstertechnologie) en SpaceX (dat op de lange termijn Mars-brandstofproductie via het Starship-programma voorziet, vooralsnog vrijwel volledig conceptueel) in ISRU-gerelateerde technologie. Ook onderzoeksinstituten als het Center for Space Resources aan de Colorado School of Mines in de Verenigde Staten en diverse technische universiteiten in Europa en Azië doen fundamenteel onderzoek naar regolietverwerking en extractietechnieken.