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- Dokumenttyp:
- Masterarbeit
- Autor(en):
- Šeško, Rok
- Titel:
- Solar-vapor pyrolysis of lunar regolith for oxygen production in high vacuum: An experimental investigation and thermochemical modeling
- Übersetzter Titel:
- Solare-Dampfphasenpyrolyse von Mondregolith zur Sauerstoffproduktion im Hochvakuum: Eine experimentelle und thermochemische Modellierungsstudie
- Abstract:
- Oxygen is one of the essential consumables in space exploration, being used as an oxidizer in chemical propulsion and for human life support systems. With the planned future long-term human missions to the moon, the need for oxygen delivery to the lunar surface will only increase. The idea of producing oxygen and other consumables from lunar materials has been present in research for some time. Multiple processes have been developed and tested here on Earth. Most processes utilizing oxygen bound in the lunar regolith also require consumables themselves. This thesis investigates the process of solar vapor pyrolysis, which can use unbeneficiated regolith, sunlight, and vacuum to produce oxygen and other byproducts without requiring any consumables. Thermal reduction of metal oxides in lunar regolith is heavily dependent on pressure conditions during the pyrolysis process. Lower pressures decrease the temperature at which oxides present in lunar regolith are dissociated into oxygen, suboxides, and metals. This makes pressure an essential parameter for future design and optimization of reactors for lunar operations. The pyrolysis reactions are studied at lower pressures in the high vacuum regime to determine the ideal conditions for oxygen production. This is done experimentally on a small purpose-built solar-vacuum furnace where partial vaporization of regolith simulant EAC-1A is demonstrated, although no quantitative conclusions on oxygen production can be drawn. Ideal conditions for pyrolysis in the pressure range of 10−8 mbar to 103 mbar and temperatures range of 289 K to 3773 K are determined through thermochemical equilibrium modeling. The influence of regolith composition on oxygen production is studied through modeling of three representative regolith compositions and the EAC-1A simulant. It is shown that the ideal molecular oxygen yields range from 6.6% to 14.1%, with EAC-1A exhibiting the highest yields, followed by low-Ti Maria, high-Ti Maria, and Highlands regolith. Additionally, a model is presented which combines the oxygen yield from the thermochemical model with a solar-thermal simulation of the regolith surface to evaluate oxygen production during solar heating of regolith. The model shows that the experiments were performed nearly at the lowest solar power boundary, where pyrolysis still occurs. An increase in solar power applied to the regolith surface would significantly increase oxygen production. A doubling of the experimental solar power would lead to an up to ten-fold increase in theoretical O2 mass production. Further increases in solar power would lead to progressively lower increases in oxygen production.
- übersetzter Abstract:
- Sauerstoff ist einer der wichtigsten Elementen in der Raumfahrt, da er als Treibstoff für chemische Antriebe und für Lebenserhaltungssysteme für Astronauten verwendet wird. Mit den geplanten bemannten Langzeitmissionen zum Mond wird der Bedarf an Sauerstoff auf der Mondoberfläche weiter steigen. Die Idee, Sauerstoff und andere Verbrauchsmaterialien aus lokalen Rohstoffen auf dem Mond zu gewinnen, wird in der Forschung schon seit einiger Zeit verfolgt. Hier auf der Erde wurden bereits mehrere Verfahren entwickelt und getestet, vobei die meisten den im Mondregolith gebundenen Sauerstoff nutzen und weitere Verbrauchsstoffe benötigen. In dieser Arbeit wird der Prozess der solaren Dampfphasenpyrolyse untersucht, bei dem aus nicht aufbearbeitetem Regolith, Sonnenlicht und Vakuum Sauerstoff und andere Nebenprodukte erzeugt werden können, ohne dass weitere Materialien erforderlich sind. Die thermische Reduktion von Metalloxiden im Mondregolith ist stark von den Druckverhältnissen während des Prozesses abhängig. Bei niedrigerem Druck sinkt die Temperatur, bei der die im Mondregolith vorhandenen Oxide in Sauerstoff, Suboxide und Metalle aufgespalten werden. Dies macht den Druck zu einem wichtigen Parameter für die künftige Konstruktion von Reaktoren für den Einsatz auf dem Mond. Um die idealen Bedingungen für die Sauerstoffproduktion zu ermitteln, wurde die Pyrolysereaktion bei niedrigeren Drücken im Hochvakuumbereich untersucht. Dies geschah experimentell in einem kleinen, eigens für diesen Zweck gebauten Solar-Vakuum-Ofen, in dem die unvollständige Verdampfung des Regolith-Simulats EAC-1A nachgewiesen wurde, ohne dass quantitative Schlussfolgerungen zur Sauerstoffproduktion gezogen werden können. Ideale Bedingungen für die Pyrolyse im Druckbereich von 10−8 mbar zu 103 mbar und im Temperaturbereich von 289 K zu 3773 K sind durch thermochemische Gleichgewichtsmodellierung bestimmt. Der Einfluss der Regolithzusammensetzung auf die Sauerstoffproduktion ist durch die Modellierung von drei repräsentativen Zusammensetzungen und des EAC-1A-Simulats untersucht. Die idealen Sauerstoffausbeuten liegen zwischen 6,6% und 14,1% liegen, wobei EAC-1A die höchsten Ausbeuten aufweist, gefolgt von Mare-Regolith mit niedrigem Ti-Gehalt, Mare mit hohem Ti-Gehalt und Highland-Regolith. Um die Sauerstoffproduktion während der solaren Erwärmung des Regoliths zu evaluieren, wird ein Modell vorgestellt, in welchem die Sauerstoffausbeute aus der thermochemischen Simulation mit einem solarthermischen Modell der Regolithoberfläche kombiniert wird. Dieses ist gezeigt, dass die Experimente nah an der unteren Grenze der solaren Leistung durchgeführt wurden, wo Pyrolyse noch möglich ist. Eine Erhöhung der solaren Leistung würde wesentlich zum Sauerstoffgewinn beitragen. Eine Verdoppelung der experimentellen Solarleistung würde bis zu einer Verzehnfachung der theoretischen O2 Masse führen. Ein weiterer Anstieg der Solarleistung würde zu einer immer geringeren Steigerung der Sauerstoffproduktion führen.
- Fachgebiet:
- MAS Maschinenbau; TEC Technik, Ingenieurwissenschaften (allgemein)
- DDC:
- 620 Ingenieurwissenschaften
- Betreuer:
- Grill, Laura
- Gutachter:
- Walter, Ulrich (Prof. Prof. h.c. Dr. Dr. h.c.)
- Jahr:
- 2022
- Seiten/Umfang:
- 94
- Sprache:
- en
- Sprache der Übersetzung:
- de
- Hochschule / Universität:
- Technische Universität München
- Fakultät:
- TUM School of Engineering and Design
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