Wassergewinnung auf dem Mars — Eisressourcen, Energiebilanzen und ISRU-Verfahren

Abstract

Wasser ist für eine bemannte Marsinfrastruktur zugleich Verbrauchsgut, Sauerstoffquelle, möglicher Treibstoffrohstoff und strahlenschutzrelevantes Material. Die entscheidende technische Frage lautet deshalb nicht mehr, ob der Mars Wasser besitzt, sondern in welcher Form, Tiefe und Konzentration es erreichbar ist und mit welchem Energie- und Anlagenaufwand es gewonnen werden kann.

Mehrere unabhängige Messlinien belegen oberflächennahes bis meter-tiefes Wassereis in mittleren und hohen Breiten. Phoenix legte Eis bereits in wenigen Zentimetern Tiefe frei; HiRISE-Beobachtungen zeigen in mittleren Breiten mächtige, lokal nahezu reine Eisschichten. Diese Ressourcenklassen sind technisch nicht gleichwertig: Poreneis in trockenem Regolith verlangt das Aufheizen großer Feststoffmassen, während massives Eis andere Bohr-, Schmelz- und Förderpfade eröffnet.

Die Energiebilanz setzt eine harte Untergrenze. Die Sublimationsenthalpie von Wassereis liegt bei ungefähr 2,83 MJ/kg beziehungsweise 0,79 kWh/kg. Wird kaltes Eis zusätzlich aufgeheizt, liegt der thermodynamische Mindestbedarf für einen reinen Sublimationspfad grob um 0,83 kWh pro kg gewonnenem Wasser. Reale Systemstudien liegen darüber und zeigen eine starke Abhängigkeit vom Eisgehalt, der Wärmeführung und der Dampferfassung. Für untersuchte thermische Extraktionspfade liegen typische Größenordnungen etwa im Bereich von 0,9 bis mehreren kWh pro kg Wasser; bei sehr eisarmem Material steigen die Werte deutlich.

Mikrowellenheizung besitzt reale Vorteile durch volumetrische und selektive Energieeinbringung sowie potenziell geringeren Aushub. Daraus folgt jedoch nicht automatisch die beste Nettoenergiebilanz. Eindringtiefe, kryogene dielektrische Verluste und vor allem Rekondensation des erzeugten Wasserdampfs können offene In-situ-Verfahren stark verschlechtern. Geschlossene thermische Reaktoren und Schmelzverfahren bleiben deshalb wichtige Vergleichsarchitekturen.

Atmosphärische Wassergewinnung ist technisch möglich, aber wegen des geringen und stark saisonalen Wasserdampfangebots als primäre Großversorgung derzeit ungünstig. Perchlorate sind dagegen kein hypothetisches Problem, sondern ein gemessener Bestandteil des Marsbodens und müssen bei einer Nutzung von Regolithwasser als reale Aufbereitungs- und Werkstoffrandbedingung berücksichtigt werden.

Epistemische Marker

• [R] REAL / ETABLIERT — direkt gemessener oder durch belastbare Primärliteratur gestützter Befund.
• [T] THEORETISCH / MODELLABHÄNGIG — quantitative Ableitung oder Systemvergleich, dessen Ergebnis von Randbedingungen und Architektur abhängt.
• [H] HYPOTHETISCH / OFFEN — technisch plausible, aber nicht hinreichend experimentell entschiedene Aussage.

Dieses Dokument behandelt ausschließlich reale Marsforschung und ISRU-Technik. Fiktionale Technikobjekte, Spielbalancing, OTA-Kanon oder metaphysische Deutungen gehören nicht zu seinem Gegenstand.

I. Wo liegt nutzbares Wasser? [R]

1.1 Oberflächennahes Eis

Die Existenz von Wassereis im Marsuntergrund ist durch mehrere unabhängige Datensätze belegt. Besonders relevant für eine technische Nutzung sind Ressourcen, die ohne kilometerlange Tiefbohrungen erreichbar sind.

