DE3639927A1

DE3639927A1 - Verfahren zur herstellung von im weltraum verwendbaren werkstoffen

Info

Publication number: DE3639927A1
Application number: DE19863639927
Authority: DE
Inventors: Constantin Prof Dr Politis
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1986-11-22
Filing date: 1986-11-22
Publication date: 1988-06-01
Also published as: DE3639927C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von im Weltraum verwendbaren Werkstoffen, bei welchem als Ausgangs materialien lunare und/oder asteroidische Mineralien einge setzt werden.

Die Vorteile einer Nutzbarmachung von beispielsweise Mond- Mineralien für die Herstellung von Werkstoffen und Materia lien, welche bei der Errichtung von Weltraumstationen Ver wendung finden können, wurden bereits beschrieben (J. R. Arnold "The Frontier in Space", American Scientist, 68, Mai/Juni 1980, Seiten 299 bis 304) und hierfür brauchbare Verarbeitungsmethoden, darunter auch pulvermetallurgische Methoden, erörtert (D. R. Criswell (Powder Metallurgy in Space Manufacturing", Space Manufacturing 4, Proc. of the Fifth Princeton/AIAA Conference, May 18-21, 1981, Seiten 389 bis 399; American Institut of Aeronautics and Astronautics, INC., New York). Die vorgeschlagenen Verarbeitungsmethoden umfassen meist Verfahren wie die Elektrolyse, Schmelzfluß verfahren und verschiedene Reaktions- und Reduktionsverfah ren. Das Trennen und Sortieren der Mineralien sollte durch magnetische und elektrostatische Verfahren erfolgen. Die meisten dieser Verfahren sind aufwendig in bezug auf Verwen dung von Energie, Chemikalien, wie z. B. HNO₃, HCl, HF, KCl usw., und von Wasser zum Herstellen von wäßrigen Lösungen, zur Durchführung von Fällungen und zum Herstellen von Emul sionen usw. Nach bisherigen Kenntnissen gibt es auf dem Mond kein Wasser, so daß nicht nur die Chemikalien sondern auch Wasser zur Verarbeitungsstelle der Mondmineralien transpor tiert werden müssen. Durch das wohl seit Bestehen des Mondes andauernde Bombardement von Meteoriten aller Art auf die Mondoberfläche und durch den ebenfalls andauernden Solarwind hat der Mondstaub und das Mondgestein eine regolithische Formation angenommen. Der Mondstaub ist sehr fein mit einem mittleren Korndurchmesser von etwa weniger als 50 µm, weist keine Feuchtigkeit auf und ist elektrisch und thermisch gut isolierend. Die Oberfläche der sogenannten Meere des Mondes ist mit einer 5 bis 15 m dicken Schicht aus fragmentalen Pulvern bedeckt. Etwa 1% dieser Oberfläche stammt aus den aufgeschlagenen Meteoriten. Durch das Fehlen der Atmosphäre (auf der Mondoberfläche wurde ein Druck von weniger als 10^-12 mbar gemessen) sind die Oberflächenmaterialien dem star ken Sonnenwind ausgesetzt. Die lockere Oberflächenschicht enthält somit kleine Anteile von implantiertem Wasserstoff (200 ppm), Kohlenstoff (100 ppm) und Stickstoff (200 ppm) bis in eine Tiefe von mindestens 3 m. Bis hinab zu größeren Tiefen ist eine homogene Verteilung der Elemente in der Oberfläche des Mondes festzustellen, die durch die Ein schläge von Meteoriten und durch die Einwirkung des Sonnen windes im Laufe der langen Zeiträume erwirkt worden war. Da Wasser und dessen Einfluß vermutlich seit jeher gefehlt hat, ist eine größere Mineralienkonzentration und somit eine Abweichung von der homogenen Elementenverteilung nicht zu finden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von im Weltraum verwendbaren Werkstoffen zu schaffen, wel ches mit merklich geringerem Energieaufwand, als bei den bisher vorgeschlagenen Verfahren erforderlich, auskommt, welches den Aufwand für den Transport von Chemikalien und Wasser zur Verarbeitungsstelle überflüssig macht und welches von Automaten durchgeführt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Ausgangsmaterial

