Forschung
Das übergreifende Element unserer Forschung ist die Untersuchung von Weltraumressourcen im Kontext von SRU (Space Resource Utilisation). Wir befassen uns hierbei mit der gesamten SRU Wertschöpfungskette, beginnend bei der Entwicklung von Instrumenten zur Prospektion und Analyse von Weltraumressourcen, bis hin zur Gestaltung industrietechnischer Prozesse für das Nutzbarmachen von Ressourcen im Weltraum.
Hier gibt es eine Übersicht unserer Forschungsprojekte.
Eine zentrale Rolle spielt dabei der planetare Regolith (sog. Lockergestein), welcher als wichtigstes Rohmaterial zur Gewinnung lebensnotwendiger Produkte wie Sauerstoff und Wasser zählt. Ein weiterer zentraler Aspekt sind die extremen Umweltbedingungen, unter welchen die Explorationsmissionen stattfinden, wie z.B. Tieftemperatur, Vakuum, Strahlung und reduzierte Schwerkraft. Um Weltraumressourcen besser verstehen zu können, forschen wir u.a. zur Herkunft des Wassers auf dem Mond, der Interaktion von Wasser mit dem Regolith, sowie dem Verhalten von Wasser im Untergrund planetarer Himelskörper und deren Exosphäre.
Unsere Forschung in diesem Kontext orientieren sich an den folgenden Themen:
Regolith-Volatile Interaktion
Beinhaltet: Wärme- und Stofftransport in planetarem Regolith; Extraktion flüchtiger Stoffe wie Wasser/Eis aus planetarem Regolith; Exosphärenzusammensetzung und -Interaktion mit der Oberfläche
Ziel: Verbesserte Modelle zur Vorhersage von thermischen Prozessen in Regolith (Migration, Einlagerung und Extraktion von lunarem Wasser) und der Exosphäre, Entwicklung und Optimierung von Prozessen zur in-situ Analyse von Wasser im Sonnensystem
Laufende Projekte:
ExESS (Extraterrestrial Exospheres and Surfaces Simulations) ist der Projekttitle unter welchem numerische Modelle zur Analyse von extraterrestrischen bodengebundenen Exosphären und Oberflächen, sowie deren Interaktion miteinander, erstellt werden. Relevante Objekte unseres Sonnensystems, welche in diesem Projekt behandelt werde, sind der Mond, der Merkur, sowie der Asteroid Ceres.
Gefördert durch das "International Space Science Institute" beschäftigt sich die IDESI Gruppe ("Improving the Description of Exosphere Surface Interface") mit dünnen Atmosphäre auf Körpern unseres Sonnensystems. Der Fokus liegt hierbei auf einer besseren Beschreibung der Einflüsse des Bodens auf die Atmosphäre und umgekehrt.
Gewinnung von Sauerstoff, Wasser und Metallen
Beinhaltet: Abbau und Fördern von planetarem Bodenmaterial; Feststoff-Gas Interaktionen für SRU Anwendungen
Ziel: Verbesserung thermisch- und elektrochemischer Prozesse zur Gewinnung von Wasser, Sauerstoff und Metallen aus planetarem Regolith (SRU), Entwicklung von Mechanismen für die Verbindung prozesstechnischer Elemente für SRU
Laufende Projekte:
ESPLORE (Elektrochemische nachhaltige Produktion von einheimischem Mondsauerstoff und Metallen aus REgolith oder Electrochemical Sustainable Production of indigenous Lunar Oxygen and metals from REgolith) ist ein gemeinsames Forschungsprojekt von Maana Electric SA und unserer Professur, finanziert durch den Luxemburger Nationalen Forschungsfonds (FNR) Stipendium 17671424 und Maana Electric SA.
ISRULib soll eine Open-Source-Datenbank mit lesbaren und leicht verständlichen ISRU-Modellen sein, die in spezifische Analyse- und Simulationswerkzeuge integriert und von der gesamten Gemeinschaft für technologische Abwägungen auf hohem Niveau und vorläufige Architekturdefinitionen verwendet werden können.