Phoenix beobachtete 2008/2009 in seinen Grabungsstellen helle Ablagerungen in etwa 5 bis 18 cm Tiefe, deren zeitliche Veränderung mit Wassereis vereinbar war. Smith et al. beschrieben diese Befunde 2009 in Science.

Dundas et al. zeigten 2018 anhand von HiRISE-Aufnahmen freigelegte Eisadern beziehungsweise Eisschichten in mittleren Breiten. Einige Expositionen reichen über mehr als 100 m vertikal und sprechen lokal für sehr eisreiche bis nahezu reine Lagerstätten. Damit ist eine einfache Obergrenze wie „maximal 40 Gew.-% Eis“ keine allgemeine Beschreibung der Marsressourcen.

1.2 Ressourcenklasse statt Einzelwert

Für die Technik ist mindestens zwischen drei Klassen zu unterscheiden:

1. eisarmes Regolithmaterial, bei dem eine große Trockenmasse pro kg Wasser erwärmt und bewegt werden muss;
2. poreneishaltiger beziehungsweise eisreicher Regolith, bei dem thermische Extraktion realistisch wird;
3. massives oder nahezu massives Eis, das Bohr-, Schmelz- oder Rodwell-artige Systeme begünstigen kann.

Die Wirtschaftlichkeit hängt damit nicht nur vom Wasseranteil ab, sondern auch von Überdeckung, Härte, Temperatur, Geländezugang, Stromversorgung, Dampferfassung und gewünschter Produktionsrate. Ein universeller Grenzwert von beispielsweise 2 oder 5 Gew.-% ist wissenschaftlich nicht ableitbar. [T]

II. Phasenphysik unter Marsbedingungen [R/T]

Der Tripelpunkt von Wasser liegt bei 611,657 Pa und 273,16 K. Der globale mittlere Marsoberflächendruck liegt in derselben Größenordnung, variiert jedoch stark mit Höhe und Jahreszeit. Deshalb ist die verkürzte Aussage „auf dem Mars gibt es unter keinen Umständen flüssiges Wasser, weil der Druck immer unter dem Tripelpunkt liegt“ falsch.

Für viele heutige Oberflächenbedingungen dominiert bei erwärmtem Eis dennoch die Sublimation. Unter einer porösen trockenen Deckschicht wird der Wassertransport zusätzlich durch Diffusion und Rekondensation bestimmt. Das ist für ISRU entscheidend: Die Energie zum Phasenübergang allein garantiert noch keine hohe Nettoausbeute, wenn der Dampf im kalten Material wieder ausfriert.

Ein Prozessziel von 0 bis 20 °C kann für reines Eis in einem geschlossenen Niederdruckreaktor als niedriger Arbeitsbereich funktionieren, ist aber keine physikalische Obergrenze. Höhere Temperaturen erhöhen die Kinetik und sind insbesondere dann relevant, wenn nicht nur freies Eis, sondern stärker gebundenes oder hydratisiertes Wasser freigesetzt werden soll. [T]

III. Die thermodynamische Untergrenze [R/T]

3.1 Sublimationsenthalpie

Die Sublimationsenthalpie von Wassereis liegt in der relevanten Größenordnung bei etwa 2,83 MJ/kg, entsprechend rund 0,79 kWh/kg.

Schon dieser Wert zeigt eine einfache Plausibilitätsgrenze: Eine Gesamtprozessangabe von beispielsweise 0,02 oder 0,04 kWh pro kg gewonnenem Wasser kann für einen Sublimationsprozess nicht stimmen, weil sie unter der notwendigen Phasenwechselenergie liegt.

3.2 Aufheizung des Eises

Wird Eis beispielsweise aus einer typischen kalten Untergrundtemperatur in Richtung 0 °C gebracht, kommt sensible Wärme hinzu. Für eine grobe Systemabschätzung ergibt sich damit ein thermodynamisches Minimum in der Größenordnung von etwa 0,83 kWh/kg Wasser beziehungsweise rund 830 kWh/m³ Produktwasser.

