Stabilität großer Schmelzbäder von Regolith unter variierender Gravitation
Für die Herstellung von Infrastrukturkomponenten wie Behausungen und Straßen auf dem Mond werden Rohstoffe benötigt, die entweder von der Erde herangeschafft werden müssen oder auf dem Mond vorkommen. Letzteres ist bei der Umsetzung großer Bauprojekte im Vergleich zum Transport von der Erde besonders ressourcenschonend. Ein Übersichtsartikel in der Zeitschrift Additive Manufacturing Frontiers von Wucheng Sun et al. „Additive Manufacturing of Lunar Regolith: A Review“ zeigt das große Potenzial des direkten Schmelzens von Mondstaub (Regolith) ohne Verwendung von Bindemitteln. Der Vorteil dieses Prozesses ist, dass nur die technologische Ausrüstung zum Mond transportiert werden muss. Die für das Schmelzen notwendige Energie kann durch die Sonneneinstrahlung auf dem Mond bereitgestellt werden. Im einfachsten Falle wird Sonnenstrahlung mittels flacher Fresnel-Linsen konzentriert. Alternativ kann auch Energie aus dem Licht der Sonne über Solarzellen in elektrische Energie umgewandelt werden, die wiederum einen Laser zum Schmelzen von Regolith betreibt. Vorteil dieses vordergründig komplexeren Ansatzes ist die leichtere Handhabbarkeit einer Laseroptik im Vergleich zu einer mehrere Quadratmeter großen Linse und die leichte Steuerbarkeit der Laserleistung, je nach Bedarf. Abhängig vom Standort auf dem Mond können die verschiedenen Typen von Regolith unterschiedliche Strahlungsleistungen zum Schmelzen erfordern. Für die Schmelzexperimente wurde eine Anlage entwickelt, die es zulässt, Regolith unter Vakuum mittels Laserstrahlung in einem Laserspot von ca. 10 mm Durchmesser zu schmelzen. Dazu soll ein Faserlaser mit einer maximalen Ausgangsleistung von 200 W eingesetzt werden. Der Einfluss der fehlenden Atmosphäre und variirender Gravitation auf die Stabilität des Schmelzbads soll innerhalb der Parabelflugkampagne untersucht werden.
Eine zusätzliche, in diesem Zusammenhang bisher noch nicht adressierte Herausforderung ist die mögliche Verschmutzung von Laseroptiken und großflächigen Linsen durch Mondstaub, der zwangsläufig beim Schmelzen von Regolith emittiert wird. Bei der fehlenden Atmosphäre und der geringen Gravitation auf dem Mond können Kräfte, die sonst irrelevant erscheinen, wie Lichtdruck und optische Dipolfalle zu einem Einfangen oder Wegschieben von Staubpartikeln führen. Dies kann sich positiv oder negativ hinsichtlich einer möglichen Verschmutzung von optischen Komponenten auswirken. Diese Phänomene sollen im Rahmen der Parabelflugkampagne ebenfalls näher untersucht werden. Die gewonnenen Ergebnisse sollen dazu dienen, den TRL (Technology Readiness Level) für Laserschmelzanlagen auf dem Mond zu erhöhen.