Login
- Dokumenttyp:
- Masterarbeit
- Autor(en):
- Francisco Javier Guerrero Gonzalez
- Titel:
- Analysis of an In-Situ Material Production Concept for Potential Thermal Applications in a Lunar Mission
- Übersetzter Titel:
- Analyse eines In-Situ-Materialproduktionskonzepts mit potenziellen thermischen Anwendungen für eine Mondmission
- Abstract:
- In-Situ Resource Utilization (ISRU) has long been suggested as a possible path to reduce the cost of missions to the Moon and Mars. Extracting oxygen from lunar regolith has been established as the most promising ISRU process. Oxygen could be used for life support and in-situ propellant production. However, oxygen is not the only resource that can be extracted from lunar soils. Lunar regolith also contains abundant metals and metalloids that could be processed to build space infrastructure and enable a sustainable human presence on the Moon. Before ISRU processes are considered as a feasible alternative to transporting all material resources from Earth, the mass and performance of the required systems must be rigorously investigated. To this end, a lunar surface reference mission is defined at the South Pole as a case study. The Moonbase is composed of an Environmental Control and Life Support Systems (ECLSS) for six crew members and an ISRU facility. The ISRU facility must produce 15 t/y of O2 and enough metallic byproducts to manufacture a radiator that rejects the heat generated by the Moonbase. Analytical sizing models are developed for the entire ISRU process chain, including the individual production stages: excavation, beneficiation, oxygen extraction, metal processing, and manufacturing. Focus is given to the oxygen extraction and metal processing. The oxygen extraction stage analyzes hydrogen reduction, molten regolith electrolysis (MRE), and molten salt electrolysis (MSE). The metal processing stage investigates carbonylation, melt-refining, and vacuum distillation. The models return their mass, volume, power, and cooling requirements based on previously published works, analytical calculations, data extrapolated from experimental research, and analogies drawn between terrestrial and space components. Besides oxygen, five refined metallic byproducts are characterized in terms of their mechanical and thermal properties: carbonyl and melt-refined irons, ferrosilicon alloys, highlands metallic mixtures, and distilled aluminum. Thermo-fluid dynamic simulations return the mass per unit of heat rejected for different radiator materials, designs, and positions. A multi-criteria analysis (MCA) evaluates eight production concepts. The MCA comprises an Equivalent System Mass (ESM) analysis and a qualitative evaluation of the ISRU process chain versatility. The versatility criteria evaluate the advantages and disadvantages of the production concepts that cannot be quantitatively included in an ESM analysis. The most suitable concept consists of an MRE reactor that produces 15 tons of oxygen and 6.7 tons of ferrosilicon alloys per year. 800 t/y of highlands regolith are excavated and beneficiated to reach a concentration of 20 wt.% of FeO-rich minerals. Fe-Si alloys are extruded to produce wire feedstock. Wire-based additive manufacturing techniques manufacture a radiator that rejects 34.2 kW of heat. The entire ISRU process chain requires 1100 kg and 2.8 m3, consuming 61 kW of electric power and rejecting 1.4 kW of heat. The MRE electrodes (237 kg/y) must be regularly brought from Earth.