Instrumentierung zur in-situ Analyse in planetaren Umgebungen
Beinhaltet: Instrumentierung zur Exploration und wissenschaftlichen Charakterisierung von planetaren Umgebungen; Bodensonden und Bohren in (eishaltiges) planetares Regolith; Sensoren zur in-situ Messung der elektrischen Permittivität von planetarem Regolith; Kontamination mit und Vermeidung von planetaren Staubpartikeln
Ziel: Entwicklung von Instrumenten/Subsystemen zur Messung von Umgebungsbedingungen auf dem Mond/Planeten/Asteroiden, designtechnische Auslegung für extreme Umgebungsbedingungen (v.a. thermal), Entwicklung von kompakten und leichten Sensorsystemen zur Detektion und Charakterisierung von eishaltigem Bodenmaterial, Analyse des Einflusses von Staubkontamination auf mechanische/thermische/optische Systeme, elektrische/mechanische Mitigation von Staubkontamination
Laufende Projekte:
Der LVS ist ein instrumentierter Bohrer für die in-situ Charakterisierung von planetare Bodenproben und volatilen Stoffen. Mit dem Hohlraumbohrer kann bis zu einer Tiefe von ca. 10 cm in eishaltigen Regolith gebohrt werden. Dieser wird anschließend mithilfe eines eingebauten Heizelements auf >400 °C erhitzt, um volatile Stoffe wie Wasser zu lösen. Ein eingebautes miniaturisiertes Ionenfallen-Massenspektrometer (ITMS), sowie eingebaute Drucksensoren ermöglichen die live-Analyse der gelösten Gase. Durch die minimale Beeinträchtigung der Probe wird Risiko des Verlusts volatiler Stoffe bei der sonst notwendigen Probenentnahme vermieden. Hierdurch kann die Probe in ihrem ursprünglichem Zustand charakterisiert werden, was einen signifikanten Vorteil geenüber konventioneller Instrumente zur Analyse von Bodenproben darstellt.
Die Messung der elektrischen Permittivität von Regoliths ist eine vielversprechende Technik, um den Zustand und die Menge des im Mondregolith vorhandenen Wassers schnell zu bestimmen. Mehrere Missionen zum Mond und zu anderen Himmelskörpern haben Permittivitätssensoren verwendet oder beabsichtigen, sie zu verwenden, und die Technische Universität München (TUM) entwickelt derzeit diese Messtechnik für weitere Anwendungen.
Das Instrumentenpaket PROSPECT (Platform for Resource Observation and in-Situ Prospecting for Exploration, Commercial exploitation and Transportation) wird von der ESA entwickelt und soll 2025 im Rahmen des NASA-Programms CLPS (Commercial Lunar Payload Services) zum Südpol des Mondes fliegen.
Near-Earth Objects und Hochgeschwindigkeitseinschläge
Beinhaltet: Meteoroidenfluss; Near-Earth Objects; Hochgeschwindigkeitseinschläge in planetarem Regolith
Ziel: Verbesserung von Modellen zur Vorhersage von Meteoroiden im Größenbereich Dezimeter bis Meter, Impulsübertragung und Dynamik bei Einschlägen in Asteroiden, Asteroidenabwehr
Laufende Projekte:
Das Projekt AllBert EinStein soll durch die Beobachtung des kontrollierten Wiedereintritts eines oder mehrerer künstlicher Meteoroiden Daten für die Erforschung von Feuerkugeln und Space Debris liefern. Hierzu soll ein genau charakterisierter, künstlicher Meteoroid in den Weltraum gebracht werden und anschließend in der Atmosphäre verglühen. Die dabei entstehende optische Strahlung und deren spektrale Zusammensetzung wird über eine flugzeugbasierte Beobachtungskampagne aufgezeichnet. Die resultierenden Daten werden zur Bestimmung des photometrischen Strahlungsäquivalents (luminous efficacy), ein Maß für die Energieumwandlungseffizienz in optische Strahlung, sowie zur Verifikation von Laborexperimenten und Modellen genutzt. Dieses Wissen ist insbesondere für das Verständnis des Atmosphäreneintritts von Asteroiden, sowie zur Analyse des Wiedereintritts von Weltraumschrott nötig. Auf Grund der einfachen mechanischen, thermalen und elektrischen Struktur, sowie einer kurzen Missionsdauer, ist die technische Machbarkeitsschwelle niedrig und eine schnelle und kostengünstige Entwicklung möglich. Eine sinnvolle erste Missionsgelegenheit ist der Flug der zweiten Spectrum Rakete von Isar Aerospace Technologies GmbH im Rahmen der Spectrum Demonstration Flights.
