ROBEX – Robotische Erkundung unter Extrembedingungen
Inhaltsverzeichnis
Projektdaten
| Titel | Title ROBEX – Robotische Exploration unter Extrembedingungen | Robotic Exploration of Extreme Environments Förderer | Funding Helmholtz-Gemeinschaft |
Bericht aus dem Jahrbuch 2017
IN EISIGEN TIEFEN – BETON FÜR DIEMEERESFORSCHUNG
3D-Druck einer selbstaufrichtenden Konstruktion aus modularen Elementen für den Einsatz auf dem Mond, fotografiert während der Demo-Mission im Sommer 2017 auf dem Ätna
Zum Jahresende 2017 wurde die Helmholtz Allianz ROBEX – Robotic Exploration of Extreme Environments (www.robex-allianz.de) nach fünf erfolgreichen Jahren abgeschlossen. In zwei sehr unterschied-lichen Teilprojekten wurden dabei Möglich-keiten für das Bauen auf dem Mond untersucht und Betondruckgehäuse aus ultrahochfestem Beton (UHPC – ultra-high performance concrete) für die Tiefsee entwickelt. Ziel hierbei ist es, verschiedene Anwendungen der Tiefseeforschung wie zum Beispiel autonome Unterwasser-fahrzeuge in schwer zugänglichen Gebieten über lange Zeit mit Energie zu versorgen.
UHPC ist durch seine abgestimmte Korngrößenverteilung der Zuschlagstoffe, die Verwendung fein gemahlenen Zements und die Zugabe von Mikrosilika als Füllstoff sehr gut für wasserdichte Strukturen geeignet. Neben der hohen Dichtigkeit des Materials zeichnet sich UHPC auch durch eine im Vergleich zu Normalbeton sehr hohe Druckfestigkeit von bis zu 250 MPa aus. Innerhalb des Projekts wurden unterschiedliche Gehäuseformen und Dichtungssysteme entwickelt, hergestellt und getestet. Neben einer Vielzahl an Kurzzeitdruckversuchen im Drucktank des Deutschen Forschungsinstituts für künstliche Intelligenz (DFKI) in Bremen konnten auch zwei Langzeitversuche im Arktischen Ozean in 2.500 m Tiefe bei -1 °C absolviert werden (2015/16 und 2016/17). Dabei konnte gezeigt werden, dass die Gehäuse aus UHPC ohne zusätzliche Beschichtung auch nach einem Jahr wasserdicht sind. In zahlreichen numerischen Simulationen unter Verwendung des nichtlinearen Materialgesetzes multiPlas in ANSYS konnten Parameterstudien für die Bemessung durchgeführt und mit den experimentell ermittelten Daten abgeglichen werden. Beispielsweise wurde der Einfluss einer mehraxialen Belastung auf UHPC an 10er Würfeln in der Triaxial-Prüfmaschine ermittelt und berücksichtigt. Anhand der gewonnenen Ergebnisse konnten Bemessungsvor-schläge abgeleitet werden. Zum derzeitigen Stand ergibt sich somit ein praktikabler
Einsatzbereich für zylindrische Betondruckgehäuse von 3.000 bis 3.800 m.
Im Teilprojekt „Bauen auf dem Mond“ wurden modulare Strukturen entwickelt und untersucht, die am Boden gefertigt und montiert und ohne Hebetechnik aufgerichtet werden können. Eine so errichtete Basis könnte in Zukunft als Forschungs- und Schutz-konstruktion oder als Ausgangspunkt für die Erkundung anderer Planeten, wie z. B. dem Mars, genutzt werden. Ziel ist es, den Beton für die einzelnen Segmente aus den Ressourcen des Mondes zu gewinnen.
Bericht aus dem Jahrbuch 2016
Aufgetaucht – Beton in der Tiefsee
Druckgehäuse aus UHPC nach einem Jahr in 2.500 m Tiefe im arktischen Ozean
Im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX – Robotic Exploration of Extreme Environments (www.robex-allianz.de) wird am Institut für Massivbau an zwei Teilprojekten gearbeitet, die unterschiedlicher kaum sein können: die Entwicklung von Betondruckgehäusen für die Tiefsee und die Untersuchung von Möglichkeiten für das Bauen auf dem Mond.
