Quelle: TU Clausthal 12. Oktober 2023.

12. Oktober 2023 – Eine Gemeinschaftsstudie der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), der Technischen Universität Clausthal und der Hochschule Aalen, die am heutigen 12. Oktober 2023 in der angesehenen Fachzeitschrift Springer Nature Scientific Reports veröffentlicht wurde, offenbart faszinierende Perspektiven: Mithilfe innovativer 3D-Drucktechnologie und Mondstaub könnte die Errichtung von Straßen und Landeplätzen auf dem Erdtrabanten in greifbare Nähe rücken. Dies eröffnet ungeahnte Möglichkeiten für den Aufbau zukünftiger Mondbasen.

Mondstaub stellt, wenn aufgewirbelt, eine erhebliche Herausforderung für Mondmissionen dar: Aufgrund der geringen Schwerkraft auf dem Erdtrabanten neigt er dazu, lange zu schweben und kann so Maschinen, Geräte und Ausrüstungen beschädigen. Dauerhafte Mondbasen sind daher auf feste Infrastrukturen, Straßen und Landeplätze angewiesen, um das Staubproblem zu minimieren.

Allerdings wäre es äußerst aufwendig und damit extrem kostspielig, hierfür extra Baumaterial von der Erde zum Mond zu transportieren. Viel vorteilhafter wäre es, den feinen Staub zu nutzen, der zuhauf vor Ort vorhanden ist und den Mond in einer mehreren Meter dicken Schicht bedeckt.

Baumaterial Mondstaub
Genau hier setzt die aktuelle Studie an. Die Autorinnen und Autoren experimentierten mit Laserstrahlen unterschiedlicher Stärke und Größe (bis 100 mm Durchmesser und 12 Kilowatt Leistung), um Mondstaub in ein robustes Baumaterial zu verwandeln. Dafür verwendeten sie ein feinkörniges Material (EAC-1A), welches von der European Space Agency (ESA) offiziell als Äquivalent für Mondstaub deklariert wird.

Die großen Brennflecken des Lasers ermöglichen eine hohe Geschwindigkeit beim Schmelzen des Materials zu festen, flächendeckenden Strukturen, was für den Bau von Straßen und Landeplätzen essenziell wäre. Bei den Versuchen stellte sich jedoch heraus, dass bei einem Überlappen der Laserstrahlen die enorme Energiedichte zu hohen Temperaturunterschieden und Spannungen im Material und folglich zu Rissen führt.

Aus diesem Grund entwickelte das interdisziplinär zusammengesetzte Team dreieckige, geometrische Formen mit einer Öffnung in der Mitte, bei denen sich die Laserspuren beim Druck nicht überlappen. Das Ergebnis: „Pflastersteine“, die perfekt ineinandergreifen und so eine solide Oberfläche bilden.

Sonnenlicht statt Laser
Auf dem Mond könnte der Laser, der mit über einer Tonne Gewicht zu schwer für einen Transport zum Mond wäre, durch eine hochbrechende Linse von mehreren Quadratmetern ersetzt werden. Sie könnte das Sonnenlicht so bündeln, dass es die Intensität des Lasers ersetzt. Ein solche Linse auf Folienbasis („Fresnel-Linse“) würde weniger als zehn Kilogramm wiegen und ließe sich somit leicht zum Mond transportieren.

Entsprechend stolz ist Jens Günster, Projektkoordinator und Leiter des Fachbereiches Multimateriale Fertigungsprozesse an der BAM: „Unsere Ergebnisse zeigen das große Potenzial, das in der additiven Fertigung steckt. Sie bringen uns einen bedeutenden Schritt näher zum Aufbau einer verlässlichen Infrastruktur auf dem Mond, wie sie die europäische Raumfahrtorganisation ESA plant.“

Publikation:
Laser melting manufacturing of large elements of lunar regolith simulant for paving on the Moon
https://www.nature.com/articles/s41598-023-42008-1
pdf: https://www.nature.com/articles/s41598-023-42008-1.pdf

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• 3D-Drucker in der Raumfahrt

Der Beitrag 3D-Druck verwandelt Mondstaub in Straßen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: BAM. 15. März 2023.

15. März 2023 – Bei pulverbasierten 3D-Druckverfahren wird ein Bauteil durch das Aufbringen von Schichten eines fließfähigen Pulvers aufgebaut. Die einzelnen Schichten werden dann mittels Laserstrahl verschmolzen und anschließend aus dem Pulverbett herausgetrennt. In früheren Kampagnen wurde die industriell bereits erfolgreiche Fertigungsmethode des Selektiven Laserschmelzens, das Laser-based Powder Bed Fusion (LPBF), in Schwerelosigkeit erprobt. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass ein Gasstrom durch das Pulver die für den Schichtauftrag notwendige Gravitation ersetzen kann. Erste metallische Bauteile wurden in der Schwerelosigkeit erfolgreich gefertigt.