- übersetzter Abstract:
- Die Verwendung von lokalen Ressourcen, auch In-Situ Ressourcennutzung (ISRU) genannt, wird seit langem als möglicher Weg zur Verringerung der Kosten von Missionen zum Mond und Mars vorgeschlagen. Die Gewinnung von Sauerstoff aus Mondregolith hat sich als das vielversprechendste ISRU-Verfahren erwiesen. Sauerstoff könnte für Lebenserhaltung und Treibstoffproduktion verwendet werden. Sauerstoff ist jedoch nicht die einzige Ressource, die aus dem Mondboden extrahiert werden kann. Mondregolith enthält auch Metalle und Halbmetalle, die für den Aufbau einer Weltrauminfrastruktur und einen nachhaltigen menschlichen Präsenz auf dem Mond verwendet werden könnten. Bevor ISRU-Prozesse als machbare Alternative zum Transport aller materiellen Ressourcen von der Erde in Betracht gezogen werden, müssen die Masse und die Leistung der benötigten Systeme gründlich untersucht werden. Zu diesem Zweck wird eine Referenzmission auf der Mondoberfläche am Südpol als Fallstudie definiert. Die Mondbasis besteht aus einem Umweltkontroll- und Lebenserhaltungssystem (ECLSS) für sechs Besatzungsmitglieder und einer ISRU-Anlage. Die ISRU-Anlage muss 15 t/Jahr O2 und genügend metallische Nebenprodukte produzieren, um einen Radiator herzustellen. Der herzustellende Radiator soll die von der Mondbasis erzeugte Wärmeleistung ableiten können. Es werden analytische Berechnungsmodelle für die gesamte ISRU-Prozesskette entwickelt, einschließlich der einzelnen Produktionsstufen: Abbau, Aufbereitung, Sauerstoffextraktion, Metallverarbeitung und Produktherstellung. Der Schwerpunkt liegt auf der Sauerstoffextraktion und der Metallverarbeitung. Bei der Sauerstoffextraktion werden Wasserstoffreduktion, Schmelzregolith-Elektrolyse (MRE) und Salzschmelzelektrolyse (MSE) betrachtet. Bei der Metallbearbeitung werden Carbonylierung, Schmelzraffination und Vakuumdestillation analysiert. Die Modelle geben den Masse-, Volumen-, Energie- und Kühlungsbedarf auf der Grundlage vorangegangener Arbeiten, analytischer Berechnungen, extrapolierter Daten aus der experimentellen Forschung und Analogien zwischen Erd- und Weltraumkomponenten an. Neben Sauerstoff werden fünf raffinierte metallische Nebenprodukte hinsichtlich ihrer mechanischen und thermischen Eigenschaften charakterisiert: Carbonyl- und schmelzraffiniertes Eisen, Ferrosiliziumlegierungen, Hochlandmetallmischungen und destilliertes Aluminium. Thermo-fluiddynamische Simulationen liefern die Masse pro abgeleitete Wärmeeinheit für verschiedene Radiatormaterialien, Designs und Positionen. Eine multikriterielle Analyse (MCA) wird durchgeführt, um acht ISRU-Konzepte zu bewerten. Die MCA beinhaltet eine äquivalente Systemmassenanalyse (ESM) und eine qualitative Bewertung der Vielseitigkeit der ISRU-Prozesskette. Die Vielseitigkeitskriterien bewerten die Vor- und Nachteile der ISRU-Konzepte, die in einer ESM-Analyse nicht quantitativ erfasst werden können. Das beste Konzept besteht aus einem MRE-Reaktor, der 15 Tonnen Sauerstoff und 6,7 Tonnen Ferrosiliziumlegierungen pro Jahr produziert. 800 t/a Hochlandregolith werden abgebaut und aufbereitet, um eine Konzentration von 20 Gew. % an FeO-reichen Mineralien zu erreichen. Die Fe-Si-Legierungen werden stranggepresst, um Drahtvormaterial zu produzieren. Mit drahtbasierten additiven Fertigungsverfahren wird ein Radiator hergestellt, der 34,2 kW Wärmeleistung abgibt. Die gesamte ISRU-Prozesskette wiegt 1100 kg bei 2,8 m3 und verbraucht 61 kW elektrische Leistung und gibt 1,4 kW Wärmeleistung ab. Die MRE-Elektroden (237 kg/a) müssen regelmäßig von der Erde gebracht werden.
- Fachgebiet:
- MAS Maschinenbau
- DDC:
- 660 Chemische Verfahrenstechnik
- Betreuer:
- Kaschubek, Daniel; Grill, Laura; Zabel, Paul (Dr.)
- Gutachter:
- Walter, Ulrich (Prof. Dr.)
- Jahr:
- 2021
- Seiten/Umfang:
- 148
- Sprache:
- en
- Sprache der Übersetzung:
- de
- Hochschule / Universität:
- Technische Universität München
- Fakultät:
- TUM School of Engineering and Design
- Annahmedatum:
- 17.09.2021
- Präsentationsdatum:
- 14.10.2021
BibTeX