Modular ISRU Systems as a Building Block for Sustainable Space Exploration

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Abstract

Die führenden Raumfahrtagenturen haben in der Global Exploration Roadmap notwendige Technologien für die langfristige Exploration des Sonnensystems aufgezeigt. Fundamental für nachhaltige Explorations- und Habitations-Missionen zum Mond, Mars und darüber hinaus ist die sogenannte In Situ Ressource Utilization (ISRU). Definierte Produktionssysteme auf der Grundlage von Wasserstoff-Wertschöpfungsketten werden als wesentliche Bausteine zur Umwandlung der verfügbaren Ressourcen in wertvolle Elemente für Energie-, Antriebs-, Lebenserhaltungs- oder Produktionssysteme genutzt.
Die aktuelle Forschung an der TU Dresden befasst sich mit der Entwicklung von ISRU-Systemen unter Verwendung eines modularen Anlagenkonzepts aus standardisierten, austauschbaren und wiederverwendbaren Modulen. Die Entwicklungs-, Produktions- und Automatisierungsprozesse werden auf der Grundlage der bestehenden Standards für modulare Prozessanlagen (VDI 2776) und modulare Automatisierung (VDI/VDE/NAMUR 2658) für die terrestrische Anwendung definiert. In einzelnen Modulen, den sogenannten Process Equipment Assemblies, werden ausgewählte verfahrenstechnische Operationen realisiert. Über funktionale Schnittstellen können die Module zu unterschiedlichen Anlagenkonfigurationen zusammengeschaltet werden und ermöglichen so die Erstellung flexibler Produktionsketten. Diese standardisierten Architekturen werden an die Anforderungen der Weltraumumgebung angepasst. Im Vergleich zu derzeit entwickelten hochspezialisierten Systemen mit limitierten Anwendungsmöglichkeiten ermöglicht ein Modularisierungskonzept nach diesen Standards den flexiblen Einsatz für unterschiedliche Missionen und Umgebungsbedingungen. Die Standardisierung von Modulen und deren Schnittstellen minimiert den Entwicklungsaufwand und das entstehende Risiko, führt zu einer gesenkten Markteintrittsschwelle für kleine und mittelständische Unternehmen aus unterschiedlichen Marktsegmenten und fördert den kommerziellen Wettbewerb zwischen den Herstellern.
Diese Arbeit beinhaltet erste Recherchearbeiten als Grundlage für den zukünftigen Entwicklungsprozess von modularen ISRU-Prozessanlagen. Ein wichtiger Input für die ganzheitliche Entwicklung von modularen ISRU-Anlagen sind die Top-Level-Missionscharakteristika und die daraus abgeleiteten Sub-Level-Anforderungen. Sie stellen einen wertvollen Input für den Entwicklungs- und Nutzungsprozess von modularen ISRU-Anlagen in der Raumfahrt dar. Um diese Anforderungen zu erarbeiten, sollen repräsentative Rückkehrmissionen zu Mond und Mars mit Hilfe einer TU Dresden-eigenen Berechnungstoolbox verglichen werden. Zur Etablierung dieser Toolbox wird die bemannte SpaceX Mission zum Mars als erste Referenzmission ausgewählt und zur Entwicklung einer analytischen Berechnungslogik basierend auf Hohmann-Transfer, Patched Conic Ap-proximation, Aerocapture und Aerobraking genutzt. Der erforderliche Detaillierungsgrad sowie die notwendigen Eingabe- und Ausgabeparameter werden untersucht. Es werden sieben Missionsvarianten mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad entwickelt und hinsichtlich ihrer Machbarkeit und der Missionsparameter Geschwindigkeit, Δv, Treibstoffmasse und Nutzlastmasse verglichen.
Die Untersuchung führt zu einer praktikablen analytischen Berechnungslogik, die als Grundlage für die Erstellung der Berechnungstoolbox verwendet wird. Ausgehend von der analysierten Referenzmission wird ein erster Überblick über die Anforderungen an die Produktionsgüter, die Kapazität und die Zeit und den Zyklus der Produktion abgeleitet. Die Ergebnisse werden auf den Entwicklungsprozess der modularen ISRU-Anlage übertragen und bilden die Grundlage für weitere Forschungen.

Details

Original languageEnglish
Number of pages15
Publication statusPublished - 18 Sep 2022
Peer-reviewedNo

Conference

TitleInternational Astronautical Congress
Abbreviated titleIAC
Conference number73
Duration18 - 22 September 2022
Website
Degree of recognitionInternational event
Location
CityParis
CountryFrance

Keywords

Subject groups, research areas, subject areas according to Destatis

Keywords

  • In Situ Resource Utilization (ISRU), Mars Mission, Bemannt, SpaceX, Starship, Hohmann Transfer, Patched Conic Approximation, Aerocapture, Aerobraking