Laserschmelzen von extraplanetarem Gestein unter Mondbedingungen

Abstract

Für den Bau der Infrastruktur einer bemannten Mondstation müssen lokal verfügbare Ressourcen genutzt werden. Dafür eignet sich das den gesamten Mond umgebende lunare Regolith. In der Literatur werden Verfahren beschrieben, die Regolith mittels Sonnenlicht1, Mikrowellen2 oder Laserstrahlung3 aufschmelzen. Dieses Vorhaben adressiert bislang unzureichend berücksichtigte Bedingungen der Mondumgebung, wie fehlende Atmosphäre und geringe Gravitation (≈0,16 g), für das Laserstrahlschmelzen von lunarem Regolith. Zur Untersuchung dieser Effekte wurde ein modulares Regolithsimulatsystem entwickelt, das verschiedene lunare Regionen abbildet und systematische Studien zum Einfluss der mineralogischen Zusammensetzung, Partikelarten und Partikelgrößenverteilungen ermöglicht. Im Rahmen der Untersuchungen konnten die folgenden Ergebnisse erarbeitet werden. Mit steigendem Glasanteil nehmen bei konstanten Prozessparametern Probenmasse und -länge zu, während die Porosität abnimmt. Außerdem steigen Bruchfestigkeit und Elastizitätsmodul mit steigender Partikelgröße, wohingegen Porosität, Masse, Länge und Dicke der Proben abnehmen. Die Untersuchung des Einflusses des Umgebungsdrucks im Bereich von 0,05 bis 2000 mbar zeigt, dass maximale Biegespannung und Elastizitätsmodul mit steigendem Druck deutlich ansteigen, während sich die Porosität, die Masse und die Dicke verringern. Zur Analyse gravitationsbedingter Effekte wurde ein Versuchsaufbau zum Laserstrahlschmelzen für den „Einstein-Elevator“ (aktiver Fallturm) realisiert. Die kurzen Hypogravitationsphasen (z. B. 4 s Mondgravitation) zur Fertigung der Proben reichten jedoch nicht für eine vollständige Erstarrung dieser, wodurch Bremsmanöver die Probeneigenschaften beeinflussten und Messwerte teilweise verzerrten. Neben den Experimenten erfolgten simulationsbasierte Untersuchungen. Das dynamische Fließverhalten von Mondregolith wurde mittels DEM modelliert und anhand eines Rotating-Drum-Experiments kalibriert und validiert. Die gewonnenen Parameter ermöglichen die realistische Abbildung verschiedener kohäsiver und freifließender Regolithfraktionen in dynamischen Prozessen wie der lunaren Fördertechnik. Ein FEM-Modell zur thermischen Analyse, in dem Regolith als homogenisierte Festkörper mit repräsentativen thermo-physikalischen Eigenschaften abgebildet wurde, zeigte eine gute Übereinstimmung der experimentell bestimmten Schmelzbadgeometrie mit den berechneten Temperaturfeldern im Bereich von 1100 °C bis 1500 °C. The construction of the infrastructure for an inhabited lunar station requires the use of locally available resources. The lunar regolith surrounding the entire moon is suitable for this purpose. The literature describes methods for melting regolith using sunlight1, microwaves2, or laser radiation3. This project addresses conditions of the lunar environment that have not been sufficiently considered to date, such as the lack of atmosphere and low gravity (≈0.16 g), for laser melting of lunar regolith. To investigate these effects, a modular regolith simulant system was developed to represent different lunar regions and to enable systematic studies on mineralogical composition, particle types, and particle-size distributions. The following results were obtained in the course of the investigations. For constant process parameters, the sample mass and length increase with increasing glass content, while the porosity decreases. In addition, ultimate bending strength and Young's modulus increase with increasing particle size, whereas the porosity, mass, length, and thickness of the samples decrease. The investigation of the influence of ambient pressure in the range from 0.05 to 2000 mbar shows that the maximum bending stress and the Young's modulus increase significantly with increasing pressure, while porosity, mass, and thickness decrease. To assess gravitational effects, a laser-melting setup was implemented in the “Einstein-Elevator”, an active drop-tower facility. However, the short hypogravity phases (e.g., 4 s at lunar gravity) were insufficient for complete solidification of the samples, and braking manoeuvres affected their properties, causing partial measurement distortions. Alongside the experiments, simulation studies were conducted. The dynamic flow behaviour of lunar regolith was modelled using the Discrete Element Method (DEM) and calibrated and validated via a rotating-drum experiment. The resulting parameters allow realistic representation of cohesive and free-flowing regolith fractions in dynamic processes such as lunar material handling. An FEM model for thermal analysis, in which regolith was modelled as a homogenized solid with representative thermophysical properties, showed good agreement between the experimentally determined melt pool geometry and the calculated temperature fields in the range of 1100 °C to 1500 °C.