Die In-situ-Ressourcennutzung (ISRU) gilt als Schlüssel für eine beständige und nachhaltige Erforschung des Weltraums durch den Menschen. Insbesondere Wasser ist eine der wichtigsten Ressourcen, da es sowohl zur Lebenserhaltung als auch zur Herstellung von Raketentreibstoff verwendet werden kann. Dafür ist es wichtig zu wissen, welche Methoden am besten geeignet sind, um Wasser zu gewinnen und welche Parameter den Extraktionsprozess beeinflussen können.
Diese Arbeit umfasst die Simulation und den Vergleich von drei verschiedenen thermischen Wasserextraktionsmethoden: 1) Oberflächenbeheizung, 2) beheizte Bohrstäbe und 3) Erhitzung in einer Heizkammer. In einer Parameterstudie wurde der Einfluss unterschiedlicher Eisgehälter von 1 Gew.-% bis 15 Gew.-% und einer Leistung von max. 2,5 kW auf die durchschnittliche Extraktionsrate und die Energieeffizienz des Systems untersucht. In Anbetracht der geringen Designtreue umfasst die Bewertung auch Kriterien wie Lebensdauer, Zugänglichkeit von Wasser-Eis und Komplexität.
Generell hat sich vor allem die geringe Wärmeleitfähigkeit des Regoliths als wesentlicher Engpass für die thermische Extraktion herausgestellt. Außerdem wurde festgestellt, dass der Wassergehalt des Bodens den größten Einfluss auf den Ertrag hat, da er die thermophysikalischen Eigenschaften des Regoliths stark beeinflusst. Es wurde festgestellt, dass die Heizkammer die beste Methode darstellt, um Wasser zu extrahieren, da sie thermisch isoliert und ein vollständig geschlossenes System ist.
Maximal hat die Heizkammer eine durchschnittliche Extraktionsrate von bis zu ~ 0,9 kg/h für eine optimierte Heizdauer (Oberflächenheizung: ~ 0,09 kg/h; beheizte Stäbe: ~ 0,32 kg/h). Das Design hat jedoch Nachteile im Vergleich zur Oberflächenbeheizung und den beheizten Stäben, z.B. in Bezug auf die Lebensdauer und die Komplexität. Diese müssen für die individuellen Missionsziele berücksichtigt werden müssen.
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Die In-situ-Ressourcennutzung (ISRU) gilt als Schlüssel für eine beständige und nachhaltige Erforschung des Weltraums durch den Menschen. Insbesondere Wasser ist eine der wichtigsten Ressourcen, da es sowohl zur Lebenserhaltung als auch zur Herstellung von Raketentreibstoff verwendet werden kann. Dafür ist es wichtig zu wissen, welche Methoden am besten geeignet sind, um Wasser zu gewinnen und welche Parameter den Extraktionsprozess beeinflussen können.
Diese Arbeit umfasst die Simulation und...
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