Mechanische Werkstoffeigenschaften von lasergeschmolzenem lunaren Regolith

In der vorliegenden Arbeit werden das Laserschmelzen von lunarem Regolith sowie die Eigenschaften der damit herstellbaren Werkstoffe untersucht. Laserschmelzen ist eine etablierte Technologie für die additive Verarbeitung von verschiedenen Werkstoffen und stellt eine Schlüsseltechnologie bei der Exploration des Mondes dar. Mit Hilfe des Laserschmelzens kann der reichlich vorhandene lunare Regolith als Rohstoff für die Errichtung von Infrastruktur sowie die Herstellung von Bauteilen erschlossen werden. Dadurch verringert sich der Transportbedarf von der Erde, was zu einer deutlichen Reduzierung der Kosten von Raumfahrtprojekten auf dem Mond führt.

Für die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Versuche wurden synthetische Mondböden, sogenannte Regolithsimulate, verwendet. Um die Eignung des Laserschmelzens für verschiedene Orte auf der Mondoberfläche zu untersuchen, mussten diese Simulate die natürliche Bandbreite der Zusammensetzung des lunaren Regoliths abbilden. Zur Erfüllung dieser Anforderung wurde ein modulares System entwickelt, mit dessen Hilfe aus detailliert charakterisierten Rohmaterialien und standardisierten Prozessen eine hohe Bandbreite unterschiedlicher Simulate hergestellt werden kann. Mit diesen Simulaten wurden realitätsnahe Schmelzversuche durchgeführt und die dabei hergestellten Proben analysiert. Hierbei standen die Untersuchung der grundsätzlichen Verarbeitbarkeit sowie der Einfluss der Parameter des Laserprozesses auf den Schmelzvorgang im Vordergrund. 

Auf Basis der Resultate der Laserschmelzversuche wurden aus den Simulaten großvolumige Proben mit Werkstoffgefügen hergestellt, die den Gefügeeigenschaften der Laserproben entsprachen. Diese dienten zur Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften Dichte, Härte, Druckfestigkeit und Elastizitätsmodul. Aufgrund der Ähnlichkeit im Verhalten aller Simulate konnte aus den Messergebnissen ein allgemeines Modell für das Schmelzverhalten des Regoliths abgeleitet werden. Dieses gliedert sich in mehrere Bereiche, innerhalb derer die Werkstoffe ein ähnliches Gefüge und Materialverhalten besitzen. Der Vergleich dieser Bereiche mit bestehenden Werkstoffgruppen ermöglichte zum Abschluss dieser Arbeit eine Abschätzung der Anwendungsmöglichkeiten für lasergeschmolzenen Regolith. Das Material erweist sich als gut geeignet für die Errichtung druckbelasteter Strukturen sowie die Herstellung von Bauteilen, die Produkten aus Keramik und Glas auf der Erde gleichen.