LUVMI - Lunar Volatiles Mobile Instrumentation

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Das Zeil: Die dunklen Geheimnisse des Mondes erkunden

Des Südpol des Mondes mit seinen vielen Kratern verbirgt viele Regionen permanenter Dunkelheit (Permanently Shadowed Region, PSR). Quelle: moontrek.jpl.nasa.gov

Der Mond, eine trockene Wüste?

Seit den Apollo-Missionen schien der Mond ein feindlicher, karger Ort zu sein. Aufgrund seiner mit trockenem Regolith bedeckten Oberfläche und der Abwesenheit einer temperierenden Atmosphäre ist er Temperaturschwankungen von bis zu 140 K ausgesetzt. Es wurde angenommen, dass Wasser, selbst wenn es einmal existiert hätte, wegen des herrschenden Vakuums verdampft und in den Weltraum entschwunden wäre.

Ein Geheimnis verborgen in der Dunkelheit

Die geringe Inklination der Mondbahn von nur 1° 32' ermöglicht, dass niedrige Gebiete (z. B. Kraterböden) in hohen Breitengraden in ewiger Dunkelheit bleiben. Diese permanent abgeschatteten Bereiche werden nie von Sonnenstrahlung erreicht und bleiben daher extrem kalt. Infrarot-Beobachtungen haben gezeigt, dass in einigen Kratern, insbesondere in der Nähe des Mond-Südpols, die Temperatur niemals über 100 K steigt. Dies ist so kalt, dass trotz des Vakuum im Weltraum Wassereis existieren könnte. Solche Standorte werden als "Kältefallen" bezeichnet, da sie flüchtige Elemente und Gase wie H, HO, H2, H2O, CH4, CO2, SO2 und andere, einfangen könnten, die durch den Einschlag von Meteroiten oder den Sonnenwind freigesetzt wurden.

Ein Blick aus dem Weltraum

Da diese Kältefallen niemals von der Sonne beleuchtet werden, bleiben sie zu dunkel, um direkt beobachtet zu werden. Die letzten Jahre haben jedoch neues Licht in den Schatten gebracht: Fernerkundungssatellitenmissionen wie Chandrayaan-1 oder Clementine haben deutliche Hinweise darauf geliefert, dass erhebliche Mengen flüchtiger Stoffe, darunter Wasser, in Kältefallen an den Mondpolen vorhanden sind. Im Jahr 2009 stürzte die NASA LCROSS-Mission eine verbrauchte Raketenoberstufe in den Cabeus-Krater in der Nähe des Südpols des Mondes. In der resultierenden Auswurfwolke wurde ein Wassergehalt von 5,6 +/– 2,9% beobachtet.

Zum Nachdenken anregen

Wenn sich diese Hinweise als wahr herausstellen würden, könnten riesige Mengen Wassereis auf dem Mond existieren. Allein der Cabeus-Krater mit einem Durchmesser von 95 km könnte Tausende Tonnen leicht zugänglichen Wassers, Kohlenwasserstoffe und mehr liefern. Diese Ressourcen könnten genutzt werden, um Raketentreibstoff, Sauerstoff, Trinkwasser und vieles mehr zu produzieren - und so eine permanente menschliche Präsenz auf der Mondoberfläche zu ermöglichen.

Die Herausforderung

In-Situ-Messungen sind als definitiver Nachweis für die Existenz von Mondwasser erforderlich. Bisher hat jedoch keine Mission permanent beschattete Krater am Boden untersucht. Das Project LUVMI sowie LUVMI-X und LVS-PIE wollen das ändern.