Neben der Sonne, den acht Planeten und zahlreichen Monden besteht unser Sonnensystem aus unzählbar vielen Kleinkörpern. Diese befinden sich zum Großteil im sogenannten Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter, sowie in den äußeren Bereichen des Systems. Auch wenn unser Sonnensystem auf den ersten Blick sehr stabil erscheint, ist das System auf astronomischen Zeitskalen gesehen dynamisch. Insbesondere Kleinkörper können ihre Umlaufbahnen stark ändern und unter anderem auf Kollisionskurs mit der Erde gelangen. Handelt es sich dabei nur um Staub bis hin zu zentimetergroßen Meteoriden, können wir deren Eintreten in die Erdatmosphäre als unbedenkliche Meteore (Sternschnuppen) beobachten, wo sie verglühen. Die Meteore größerer Objekte werden als Feuerkugeln bezeichnet und können sogar am helllichten Tag beobachtet werden. Ab einer Größenordnung von zehn Metern können durch Druckwellen ernste Schäden an Mensch und Besitztümer entstehen, was schließlich bei kilometergroßen Asteroiden oder Kometen in eine globale Zerstörung gipfelt. Glücklicherweise gibt es weniger "große" Kleinkörper als "kleine" Kleinkörper, weshalb ein Einschlag eines sogenannten Globalen Killers sehr unwahrscheinlich ist, Sternschnuppen hingegen nächtlich beobachtet werden können.
Wie viele Kleinkörper und wie deren Größen- und Orbitverteilung ist, wird schon seit längerem in der Wissenschaft erforscht, jedoch hat sich die Beantwortung dieser Frage als nicht leicht herausgestellt. "Größere" Objekte können mithilfe von Teleskopen im All gefunden werden, während "kleinere" Objekte durch deren große Anzahl häufig mit der Erde zusammenstoßen, wo diese mit Kameras als Meteore beobachtet werden. Dazwischen gib es eine Lücke von Objekten welche zu klein für Teleskope sind und gleichzeitig nur selten mit der Erde kollidieren. Diese Lücke soll mit diesem Projekt geschlossen werden.
Die Technische Universität München verfügt über umfangreiche Erfahrungen bei der experimentellen Untersuchung der Impulsübertragung und des Auswurfverhaltens von körnigen Zielen im Labor. Wir verwenden einen elektrothermischen Beschleuniger (Rott 1993), um Nylonprojektile auf Geschwindigkeiten zwischen 500 m/s und 2,8 km/s zu beschleunigen. Das Projektil wird senkrecht in das Ziel geschossen, was die Verwendung von Sand, Regolith-Simulantien oder Glasperlen (als Referenz) als Ziele ermöglicht (Chourey et al. 2020). Die Ergebnisse sind für die Modellierung großflächiger Einschläge von Bedeutung (Luther et al. 2022), z. B. für die Demonstration der Asteroidenablenkungsmission DART (Thomas et al. 2023). Sie können genutzt werden, um zu verstehen, wie die Eigenschaften von Asteroiden aus ihrer Reaktion auf einen Einschlag abgeleitet werden können.