Die Exploration von Ressourcen auf dem Mond konzentriert sich auf das lunare Regolith, welches wertvolle Sauerstoffverbindungen, Metalle, vom Sonnenwind implantierte Partikel und hochvolatile Elemente wie Wasser enthält. Letztere wurden bis dato nur durch Fernerkundung nachgewiesen, und die Bestätigung durch Bodendaten steht noch aus. Zukünftige Erkundungsmissionen werden die volatilen Spezies, ihre Häufigkeit und ihre Bindungsmechanismen durch in-situ Messungen bestimmen.
Die vorliegende Arbeit adressiert technologische und wissenschaftliche Fragestellungen, die für die thermische Extraktion von Volatilen aus lunarem Regolith relevant sind. Ein dynamisches kombiniertes Modell für den Wärme- und Stofftransport und die Desorption von Wassermolekülen von der Partikeloberfläche innerhalb einer Regolithprobe wurde entwickelt. Dies ermöglicht, die Wechselwirkung verschiedener physikalischer Parameter und deren Effekt auf den gesamten Extraktionsprozess zu untersuchen. Das Modell wurde in der Software COMSOL implementiert, um diesen Prozess im Kontext des derzeit entwickelten Gasanalyse-Instruments ProSPA zu erforschen. Für eine repräsentative zylindrische Probe mit 2,8 mm Durchmesser und 4,5 mm Höhe wurde gezeigt, dass Temperaturgradienten von bis zu 30 °C und Gasdrücke im Bereich 1e-2 bis 1e0 mbar für eine typische Wasserkonzentration zwischen 0,1 wt% und 1 wt% auftreten können. Die hier vorgestellten Studien veranschaulichen zusätzlich den Effekt der Änderung des Wassergehalts, der Dichte und des Heizmodus auf die resultierende Temperaturverteilung, den Gasdruck und die Prozessdauer.
Die Simulationen wurden um experimentelle Studien zur Extraktion von Volatilen aus dem Regolithsimulat NU-LHT-2M erweitert. Proben mit adsorbiertem Wasser wurden in einer Stickstoffatmosphäre mit kontrollierter Feuchte konditioniert. Ein neuer Versuchsaufbau wurde entwickelt, um die geregelte Erhitzung dieser Proben von -150 °C bis 800 °C in Hochvakuum von 1e-7 mbar bis 1e-5 mbar zu ermöglichen. Dieser Aufbau wurde verwendet, um Parameterstudien mit unterschiedlich konditionierten Proben durchzuführen und den Effekt von anfänglicher Wasserkonzentration, Probenmasse, Partikelgröße, Dichte, und Heizmodi zu untersuchen. Das Ausgasen der Volatile, hauptsächlich Wasser, zeigte ein deutlich unterschiedliches Verhalten im Temperaturbereich von -50 °C bis 300 °C. Über 300 °C wurde das Ausgasen hauptsächlich auf den Zerfall von Mineralien zurückgeführt mit sehr ähnlichen Ausgasmerkmalen für alle Proben. Zusätzlich zu der Extraktion von volatilen Inhaltsstoffen wurde derselbe Testaufbau dazu verwendet, um die Machbarkeit der chemischen Reduktion von Ilmenit- und NU-LHT-2M-Proben durch Erhitzung in einer Wasserstoffatmosphäre zu demonstrieren. Die besten Ergebnisse wurden mithilfe eines Betriebs im Semibatch-Modus mit Ilmenit erzielt, wobei Wasser in Mengen von 1 wt% bis 2 wt% hergestellt wurde.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde außerdem eine theoretische und experimentelle Untersuchung bezüglich der Implikationen einer vergrößerten Probe und damit eines vergrößerten Probeofens durchgeführt. Es wurden einige Probleme bezüglich des Hochskalierens aufgezeigt, darunter das Auftreten von hohen Temperaturgradienten in der Probe, ein erhöhter Energiebedarf und Isolierungsaufwand, sowie Materialinkompatibilitäten.
Bezüglich des Transports von lunaren Regolithproben wurde eine Studie zur den Fließeigenschaften der Regolithsimulate NU-LHT-2M und JSC-1A durchgeführt. Dies beinhaltete die experimentelle Untersuchung des Probenflusses in zweidimensionalen Fördertrichtern unter reduzierter Schwerkraft und Vakuum und eine Parameterstudie hinsichtlich der Gasdruckabhängigkeit von Fließhemmungen und des Effekts von Vibration auf den Probenfluss. Es wurde herausgefunden, dass Schwerkraft und Öffnungsweite des Trichters linear proportional zur Fließrate sind. Zusätzliche wurde eine Verringerung der Probenkompaktierung unter reduzierter Schwerkraft und eine zufällig auftretende unterschiedlich starke Störung des Probenflusses beobachtet.
Zusammenfassend präsentiert die vorliegende Arbeit eine praktisch orientierte Betrachtung der Prozesskette die die thermische Prozessierung von Mondregolith zur in-situ Extraktion von Volatilen oder zur chemischen Reduktion der mineralischen Bestandteile ermöglicht. Sie schließt dabei die Lücke zwischen der ingenieurtechnischen Entwicklung und Konstruktion von Instrumenten zur Analyse von Volatilen und der wissenschaftlichen Zielsetzung und Interpretation der gewonnenen Daten mithilfe solcher Instrumente.
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Die Exploration von Ressourcen auf dem Mond konzentriert sich auf das lunare Regolith, welches wertvolle Sauerstoffverbindungen, Metalle, vom Sonnenwind implantierte Partikel und hochvolatile Elemente wie Wasser enthält. Letztere wurden bis dato nur durch Fernerkundung nachgewiesen, und die Bestätigung durch Bodendaten steht noch aus. Zukünftige Erkundungsmissionen werden die volatilen Spezies, ihre Häufigkeit und ihre Bindungsmechanismen durch in-situ Messungen bestimmen.
Die vorliegende Arbei...
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