Für den Einsatz in der Tiefsee ist ultrahochfester Beton (UHPC – ultra-high performance concrete) mit Druckfestigkeiten bis ca. 250 N/mm² und damit dem ca. Achtfachen von Normalbeton ein ideales Material. Durch eine genau abgestimmte Korngrößenverteilung der Zuschlagstoffe, fein gemahlenen Zement und die Zugabe von Mikrosilika als Füllstoff entsteht ein sehr dichtes Gefüge. Der gegenüber Normalbeton um ein Vielfaches kleinere Porenraum von UHPC macht den Werkstoff wasserdicht bis hin zu gasdicht. Der Fokus der Forschung liegt neben der Formoptimierung von Druckgehäusen unter hydrostatischer Belastung auf deren Bemessung unter Ausnutzung der erhöhten Druckfestigkeit des Betons bei mehraxialer Beanspruchung.
Nach Kurzzeitdruckversuchen im Drucktank des Deutschen Forschungsinstituts für künstliche Intelligenz (DFKI) in Bremen konnte nunmehr auch die Langzeitbeständigkeit gezeigt werden. Im Juli 2016 wurde ein Betondruckgehäuse nach einem Jahr im Arktischen Ozean aus 2.500 m Tiefe geborgen. Über ein Jahr lang waren das Kriechverhalten unter zweiaxialer Beanspruchung und die Entwicklung der Feuchtigkeit und Temperatur im Inneren aufgezeichnet worden. Ohne eine zusätzliche Beschichtung hielt die 25 mm starke UHPC-Wand des Gehäuses dem Wasserdruck von ca. 250 bar sicher stand.
Im Teilprojekt Bauen auf dem Mond wurden modulare Strukturen entwickelt und untersucht, die am Boden montiert und ohne Hebetechnik aufgerichtet werden können. Eine so errichtete Mondbasis könnte in Zukunft als Forschungs- und Schutzkonstruktion oder als Ausgangspunkt für die Erkundung anderer Planeten, wie z. B. dem Mars, genutzt werden. Ziel ist es, den Beton für die einzelnen Segmente aus den Ressourcen des Mondes zu gewinnen. Als Fertigungsverfahren werden derzeit zwei Methoden untersucht: die Fertigung mit Hilfe von Dampfdruck und das 3D-Drucken mit Beton.
Bericht aus dem Jahrbuch 2015
Abgetaucht – Beton in der Tiefsee
Test eines Kameragehäuses aus UHPC nahe der Insel Vulcano (Italien)
Im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX – Robotic Exploration of Extreme Environments (www.robex-allianz.de) findet am Institut für Massivbau die Entwicklung von Beton-Druckgehäusen für die Tiefsee statt. Die Tiefseeforschung ist ein wesentlicher Bestandteil der Meeresforschung. Dabei spielen neben ökologischen Aspekten auch zunehmend wirtschaftliche Interessen wie die Suche nach alternativen Energieressourcen (z. B. Methanhydrat) eine bedeutende Rolle. Für den Aufbau von temporären und permanenten Forschungsstationen unter Wasser werden aufgrund der extrem korrosiven Umgebung bisher vorwiegend teure Materialien wie Titan und Aluminium verwendet. Die Fertigung der Gehäuse erfolgt in der Regel durch CNC-Fräsen, ist kostenintensiv und die herstellbare Gehäusegröße wird durch die verfügbare Maschine limitiert.
Ultrahochfester Beton (UHPC – ultra high performance concrete) ermöglicht Druckfestigkeiten bis ca. 250 N/mm² und damit ca. das 8-Fache im Vergleich zu üblichem Normalbeton. Der grundlegende Unterschied zu Normalbeton liegt dabei in der Zusammensetzung. Als Zuschlag werden feste Materialien wie z. B. Quarz, Basalt, Bauxit oder Korund verwendet. Durch eine genau abgestimmte Korngrößenverteilung der Zuschlagstoffe, die Verwendung fein gemahlenen Zements und die Zugabe von Mikrosilika als Füllstoff entsteht ein Gefüge mit hoher Packungsdichte. Der gegenüber Normalbeton um ein Vielfaches kleinere Porenraum von UHPC macht den Werkstoff wasserdicht bis hin zu gasdicht.