Der Volatiles Sampler - Grundlegende Idee

Computergrafik des Volatiles Sampler

Der VS verwendet einen neuartigen Ansatz für die Bodenprobenahme: Anstatt eine Probe aus dem Boden zu entnehmen, diese anschließend zu transportieren, in einen Ofen zu geben und zur Extraktion flüchtiger Verbindungen zu erhitzt, bringt der VS den Ofen zur Probe, dh in den Boden. Der VS besteht aus einem zentralen Heizelement, der von einer röhrenförmigen Hülle umgeben ist, die in den Boden eingesetzt wird, um ein zylindrisches Regolithvolumen zu umschließen. Durch Erhitzen der eingeschlossenen Probe werden die gebundenen flüchtigen Bestandteile freigesetzt. Die freigesetzten flüchtigen Stoffe erhöhen den Gasdruck in der röhrenförmigen Hülle. Dieses Gas geht entweder nach unten durch den Boden oder nach oben durch die Öffnung zum Volatiles Analyzer verloren, mit dem die chemische Zusammensetzung analysiert wird. Um die Gesamtmenge an freigesetztem Gas und damit die ursprüngliche Menge an flüchtigen Bestandteilen im Boden zu berechnen, muss die Menge an verlorenem Gas bekannt sein. Zu diesem Zweck messen zwei Drucksensoren den Gasdruck vor und nach der Blende. Dies ermöglicht die Berechnung der Gasmenge, die von der Hülle zur VA gelangt ist. Um die durch den Regolith verlorene Gasmenge zu bestimmen, kann der VS mit einem Referenzgas auf einen bestimmten Druck unter Druck gesetzt werden. Die Beobachtung des Druckverlustes über die Zeit erlaubt es dann, die Gasdurchlässigkeit des Bodens zu berechnen. Auf diese Weise kann auf die ursprüngliche Menge an flüchtigen Bestandteilen im Boden geschlossen werden. Dieser Vorgang wird im folgenden Video veranschaulicht:

Projektbeschreibungen

LUVMI

LUVMI Prototyp (Credits: Martyna Hodges, Open University)

Für das Projekt LUVMI hat sich ein internationales Konsortium aus 5 Partnern aus Wissenschaft und Raumfahrt zusammengeschlossen, um ein mobiles Labor für den Zugang und die Analyse von permanent beschatteten Regionen (Permanent Shadow Regions, PSR) zu entwickeln. Das System besteht aus einer mobilen Nutzlast-Unterstützungsplattform, die von Space Application Services entwickelt wurde. Sie kann eine Reihe von Instrumenten zur Analyse der Mondpolumgebung beherbergen.

Die Kerninstrumente von LUVMI sind der Volatiles Sampler (VS), der vom TUM-Lehrstuhl für Raumfahrttechnik und OHB-System entwickelt wird, und der Volatiles Analyzer (VA), der von der Open University entwickelt wird. Der VS ist ein Miniatur-Bodenprobengerät, das in den Mond-Regolith eingebracht werden kann. Nach dem Einbringen erhöht ein Heizelement die Temperatur des Regolith, um vorhandene gebundene flüchtige Stoffe freizusetzen. Diese freigesetzten Volatile werden aufgefangen und zum VA, einem Miniatur-Massenspektrometer, geleitet. Obwohl der VA weniger als 500 g wiegt, kann er die Menge und Zusammensetzung der wichtigsten flüchtigen Stoffe messen.

In Kombination haben diese Instrumente eine Gesamtmasse von weniger als 1,5 kg. Sie ersetzen jedoch ein ganzes Labor aus Öfen, Mechanismen und Instrumenten.

Zur Unterstützung der Rover-Navigation und der Auswahl von Standorten für Probennahmen, verfügt LUVMI außerdem über eine neuartige Micro-Lens-Array-Kamera. Diese von Dynamic Imaging Analytics entwickelte Technologie birgt ein großes Potenzial für Weltraumanwendungen, da sie die Erzeugung von 3D-Bildern mit einer einzigen Kamera ermöglicht, ein hervorragendes Signal-Rausch-Verhältnis bietet und ohne aktiven Fokussierungsmechanismus arbeitet.

LUVMI-X

LUVMI-X ist das Nachfolgeprojekt der ursprünglichen LUVMI Projekts. Ein aktualisierer und verbesserter Volatiles Sampler (VS++) und Volatiles Analyser (VA++) werden wieder Hauptinstrumente von LUVMI-X sein. Zusätzlich wurden neue Instrumente aufgenommen, um den wissenschaftlichen Impakt der vorgeschalgenen Mission weiter zu steigern. Ein Laser Induced Breakdown Spektrometer (LIBS) soll die chemische Analyse von Staub und Felsen aus der Ferne ermöglichen. Es wird von OHB, dem DLR und dem Helmholtzzentrum für Lasertechnologie entwickelt Des Weiteren wird ein Neutronenspektrometer, entwickelt von der TUM, die Strahlungsumgebung auf der Oberfläche des Mondes untersuchen.