„Die additive Fertigung wird zunehmend auch für die Luft- und Raumfahrtbranche wichtig“, erklärt Prof. Dr. Jens Günster, Projektleiter und Leiter des Fachbereiches Multimateriale Fertigungsprozesse an der BAM. „Durch die Optimierung von pulverbasierten 3D-Druckverfahren, wie sie die BAM bei der Parabelflugkampagne erprobt, können Bauteile in Zukunft vor Ort hergestellt und so Weltraummissionen effizienter und nachhaltiger werden.“

Im aktuellen Experiment liegt der Fokus auf der Optimierung des Pulverauftrags sowie der Qualitätskontrolle und Visualisierung der aufgetragenen Schichten. Dazu wird die im letzten Experiment erprobte und weiterentwickelte Depositionseinheit genutzt, in der das Pulver nicht aus einem einzelnen großen Behälter appliziert wird, sondern mittels einzelner Zellen, die in einer Wabenstruktur verbunden sind. Das Design reduziert das Verklumpen einzelner Pulverpartikel und unterstützt einen homogenen Schichtauftrag. Zusätzlich setzt das Team einen Linienscanner ein, um die einzeln aufgetragenen Pulverschichten während des Druckprozesses zu vermessen. So kann erstmals die Oberflächenqualität während der Herstellung ermittelt werden.

Ein weiterer Schwerpunkt des Experiments liegt auf der Untersuchung von Mondregolith-Simulant als Fertigungsmaterial für Ersatzteile. Die Nutzung von vorhandenen Materialien vor Ort, wie pulverisiertem Mondgestein, kann Raumfahrtmissionen noch flexibler gestalten. Anknüpfend an vorangegangene Versuche soll das Schmelzverhalten von Mondstaub im additiven Fertigungsprozess weiter untersucht werden. Insbesondere die Ausbildung eines Schmelzbades im Pulverbett für unterschiedliche Größen des Laserstrahls in Schwerelosigkeit sowie in normaler Erdgravitation und Hypergravity stehen dabei im Fokus.

Ein zweites Experiment, das von der xolo GmbH Berlin geleitet wird und an dem die BAM beteiligt ist, testet ein neues additives Fertigungsverfahren für Polymerwerkstoffe, das für Anwendungen in der regenerativen Medizin eingesetzt werden soll. Das BAM-Team will das Verfahren von xolo in Zusammenarbeit mit der Montanuniversität Leoben (Dr. Johanna Sänger und Prof. Dr. Raúl Bermejo) mit neuen Werkstoffen kombinieren und für Weltraummissionen optimieren.

Projekt Pulverbasierte additive Fertigung unter Schwerelosigkeit
https://www.dlr.de/de/ar/themen-missionen/weltraumforschung/forschung-unter-weltraumbedingungen/forschungsplattformen/parabelflug/parabelflug-40/additive-fertigung

Interview mit Jens Günster zur Forschung der BAM an additiven Verfahren für Weltraummissionen
https://www.bam.de/Content/DE/Interviews/material-interview-jens-guestner-pulverbasierte-additive-fertigung-unter-schwerelosigkeit.html

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• 3D-Drucker in der Raumfahrt

Der Beitrag Additive Fertigung: BAM optimiert 3D-Druck, um Weltraummissionen nachhaltiger zu gestalten erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: BAM.

31. März 2022. Gefördert wird das Großprojekt, das auf 3,5 Jahre angelegt ist, vom EU-Programm Horizon 2020 mit 23 Millionen Euro. Einfließen in das Brandmanagementsystem sollen die Daten der rund 40 Satelliten des europäischen Atmosphärenüberwachungsdienstes Copernikus. Sie werden dem Projekt von der Europäischen Weltraumorganisation ESA zur Verfügung gestellt.

Teil des Systems werden ferner mit künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen entwickelte Simulationen sein, durch die sich die Ausbreitung von Bränden vorhersagen lässt, Drohnen zur Echtzeit-Überwachung von Wäldern sowie Virtual Reality bei der Ausbildung von Einsatzkräften. Geplant ist auch ein integriertes Risikobewertungssystem, mit dem sich Brände wirkungsvoll bekämpfen oder möglichst ganz verhindern lassen.