Der Fokus der Forschung liegt neben der Formoptimierung unter hydrostatischer Belastung auf der Bemessung der Gehäuse unter Berücksichtigung der erhöhten Druckfestigkeit des Betons unter mehraxialer Beanspruchung. Dabei werden in mehraxialen Druckversuchen die Materialparameter für die Kalibrierung von nichtlinearen Betonmodellen für die numerische Simulation ermittelt. Die UHPC-Gehäuse werden in der Druckkammer des Deutschen Forschungsinstituts für künstliche Intelligenz (DFKI) in Bremen bis zur Implosion getestet, um die Kurzzeitfestigkeit zu ermitteln. Zur Ermittlung der Dauerhaftigkeit und des Kriechverhaltens unter hohem hydrostatischem Druck wurde im Juli 2015 mit Hilfe des Alfred-Wegener-Instituts (AWI) ein Druckgehäuse während einer Polarstern-Expedition in der Arktis in 2500 m Tiefe ausgesetzt, wo es nun für ein Jahr verbleibt.
Vielen Dank an die Firma WPE für die Unterstützung im Projekt.
Bericht aus dem Jahrbuch 2014
ROBEX − Zwei Welten begegnen sich
Prototyp eines Druckgehäuses aus UHPC für die Tiefsee
Zu den bisherigen Partnern der Helmholtz-Allianz ROBEX (Robotische Exploration unter Extrembedingungen) konnten in diesem Jahr mit der Universität Würzburg und Airbus zwei weitere Partner gewonnen werden. Die Grundidee der Allianz ist die Verbindung der Forschungsbereiche Raumfahrt und Tiefsee zur Identifikation gemeinsamer Problemstellungen in Bereichen wie Navigation, Energieübertragung oder Sammeln von Messdaten unter extremen Umgebungsbedingungen. Im Fokus stehen die Bündelung von Ressourcen und die gemeinsame Entwicklung von neuen Technologien für Anwendungsgebiete in der Tiefsee und auf dem Erdmond.
Der Forschungsschwerpunkt am Institut für Massivbau liegt dabei in der Erschließung neuer Anwendungsfelder von Beton. Neben der Untersuchung der Anwendbarkeit von UHPC in der Tiefsee ist die Entwicklung eines Betons, der vorwiegend aus lunaren Ressourcen besteht und unter lunaren Bedingungen herstellbar ist, Bestandteil des Projekts. Mit Hilfe eines weiterentwickelten Dampfdruckverfahrens werden ein Trockengemisch, bestehend aus Zuschlag und Zement, in einer Probenform unter Dampfdruck erhärtet. Erste Versuche haben gezeigt, dass nach kurzer Zeit der Durchströmung mit Dampf und somit bei nur geringem Einsatz von Wasser vergleichsweise gute Festigkeiten erreicht werden können. Ziel der Materialentwicklung ist die Errichtung einer permanenten Mondbasis, die als Forschungsstation, Schutzkonstruktion oder als Ausgangspunkt für die Erkundung anderer Planeten genutzt werden könnte.
Im Bereich der Tiefseeforschung konnten nach nur einem Jahr Entwicklungszeit die ersten Druckgehäuse aus ultrahochfestem Beton fertiggestellt und in der Druckkammer des GEOMAR in Kiel getestet werden. Bisher werden dafür aufgrund der extrem korrosiven marinen Umgebung vorwiegend teure Materialien wie Titan und Aluminium verwendet. Eine kostengünstige UHPC-Alternative könnte helfen, größere temporäre und permanente Forschungsnetzwerke zu errichten. Die Konzeption der Betongehäuse erfolgte für 3000 m und 5000 m Wassertiefe und die berechnete Last konnte ohne Implosion erreicht werden. Auch die Erfüllung der Anforderungen an Dichtigkeit und Wiederverschließbarkeit konnten demonstriert werden. Das verwendete Material wurde dankenswerter Weise von der Firma WPE (Rheinsberg) zur Verfügung gestellt. Weitere Untersuchungen zum Langzeitverhalten sowie im Bereich alternativer Dichtungskonzepte befinden sich in Planung.
Bericht aus dem Jahrbuch 2013
Forschung unter Extrembedingungen
Reaktor zur Herstellung von Beton im Dampfhärtungsverfahren.
Die Helmholtz-Allianz „ROBEX“ (Robotische Exploration unter Extrembedingungen) ist ein Verbundforschungsvorhaben, an dem 15 Institutionen in ganz Deutschland beteiligt sind. In dieser Allianz sind weltweit erstmalig die Forschungsfelder Raumfahrt und Tiefsee, die beide mit extremsten Umgebungsbedingungen zu tun haben, miteinander verknüpft. Im Fokus steht die gemeinsame Entwicklung von Technologien für die Erforschung von schwer zugänglichen Gebieten wie Tiefseegräben und Erdmond – den beiden Hauptforschungsgebieten −, aber auch von Polargebieten oder anderen Himmelskörpern.