Dieses Minimum ist kein Anlagenverbrauch. Es enthält noch keine Verluste für

• Erwärmung trockenen Regoliths,
• Förderung oder Bohren,
• Mikrowellen- beziehungsweise Widerstandswandlung,
• Pumpen,
• Dampferfassung,
• Kühlfalle/Kondensation,
• Wasserreinigung,
• Regelung und Stand-by.

Jede reale Anlage muss daher oberhalb dieses Minimums liegen.

IV. Systemenergie und Eisgehalt [T]

Aktuelle Vergleichsarbeiten zeigen, dass der spezifische Energiebedarf stark mit dem Eisgehalt variiert. In der von Inglezakis et al. zusammengetragenen Literatur werden für verschiedene thermische beziehungsweise mechanisch-thermische Verfahren Werte in der Größenordnung weniger MJ/kg bis deutlich darüber berichtet.

Als Orientierung:

Eine Umrechnung in kWh/m³ Produktwasser ist wegen der Dichte von Wasser numerisch einfach: 1 kWh/kg ≈ 1000 kWh/m³ Wasser. Angaben im zweistelligen kWh/m³-Bereich für die vollständige Sublimationsgewinnung sind deshalb dimensionsphysikalisch nicht plausibel.

V. Mikrowellenheizung: realer Vorteil, aber kein Freifahrtschein [R/T/H]

5.1 Warum Mikrowellen attraktiv sind

Mikrowellen können Energie volumetrisch in ein Material einbringen und bei geeigneten dielektrischen Eigenschaften Eis beziehungsweise feuchtere Bereiche selektiver erwärmen als ein äußerer Ofen. Daraus entstehen reale Systemvorteile:

• weniger oder kein vollständiger Aushub,
• potenziell geringere bewegte Masse,
• weniger mechanischer Verschleiß an Förderorganen,
• direkte Kopplung der Energie in den Untergrund,
• modulare oder fernversorgte Konzepte.

Labor- und Modellarbeiten zeigen, dass Wasser mit Mikrowellen aus kryogenen Simulanten freigesetzt werden kann. Cole et al. untersuchten 2023 Niedrigleistungs-Mikrowellenerwärmung an eisigen lunaren Simulanten und bestätigten die grundsätzliche Extraktionsfähigkeit.

5.2 Das Problem der Nettoerfassung

Der entscheidende Unterschied liegt zwischen sublimiertem Wasser und tatsächlich eingesammeltem Wasser. In offenen kalten Porenräumen kann Dampf erneut kondensieren oder resublimieren, bevor er die Sammelstelle erreicht.

Ein Mehrphysikmodell von Cheng et al. (2026) für mikrowellenunterstützte Wasserextraktion aus lunarem Regolith zeigte genau dieses Problem: Ein großer Teil des mobilisierten Wassers ging durch Rekondensation für die Nettoextraktion verloren. Die konkrete Zahl ist nicht direkt auf den Mars übertragbar, weil Druck, Atmosphäre und thermische Randbedingungen anders sind. Der Mechanismus selbst ist jedoch relevant. [T/H]

Daraus folgt: „Mikrowellen sind effizienter“ ist als pauschale Aussage zu stark. Präziser ist:

Mikrowellen können Aushub und nichtproduktive Erwärmung reduzieren; die Energie pro tatsächlich gewonnenem kg Wasser hängt jedoch stark von Eindringtiefe, dielektrischer Kopplung und Dampferfassung ab.

VI. Aushub, geschlossener Reaktor und Schmelzpfade [R/T]

Geschlossene Systeme besitzen einen offensichtlichen Nachteil: Regolith oder Eis muss mechanisch gewonnen, transportiert und in einen Prozessbehälter überführt werden. Dafür lässt sich der entstehende Wasserdampf wesentlich kontrollierter auffangen und die Wärmeführung besser bilanzieren.