Implementiert wird das Brandmanagementsystem zunächst in acht der beteiligten Länder. In Deutschland findet der Testlauf unter Leitung der BAM statt, die langjährige Erfahrung in der experimentellen Untersuchung von Bränden und deren Ausbreitung hat.

„Wir werden zudem Bodenproben aus Brandenburg und Sachsen-Anhalt, Regionen, die in Deutschland in den letzten Jahren besonders von Waldbränden betroffen waren, gezielt auf ihre Rolle bei der Brandausbreitung untersuchen“, erklärt Anja Hofmann-Böllinghaus, die die Projekt-Beteiligung der BAM verantwortet. „Dazu werden wir Parameter wie Dichte, pH-Wert und den speziellen Aufbau des organischen Materials im Waldboden näher betrachten. Die Erkenntnisse sind entscheidend, um zu verstehen, wie sich Waldbrände ausbreiten, aber auch um die Wirksamkeit von Löschmaßnahmen und die Wahl geeigneter Löschmittel beurteilen zu können.“

Weltweit haben Waldbrände in den letzten Jahren stark zugenommen. Wissenschaftler*innen gehen davon aus, dass mit dem Klimawandel das Risiko solcher Umweltkatastrophen weiter drastisch steigen wird. Denn auch Hitzeperioden und Trockenheit nehmen mit der fortschreitenden Erderwärmung zu – sie sind ideale Katalysatoren für Brände. Außerdem wüten die Feuer durch den Klimawandel inzwischen länger und intensiver.

Der weltweite Klimawandel ist nicht nur immer häufiger Auslöser von Waldbränden, er sorgt auch dafür, dass Waldbrände selbst eine wachsende Gefahr für das Klima sind: Die Flammen setzen große Mengen CO₂ und klimaschädlicher Substanzen wie Methan und Ruß frei und sie zerstören große Waldflächen, die für die Verlangsamung des Klimawandels bedeutsam wären.

Umso wichtiger ist es, Brände durch präventive Maßnahmen zu verhindern und dort, wo dies nicht möglich ist, Brandherde früh zu erkennen und sie rasch zu bekämpfen. Mit dem neuen Brandmanagementsystem des Forschungsverbundes, an dem die BAM beteiligt ist, würde man diesem Zielen deutlich näherkommen.

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Klimawandel

Der Beitrag Fire Science: Neues Brandmanagementsystem soll Gefahr von Waldbränden deutlich reduzieren erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: BAM.

2. März 2022 – Zusammen mit der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR (Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt) und der DHM Prüfsysteme hat die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in der 38. Parabelflugkampagne des DLR im Februar 2022 ein verbessertes Design für das Drucken in Schwerelosigkeit getestet und daraus neue Erkenntnisse abgeleitet.

„LSDzero – Pulverbasierte additive Fertigung unter reduzierten Schwerkraftbedingungen“ so heißt das Forschungsvorhaben, bei dem ein Bauteil Schicht für Schicht aufgebaut wird. Voraussetzungen dafür sind ein fließfähiges Pulver sowie ein virtuelles 3D-Modell des gewünschten Bauteils. Nach dem Schichtauftrag wird beim Selektiven Laserschmelzen (LPBF) die Geometrie aus dem virtuellen 3D-Modell mittels Laser in die einzelne Schicht übertragen. Ein zentraler Aspekt ist dabei die Homogenität der Schichten: Bilden sich z. B. Poren im Bauteil, hat das unmittelbare Auswirkungen auf die Qualität und Stabilität. Eine zusätzliche Herausforderung für die Anwendung in der Raumfahrt sind die verschiedenen Gravitationsverhältnisse. In vergangenen Experimenten konnte das Forschungsteam nachweisen, dass ein Gasstrom, der durch das Pulver hindurchgeleitet wird, die Gravitation ersetzen kann.

Bei der Kampagne im Februar haben die Wissenschaftler*innen jetzt den Schichtauftragsmechanismus noch einmal optimiert: Die Depositionseinheit, mit der das Pulver zu einer homogenen Schicht aufgetragen wird, bestand bislang aus einem einzigen Pulverbehälter – was eine ungleichmäßige Verteilung des Pulvers im Behälter während der Schwerelosigkeit zur Folge hatte. Getestet wurde nun ein neues Pulverreservoir mit Wabenstruktur, die zudem mechanisch angeregt wurde. Durch dieses Design wird die Agglomeration des Pulvers auf die einzelnen Zellen beschränkt und die Pulverpartikel werden durch die Vibration homogen in den einzelnen Zellen verteilt. Die Auswertungen der aktuellen Experimente zeigen, dass das neue Design tatsächlich die Schichtqualität verbessert und damit insgesamt die Qualität der Bauteile erhöht.