1. im Weltraum und/oder auf der Oberfläche eines Mondes oder auf der Oberfläche eines Asteroiden verarbeitet wird,
2. unter den am Verarbeitungsort herrschenden Schwere-, Druck- und Temperatur-Bedingungen solange trocken feinge mahlen wird bis zum praktisch vollständigen Verlust sei, ner Kristalleigenschaften, nachgewiesen durch Röntgen- Diffraktometrie, und
3. anschließend kaltgepreßt, heißgepreßt, isostatisch heiß gepreßt, gesintert oder druckgesintert wird zu Formkör pern mit einer Dichte von nahezu 100% theoretischer Dichte.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind darin zu sehen, daß

- die beispielsweise lunaren Ausgangsmineralien ohne aufwen dige Trenn- und Anreicherungsverfahren verarbeitet werden können,
- die im Ausgangsmaterial eingeschlossenen und implantierten Gase, wie z. B. Wasserstoff und Stickstoff, freigesetzt werden und aufgefangen werden können,
- Werkstoffe mit einheitlicher Zusammensetzung, mit hoher Härte und Festigkeit hergestellt werden können,
elementare Zusammensetzungen hergestellt werden können, die durch andere Verfahren nicht erreicht werden können, und
- Formkörper, wie z. B. Zahnräder, Stangen, Kugeln, Zylin der, Wellen, Nieten, Schrauben, Bolzen, elektrische Kon takte usw., hergestellt werden können.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Beschreibung von auf der Erde durchgeführten Versuchen näher erläutert.

Beispielhafter Versuch

Untersuchungen an Mondstaub bzw. Mondgestein ergaben folgen de Zusammensetzungsbereiche der hauptsächlich vorkommenden Elemente in Gewichtsprozenten:

O39,7 bis 44,6 Si19,8 bis 22,5 Fe 4 bis 15,3 Ca 7 bis 11,3 Al 5,5 bis 14,4 Mg 3,5 bis 6,3 Ti 0,3 bis 5,6 Cr Mn Na 0,2 bis 1 K S P

Hieraus wurden für die Simulationsversuche eine durch schnittliche Zusammensetzung gewählt von

O42 Gew.-% Si20 Gew.-% Fe12 Gew.-% Al 7 Gew.-% Mg 5 Gew.-% Ti 4,8 Gew.-% Cr 0,2 Gew.-%.

Es wurden jeweils 5 g aus einer Mischung verschiedener oxidischer Materialien, die als simulierter Mondstaub ausge wählt wurde, verwendet, die Pulvermischung extrem scharf getrocknet und in einen Wolframcarbid-Mahlbehälter mit 6 Wolframcarbid-Kugeln von 8 mm Durchmesser in einer Argon- Clove-Box (mehr als 99,999% Argon) gefüllt. Der Mahlbehäl ter wurde in eine Hochenergiekugelmühle eingesetzt und die Pulvermischung zerkleinert. Von der unzerkleinerten Pulver mischung, sowie aus der zerkleinerten Pulvermischung wurden nach vier Stunden, zwölf Stunden, 27 Stunden, 55 Stunden, 100 Stunden und 140 Stunden jeweils Proben entnommen und mittels Röntgendiffraktometrie und Mikroskop untersucht. Die Röntgenreflexe weiteten sich nach 55 Stunden im Vergleich zu denen, die von der Ausgangspulvermischung erhalten wurden, weit auf, wie es für amorphe und mikrokristalline Legierun gen typisch ist. Nach etwa 70 bis 100 Stunden war das Mate rial homogen amorph.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von im Weltraum verwendbaren Werk stoffen, bei welchem als Ausgangsmaterialien lunare und/ oder asteroidische Mineralien eingesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmaterial

1. im Weltraum und/oder auf der Oberfläche eines Mondes oder auf der Oberfläche eines Asteroiden verarbeitet wird,
2. unter den am Verarbeitungsort herrschenden Schwere-, Druck- und Temperatur-Bedingungen solange trocken feinge mahlen wird bis zum praktisch vollständigen Verlust sei ner Kristalleigenschaften, nachgewiesen durch Röntgen- Diffraktometrie, und
3. anschließend kaltgepreßt, heißgepreßt, isostatisch heiß gepreßt, gesintert oder druckgesintert wird zu Formkör pern mit einer Dichte von nahezu 100% theoretischer Dichte.