MISWE-artige Konzepte kombinieren Bohren beziehungsweise Förderung, Aufheizung und Dampferfassung. Der technische Vorteil liegt weniger in einem einzelnen spektakulären Wirkprinzip als in der Kontrollierbarkeit der Stoff- und Energiebilanz.

Bei massiven Eislagerstätten können Schmelz- beziehungsweise Bohrschmelzverfahren günstiger sein, weil nicht die gesamte Regolithmatrix aufgeheizt werden muss. Diese Pfade setzen jedoch voraus, dass die Lagerstätte tatsächlich eisreich, zusammenhängend und mechanisch erreichbar ist.

Deshalb gibt es aus heutiger Sicht keinen universell besten Mars-Wasserextraktor. Die richtige Architektur ist eine Funktion der Lagerstättenklasse. [T]

VII. Atmosphärische Wassergewinnung [R/T]

Die Marsatmosphäre enthält Wasserdampf, aber nur in kleinen und stark saisonal beziehungsweise geographisch variierenden Mengen. Viking-, TES- und spätere Datensätze zeigen einen ausgeprägten Jahresgang.

Adsorptionskonzepte wie WAVAR demonstrieren, dass atmosphärisches Wasser prinzipiell gesammelt werden kann. Damit ist die Aussage „atmosphärische Wassergewinnung ist auf dem Mars unmöglich“ falsch.

Für eine große Siedlung ist der Pfad dennoch ungünstig: Der verfügbare Wasserdampf pro verarbeitetem Atmosphärenvolumen ist klein, und Adsorption, Regeneration und Kondensation verursachen erheblichen Energie- und Anlagenaufwand. Atmosphärische Gewinnung erscheint deshalb eher für dezentrale Spezialanwendungen, Reserveversorgung oder Standorte ohne leicht erreichbares Eis interessant. [T]

VIII. Perchlorate als reale Aufbereitungsrandbedingung [R]

Phoenix wies 2009 Perchlorat im Marsboden nach. Spätere Missionen und Reviews stützen die Einordnung als verbreitete chemische Komponente des Regoliths.

Für ISRU bedeutet das zweierlei:

1. Rohwasser aus regolithbasierten Extraktionsprozessen darf nicht automatisch als Trink- oder Prozesswasser betrachtet werden.
2. Perchlorate und andere lösliche Salze betreffen nicht nur Toxikologie, sondern auch Korrosion, Werkstoffwahl, Filterstandzeit und Abfallströme.

Die Wassergewinnung endet technisch daher nicht an der Kühlfalle. Aufbereitung und Qualitätskontrolle sind Teil des ISRU-Systems.

IX. Was derzeit robust gesagt werden kann

X. Offene technische Fragen [H]

1. Wie sieht eine vollständige Mars-spezifische Nettoenergiebilanz für offene Mikrowellenextraktion bei etwa 600 Pa CO₂-Atmosphäre aus?
2. Wie groß ist der reale elektrische Aufwand der Dampferfassung und Kühlfalle bei unterschiedlichen Tages-/Nachtbedingungen?
3. Ab welchem Eisgehalt kippt die Systemwahl von „Regolith thermisch behandeln“ zu „Lagerstätte direkt bohren/schmelzen“?
4. Welche Kombination aus orbitaler Prospektion und lokaler Geophysik reicht aus, um vor dem Bau einer Anlage die Ressourcenklasse zuverlässig zu bestimmen?
5. Welche Wasseraufbereitung ist für perchlorathaltige Rohwasserströme bei großem Durchsatz masse- und energieoptimal?
6. Wie robust sind Mikrowellenkopplung und Eindringtiefe in real heterogenem, kryogenem Marsregolith gegenüber idealisierten Simulanten?