Die detaillierten Ergebnisse der Entwicklung der Pulverdeposition werden im März auf der International Conference on Advanced Manufacturing for Air, Space and Land Transportation (ICAM22) vorgestellt. Die Konferenz, die von der europäischen Raumfahrtorganisation ESA und der US-amerikanischen Luft- und Raumfahrtbehörde NASA co-organisiert wird, bringt erstmalig internationale Kompetenzen im Bereich fortgeschrittene Produktionstechnologien (z.B. Material und Prozesse) und Raumfahrt zusammen.

Zur Bündelung von Kompetenzen im Bereich 3D-Druck für Luft- und Raumfahrtanwendungen unterstützt die BAM zudem die Bildung des Netzwerks Aero+Space des Vereins Mobility goes Additive (MGA). Schirmherrin der Working Group Aero+Space ist die Technische Universität Berlin. Die Working Group verbindet Industrie und Forschungsgruppen, um gegenseitige Anforderungen zu definieren und gemeinsame Projekte z.B. im Bereich Materialien, Prozesse oder auch Qualifizierung und Standards, durchzuführen.

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• 3D-Drucker in der Raumfahrt

Der Beitrag 3D-Druck: Parabelflug-Experimente liefern neue Erkenntnisse zur Bauteil-Qualität erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: TU Clausthal.

6. Juli 2021 – Für Professor Jens Günster war es schon ein bekanntes Szenario: als der Flug im Airbus A310 zwischen 7600 und 8500 Höhenmetern plötzlich für mehr als 20 Sekunden in die Schwerelosigkeit überging. Wie bereits in den Jahren 2017 und 2018 nahm der Materialwissenschaftler, der an der TU Clausthal sowie an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) tätig ist, auch in 2021 an einer Parabelflug-Kampagne teil. Das Programm – in diesem Jahr von der Europäischen Raumfahrt Agentur ESA vom Flughafen Paderborn-Lippstadt aus durchgeführt – ermöglicht es der Wissenschaft, Experimente unter Bedingungen vorzunehmen, die der Schwerelosigkeit gleichkommen.

Die aktuellen Flüge fanden in der vergangenen Woche statt. Im Rahmen eines innovativen Forschungsprojektes mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt setzte Professor Günster dabei eine Versuchsreihe zum Thema additive Fertigungsverfahren bzw. 3D-Druck in der Schwerelosigkeit fort. Mit an Bord war nicht nur wieder ein Drucker, der von der Clausthaler Firma DHM Prüfsysteme hergestellt wurde. Mit an Bord war dieses Mal auch der Inhaber des Unternehmens, Dr. Harald Müller, ein Alumnus der TU Clausthal.

In einem Labor der Universität hatte das Team die Experimente vorbereitet. Später in der Erdatmosphäre wurden Drucker, Software und Druckprozess dann unter den Anziehungskraft-Bedingungen von Mond und Mars getestet. Diese Gravitationen werden durch bestimmte Flugmanöver (siehe Grafik) erreicht. So kann die Marsgravitation für rund 30 Sekunden simuliert werden. Unter Bedingungen wie im Weltall haben die Clausthaler beispielsweise erfolgreich getestet, wie sich ein Schraubenschlüssel per 3D-Druck herstellen lässt. Die Ergebnisse der Experimente können Astronauten bei zukünftigen Weltraumissionen helfen, wenn sie Ersatzteile herstellen müssen.

Das Flugzeug für die Parabelflüge war die einstige „Konrad Adenauer“ aus der Flugbereitschaft des Bundes. Nach dem Umbau bietet der Airbus Platz für zehn bis dreizehn verschiedene Experimente und deren Teams. Daneben sei geschultes Personal an Bord, das die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler absichere, erläuterte Günster. „Teilweise lasten bei den Manövern bis zu 2 g auf uns“, so der Clausthaler, den auch Mitarbeiter der BAM begleiteten. Bei den jeweils sechs Stunden andauernden Flügen werden bis zu 31 Parabelmanöver absolviert. Dieses Programm wird an mehreren Tagen wiederholt, so dass es für die Beteiligten mit einer großen körperlichen Belastung einhergeht. Nach dem Abschluss der Flüge waren sich die Clausthaler und BAM-Mitarbeiter einig: „Die Parabelflüge sind eine überragende Erfahrung. Die Experimente und das Erlebnis lassen die körperlichen Strapazen schnell vergessen.“

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Parabelflüge

Der Beitrag Erneut Experimente bei Parabelflügen durchgeführt erschien zuerst auf Raumfahrer.net.