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Main Title: In situ resource utilization of Martian regolith simulants through wet-processing for unfired clay structures and sintered ceramics
Translated Title: In situ resource utilization mittels Schlickerprozessierung von Mars-Regolith-Simulanten für ungebrannte Lehmstrukturen und Sinterkeramik
Author(s): Karl, David
Advisor(s): Gurlo, Aleksander
Referee(s): Gurlo, Aleksander
Cannon, Kevin M.
Makaya, Advenit
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/13493
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-12276
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Abstract: Scientific exploration of extraterrestrial planets has gripped human imagination since the advent of space travel. A human mission to Mars could produce insights into the essential questions of how, when and where life began on Earth. Due to the vast distance involved and long crew residence time on Mars (Earth and Mars orbits only interject every 779.9 days), such an undertaking would represent an enormous scientific and financial effort that is only feasible using local materials, a concept called in situ resource utilization (ISRU). Major consumables necessary for a Martian mission and possible permanent presence would be energy, water, oxygen, food and construction materials. Owing to the harsh climate, atmosphere and radiation conditions, construction materials for habitat and equipment building would be an early requirement. In the absence of organic building materials from plants, the oxidic surface minerals (regolith) would be the only viable raw material for construction. While various past ISRU studies focused on the sintering of extraterrestrial regolith into (often pressed) ceramic bricks, no study has proposed the use of wet-processing – the most universal shaping approach for ceramic green bodies on Earth. Contrary to earlier assumptions, Mars is a differentiated planet with multifaceted geology and a variety of minerals such as felsic rock, which can transform into phyllosilicates/clay minerals if water is present (a process that we know to have taken place on Mars, with various clay resources confirmed). Accordingly, this work’s main goal is to propose wet-processing of unrefined Martian regolith simulants with and without clay as an ideally-suited shaping technology for unfired green bodies to be used directly or after sintering to produce high-strength ceramics.
Die Erforschung fremder Planeten hat seit jeher die Fantasie der Menschen befeuert. Seit dem Beginn des Raumfahrtzeitalters gibt es ernsthafte Bestrebungen, eine bemannte Mission zum Planeten Mars durchzuführen, da ein solches Unterfangen wichtige Hinweise zu der Frage liefert, wann und wo das Leben auf der Erde begann. Allerdings wären die Astronautinnen einer solchen Mission durch die große Entfernung (Erde und Mars treffen sich nur alle 779,9 Tage) zu einem langen Aufenthalt auf dem Mars gezwungen, was einen außergewöhnlichen logistischen Aufwand für die Versorgung darstellt. Um diesen Aufwand und die Kosten zu verringern, wurde die Nutzung lokaler Ressourcen vorgeschlagen – ein Ansatz, der „in situ resource utilization (ISRU)“ genannt wird. Die wichtigsten Verbrauchsmaterialien für eine bemannte Marsmission sowie eine potenzielle ständige Marspräsenz wären Energie, Wasser, Sauerstoff, Nahrungsmittel und Baumaterialien. Aufgrund der rauen Klima-, Atmosphären- und Strahlungsbedingungen kommt Materialien für den Bau von Gebäuden und Ausrüstungen eine besondere Bedeutung zu. Da auf dem Mars keine organischen Baumaterialien aus Pflanzen existieren, sind die oxidischen Oberflächenmineralien (Regolith) die einzige brauchbare Ressource für die Herstellung von Baustoffen. Während sich frühere ISRU-Studien auf das Sintern von extraterrestrischem Regolith zu (oft gepressten) Keramikziegeln konzentrierten, wird mit dieser Arbeit der universellste Formgebungsansatz für keramische Grünkörper auf der Erde in das ISRU eingeführt, die Nassprozessierung. Heute wissen wir, dass es sich bei dem Mars um einen differenzierten Planeten mit einer facettenreichen Geologie und einer Vielzahl von Mineralien handelt. Auf dem Mars gibt es felsische Gesteine, die sich in Gegenwart von Wasser in Tonminerale/Phyllosilikate umwandeln können – ein Prozess, von dem nachgewiesen ist, dass er auf dem Mars bereits stattgefunden hat (verschiedene Tonvorkommen wurden bestätigt). Das Hauptziel der vorliegen-den Arbeit ist die Nassprozessierung von unraffinierten Regolith-Mars-Simulanten mit und ohne Ton zu ungebrannten Grünkörpern, die als „Tonziegel“ direkt verwendet werden können oder nach dem Brennen/Sintern hochfeste Keramiken liefern.
Subject(s): in situ resource utilization (ISRU)
space exploration
Mars mission
Mars smectite
regolith simulant
3D printing
wet processing
Martian habitat
slurry manufacturing
slurry manufacturing
space pottery
simulated Martian atmosphere
ISRU
Weltraumforschung
Mars-Mission
Mars Smektite
Regolith-Simulant
3D-Druck
Nassverarbeitung
Mars-Habitat
Schlickerverarbeitung
Weltraum-Keramik
simulierte Marsatmosphäre
Issue Date: 2022
Date Available: 13-May-2022
Exam Date: 23-Feb-2021
Has Part: 10.14279/depositonce-7817
10.14279/depositonce-10957
10.1016/j.actaastro.2020.04.064
Language Code: en
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
666 Keramiktechnologie und zugeordnete Technologien
Series: Advanced Ceramic Materials
Series Number: 6
TU Affiliation(s): Fak. 3 Prozesswissenschaften » Inst. Werkstoffwissenschaften und -technologien » FG Keramische Werkstoffe
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