Development of a conveying system for the moon

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

Abstract

In den letzten Jahren haben Weltraumforschungsmissionen zum Mars und zum Mond wieder an Attraktivität gewonnen. Ein Grund dafür ist, dass es möglich ist, Sauerstoff direkt auf dem Mond mit Hilfe von lunaren Ressourcen zu produzieren. Die In-Situ-Resource Utilization (ISRU) zielt darauf ab, Sauerstoff direkt auf dem Mond mit lunaren Ressourcen zu produzieren, ohne Ressourcen von der Erde zum Mond zu transportieren. Es ist der erste Schritt, um unabhängiges Leben auf dem Mond zu ermöglichen. ISRU lässt sich in vier Bereiche unterteilen: Abbau, Förderung, Aufbereitung und Verarbeitung. Man nennt das die ISRU-Kette. Die nächsten Ziele in der Zukunft sind die Bereitstellung von Sauerstoff als Treibstoff für Raketen und die Ermöglichung längerer bemannter Raumfahrtmissionen. Der Materialtransport stellt den zweiten Schritt der gesamten ISRU-Kette dar. Die herausfordernden Umweltbedingungen und Anforderungen, an das Fördersystem, führen dazu, dass eine terrestrische Förderanlage auf dem Mond nicht wie gewünscht funktioniert. Zu diesen Umgebungsbedingungen und Anforderungen gehören beispielsweise die dünne Atmosphäre, die Temperaturschwankungen, das zu fördernde Material und dass das Fördersystem völlig autonom funktionieren muss. Daher wird im Rahmen dieser Arbeit ein Konzept für ein Fördersystem entworfen, das diesen anspruchsvollen Bedingungen gerecht wird. Es gibt verschiedene grundlegende Förderprinzipien, die einen Mondförderer bilden können. Nach Prüfung der Realisierbarkeit und dem Vergleich der Vor- und Nachteile der einzelnen Förderprinzipien wurde entschieden, dass ein ballistisches Fördersystem das größte Potenzial hat. Dieses System hat wesentliche Vorteile: Durch die geringe Anziehungskraft des Mondes fliegt das Fördergut über größere Distanzen als auf der Erde, der Atmosphärenwiderstand ist aufgrund der dünnen Atmosphäre gering und eine flexible/mobile Version des Förderers ist umsetzbar. Der ballistische Förderer basiert auf der Funktionsweise einer Balliste und ist so konzipiert, dass er direkt am Abbaugerät angebracht werden kann. Bevor das Fördersystem näher untersucht wird, erfolgt eine erste überschlägige Berechnung, um die maximale Förderstrecke abzuschätzen. Des Weiteren kann das ballistische Fördersystem in drei Hauptbaugruppen unterteilt werden: das Maschinenladesystem, der Antrieb und der Schwenkmechanismus. Das Maschinenladesystem ist die Schnittstelle zwischen dem Abbaugerät und dem Förderer. Es besteht im Wesentlichen aus 2 Industrierobotern, die insgesamt 3 Becher, die an der Übergabeschurre des Abbaugeräts befüllt werden, zwischen der Übergabeschurre und dem Beschleunigungssystem, dem Antrieb, transportieren. Zudem sorgt der Antrieb für die Beschleunigung des Materials. Die Becher werden vom Antrieb gehalten, der Federn vorspannt, die dann losgelassen werden und so den Becher zusammen mit dem Material beschleunigen und schließlich abrupt abbremsen, so dass das Material zum gewünschten Zielort fliegt. Der Schwenkmechanismus ist für das Ausrichten und Zielen der Fördereinheit zuständig. Da der Zielort des Materials statisch ist und das Fördersystem ständig in Bewegung ist, muss auch der Antrieb neu ausgerichtet werden, um das Material in die richtige Richtung zu beschleunigen. Nach der Erarbeitung der einzelnen Prinzipien der Baugruppen und deren Zusammenspiel, wurde ein 3D-Modell der Förderanlage erstellt. Der Fokus liegt hier auf dem mechanischen Aufbau. Das 3D-Modell entspricht nicht dem höchsten Detaillierungsgrad und es wurden die wichtigsten Teile detailliert, wie zum Beispiel der Antrieb oder die Industrieroboter. Der Grund dafür ist, dass andere Aspekte berücksichtigt werden müssen, wie beispielsweise die Topologieoptimierung. Bevor dieses Fördersystem auf dem Mond eingesetzt werden kann, müssen auch andere Aspekte detaillierter ausgearbeitet werden, wie die Energieversorgung oder die Automatisierung des Systems. Diese weiteren Herausforderungen sollten in interdisziplinären Teams gelöst werden, um ein erfolgversprechendes Ergebnis zu erzielen. Das finale Fördersystem stellt einen möglichen Ansatz dar, der sich auf die mechanische Funktionalität konzentriert. Dieses System geht auf die besonderen Anforderungen der Mondumgebung ein und stellt grundlegende mechanische Konzepte zur Bewältigung dieser Anforderungen vor, um eine Förderung auf dem Mond zu ermöglichen, sowie Möglichkeiten zur Weiterentwicklung einzelner Komponenten und deren Einsatz auf anderen Förderanlagen. Darüber hinaus kann dieses System neben dem Materialtransport auch für andere Aufgaben eingesetzt werden. Die Ebnung der Oberfläche, der Transport von anderen Materialien als Mondregolith oder der Einsatz der Industrieroboter des Maschinenladesystems für Reparaturen und Wartung sind einige Beispiele für weitere Anwendungen. Zusätzlich hat dieses System auch einige Anwendungsmöglichkeiten für bestimmte terrestrische Anwendungen.

Details

Titel in ÜbersetzungEntwicklung eines Fördersystems für den Mond
OriginalspracheEnglisch
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung22 Okt. 2021
StatusVeröffentlicht - 2021