Mechanical material properties of laser-melted lunar 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.In the present work the laser melting of lunar regolith as well as the properties of the materials that can be produced with it are examined. Laser melting is an established technology for the additive processing of various materials and represents a key technology in the exploration of the moon. With the help of laser melting, the abundant lunar regolith can be used as a raw material for the construction of infrastructure and the manufacturing of components. This reduces the need for transport from the earth, which leads to a significant reduction in the costs of such space projects. Synthetic lunar soils, so-called regolith simulants, were used for the experiments carried out within the scope of this work. In order to investigate the suitability of laser melting for different locations on the lunar surface, these simulants had to cover the natural range of the composition of the lunar regolith. In order to meet this requirement, a modular system was developed, which enabled the production of a wide range of different simulants from well characterized raw materials and standardized processes. With these simulants, realistic melting tests were carried out. The resulting samples were analyzed with a focus on examining the basic processability and the influence of the laser parameters on the melting process. Based on the results of the laser melting tests, large-volume samples with material structures comparable to those observed in the laser samples were produced from the simulants. These samples were used to characterize the mechanical properties of density, hardness, compressive strength and Young`s modulus. Due to the similarity in the behavior of all simulants, a general model for the melting behavior of the regolith could be derived from the measurement results. In this model, several areas can be separated from each other in which the materials have a similar structure and material behavior. The comparison of these areas with existing material groups enabled an assessment of the possible applications for laser-melted regolith. The material proves to be well suited for the construction of pressure-loaded structures as well as the manufacture of components that resemble products made of ceramic and glass