Quellen

1. Dundas, C. M. et al. (2018). Exposed subsurface ice sheets in the Martian mid-latitudes. Science 359(6372), 199–201. DOI: 10.1126/science.aao1619.
2. Smith, P. H. et al. (2009). H₂O at the Phoenix Landing Site. Science 325(5936), 58–61. DOI: 10.1126/science.1172339.
3. Mellon, M. T., Jakosky, B. M. & Postawko, S. E. (1997). The persistence of equatorial ground ice on Mars. Journal of Geophysical Research: Planets 102(E8), 19357–19369. DOI: 10.1029/97JE01346.
4. Bryson, K. L., Chevrier, V., Sears, D. W. G. & Ulrich, R. (2008). Stability of ice on Mars and the water vapor diurnal cycle: Experimental study of the sublimation of ice through a fine-grained basaltic regolith. Icarus 196(2), 446–458. DOI: 10.1016/j.icarus.2008.02.011.
5. Inglezakis, V. et al. (2026). Martian aqua: occurrence of water and appraisal of acquisition technologies. Advances in Space Research 77(1), 635–670. DOI: 10.1016/j.asr.2025.11.002.
6. Wasilewski, T. G. (2018). Evaluation of drilling-based water extraction methods for Martian ISRU from mid-latitude ice resources. Planetary and Space Science 158, 16–24. DOI: 10.1016/j.pss.2018.05.012.
7. Zacny, K., Chu, P., Paulsen, G. et al. (2012). Mobile In-Situ Water Extractor (MISWE) for Mars, Moon, and Asteroids ISRU. AIAA SPACE 2012. DOI: 10.2514/6.2012-5168.
8. Cole, J. D., Lim, S., Sargeant, H. M., Sheridan, S., Anand, M. & Morse, A. (2023). Water extraction from icy lunar simulants using low power microwave heating. Acta Astronautica 209, 95–103. DOI: 10.1016/j.actaastro.2023.04.035.
9. Cheng, Y., Cheng, B. & Baoyin, H. (2026). Microwave-assisted water extraction from lunar regolith: Multiphysics modeling. Advances in Space Research 77(12). DOI: 10.1016/j.asr.2026.04.003.
10. Hecht, M. H. et al. (2009). Detection of Perchlorate and the Soluble Chemistry of Martian Soil at the Phoenix Lander Site. Science 325(5936), 64–67. DOI: 10.1126/science.1172466.
11. Hoffman, J. A. et al. (2022). Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE) — Preparing for human Mars exploration. Science Advances 8. DOI: 10.1126/sciadv.abp8636.
12. Jakosky, B. M. & Farmer, C. B. (1982). The seasonal and global behavior of water vapor in the Mars atmosphere: Complete global results of the Viking Atmospheric Water Detector Experiment. Journal of Geophysical Research.
13. Bruckner, A. P. & Coons, S. C. Feasibility studies of the extraction of water vapor from the Martian atmosphere by adsorption in zeolite 3A (WAVAR). NASA/ISRU conference literature.
14. Putzig, N. E. et al. / SWIM and International Mars Ice Mapper working material: current mapping of shallow subsurface ice for mission planning.

Schlussfolgerung

Mars-Wasser-ISRU ist kein einzelnes Verfahren, sondern ein Ressource-Prozess-Matching-Problem. Die wichtigste technische Trennung verläuft zwischen eisarmem Regolith, eisreichem Regolith und massiven Eislagerstätten. Sie bestimmt, ob Aushub, thermische Sublimation, Mikrowellen, Bohren oder Schmelzen sinnvoll sind.

Die Energiebilanz liefert dabei eine harte Plausibilitätsprüfung: Schon der Phasenwechsel setzt eine Größenordnung von rund 0,8 kWh pro kg Wasser voraus. Alle realen Prozesswerte müssen darüber liegen. Mikrowellen können mechanische und massenbezogene Vorteile besitzen, sind aber nicht automatisch der energetische Sieger. Atmosphärische Wassergewinnung ist möglich, jedoch derzeit eher Ergänzung als Primärpfad. Perchlorate machen schließlich deutlich, dass „Wasser extrahieren“ und „nutzbares Wasser bereitstellen“ zwei verschiedene technische Aufgaben sind.