Daneben wird er LUVMI-X Rover mit einer modularen Philosophie entwickelt. Das bedeutet, dass auf der Außenflächen des Rovers klar definierte Schnittstellen existieren, an denen verschiedenste Instrumente angeschlossen werden können. Durch Anbringen neuer Instrumente an ein schon flugerprobtes Design können zukünfige Missionen einfacher und schneller realisiert werden.

LVS-PIE

Die TUM zusammen mit OHB und ispace, Luxemburg, untersucht momentan auch die Möglichkeit den LVS in die Polar-Ice-Explorer (PIE) Mission von ispace zu integrieren. Der PIE Rover basiert hierbei auf dem Hakuto-R Rover, der im Rahmen des Google Lunar XPRICE entwickelt wurde.

Forschungsgebiete

Feuchten Staub erhitzen? Klingt einfach! .... oder?

Nicht ganz. Der Zweck des VS ist zwar, Staub zu erhitzen ... aber wie immer im Bereich der Luft- und Raumfahrttechnik gestaltet sich die Sache etwas komplizierter, als es auf den ersten Blick erscheint.

Mechanische Einbringung:

Bevor der Regolith erwärmt werden kann, muss der VS in den Boden eingebracht werden. Der VS kann jedoch nicht einfach in den Boden gedrückt werden. Bei der Schwerkraft des Mondes steht dem relativ kleinen LUVMI-Rover nicht genügend vertikale Kraft zur Verfügung. Mit anderen Worten, wenn der LUVMI-Rover versuchen würde, den VS in den Boden zu drücken, würde er sich einfach von der Oberfläche abheben. Aus diesem Grund ist der VS mit einer bohrerartigen Schale ausgestattet. Die rotierende Schale, die mit einer Schnecke und einer Schneide ausgestattet ist, kann sanft in den Boden eingeschraubt werden. Auf diese Weise wird die notwendige Vertikalkraft reduziert, während der Boden innerhalb der Bohrschale relativ ungestört bleibt.

Thermische Simulation der Mondbodenerwärmung:

Die Optimierung des Heizerdesigns ist eine große Herausforderung. Der VS wird in extrem kalten und porösen Mond-Regolith in nahezu perfektem Vakuum betrieben werden. Dies wirft zwei erhebliche Probleme auf: Erstens muss die experimentelle Überprüfung des Heizgeräts in thermischen Vakuumkammern durchgeführt werden, was teure Ausrüstung und komplizierte Verfahren erfordert. Zweitens ist es aufgrund der extrem niedrigen Wärmeleitfähigkeit des Regoliths im Vakuum schwierig, Temperaturprofile im Boden zu messen. Deshalb wird der Erwärmungsprozess in COMSOL Multiphysics simuliert, um die Anzahl der erforderlichen Tests zu verringern und die Testergebnisse besser zu interpretieren.

Thermal-Vakuum-Tests

Während Simulationen die Anzahl der erforderlichen Tests verringern können, werden Tests nicht ersetzt. Sie sind zusätzlich erforderlich, um verlässliche Simulationsergebnisse zu erhalten. Für den LUVMI VS wird ein thermischer Vakuumtest entwickelt, mit dem ein voll funktionsfähiger VS-Prototyp in einer repräsentativen Umgebung durchgehend getestet werden kann. Um dies zu erreichen, wird flüssiger Stickstoff verwendet, um das Mond-Regolith-Simulans im Hochvakuum auf -196 ° C zu kühlen.

Prototyp eines Heizelements während eines Thermalvakuumtests.
Aufbau einer Düsen-Druck-Messung.
Statischer Volatiles Sampler Prototyp nach Einbau in die Vakuumkammer.
Flüssigstickstoffkühlung der Vakuumkammer.
Temperaturfeld aus einer COMSOL Multiphysics Simulation.
3D gedruckte Bohrhülsen.
Einbringtest des VS in Mondregolith Simulat.
Der Volatiles Sampler/Volatiles Analyser Prototyp in der Thermal-Vakuumkammer.

LUVMI - Konsortium

  • Space Applications Services (Belgien) - Projektkoordinator
  • The Open University (UK)
  • Dynamic Imaging Analytics (UK)
  • Technische Universität München (D)
  • OHB System AG (D)

Förderung

LUVMI wird von der Europäischen Kommission (EC) im Rahmen des EU-Programms Horizon 2020 gefördert.

Veröffentlichungen

  • Biswas et al, "Application of the LVS Subsurface Probe on the LUVMI Rover for a Lunar Volatiles Exploration Mission", European Lunar Symposium, 2017