Unser Institut ist dabei kompetenter Partner auf beiden Seiten. Mit unserer langjährigen Erfahrung im Bereich des Hochleistungsbetons arbeiten wir in zwei Teilprojekten mit verschiedenen Projektpartnern zusammen. Im Bereich Raumfahrt besteht die wissenschaftliche Herausforderung in der Entwicklung eines Betons, der größtenteils aus Materialien der Mondoberfläche besteht und unter lunaren Bedingungen herstellbar ist. Das neu entwickelte Material und ein zugehöriges geeignetes Herstellungsverfahren könnten zukünftig bei der Errichtung einer permanenten Mondbasis Anwendung finden, die als Forschungsstation, Schutzkonstruktion oder als Ausgangspunkt für die Erkundung anderer Planeten, wie z. B. dem Mars, genutzt werden soll. Um den Wasserbedarf im Beton zu minimieren, wird derzeitig an einem Dampfdruckverfahren gearbeitet, das später für die Herstellung von Fertigteilen genutzt werden kann.
In der Tiefseeforschung spielen neben ökologischen Aspekten auch zunehmend wirtschaftliche Interessen, wie die Suche nach alternativen Energieressourcen, z. B. in Form von Methanhydrat, eine bedeutende Rolle. Für den Aufbau von temporären und permanenten Forschungsstationen unter Wasser oder auch für Druckbehälter für Messgeräte werden aufgrund der extrem korrosiven Umgebung bisher vorwiegend teure Materialien wie Titan und Aluminium verwendet. Deshalb wird in unserem zweiten ROBEX-Teilprojekt zusammen mit der Jacobs-Universität Bremen die Eignung von hochfestem Beton für Unterwasser-Druckbehälter untersucht, um eine kostengünstige Alternative zu den derzeit verwendeten Titanbehältern zu schaffen. Dabei müssen eine geeignete Betonzusammensetzung und eine entsprechende Bewehrung gefunden und die Auswirkungen der marinen Umweltbedingungen, wie hoher Druck und eine hohe Konzentration von Chloriden und Sulfaten im Hinblick auf die Korrosion, untersucht werden.
Bericht aus dem Jahrbuch 2012
Bauen auf dem Mond – nur Zukunftsmusik?
Regolithersatzstoff
Das ROBEX-Projekt (Robotic Exploration of Extreme Environments) ist eine Helmholtz-Allianz, bestehend aus dem Alfred Wegener Institut (AWI), dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), dem Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel (GEOMAR), der MARUM Universität Bremen, der Jacobs Universität Bremen, dem Deutschen Forschungsinstitut für künstliche Intelligenz (DFKI) sowie den Technischen Universitäten München, Kaiserslautern, Berlin und Dresden. Ziel ist es, zwei bisher separate Forschungsfelder, die beide mit extremsten Umgebungsbedingungen zu tun haben, miteinander zu verknüpfen: die Tiefsee und den Mond. Dabei soll eine übergreifende Allianz zur Identifikation gemeinsamer Technologien entstehen, deren Fokus auf die (Weiter-)Entwicklung mobiler und modularer Infrastrukturen, wie z. B. zentrale Docking-Stationen oder intelligente autonome Steuerungen, gerichtet sein wird.
Mit seiner langjährigen Erfahrung im Bereich der Hochleistungsbetone ist unser Institut kompetenter Partner der Allianz. Im Rahmen eines Teilprojektes soll ein Baustoff zur Konstruktion einer permanenten lunaren Mondbasis aus – vorwiegend – mondeigenen Ressourcen entwickelt werden. Eine solche Basis könnte als Forschungsstation, Schutzkonstruktion oder als Ausgangspunkt für die Erkundung anderer Planeten, wie z. B. dem Mars, in Zukunft genutzt werden.
Die lunaren Umgebungsbedingungen wie Vakuum, hohe Strahlungsintensität, geringe Schwerkraft und extreme Temperaturunterschiede von ca. -230 bis +120 °C stellen dabei große Herausforderungen an Material und Konstruktion dar. Neben diesen Umwelteinflüssen steht zudem der ressourcenschonende Einsatz des Baumaterials in einer strukturoptimierten Konstruktion im Vordergrund. Der Aufgabenbereich im Forschungsprojekt reicht von der Bestimmung der Materialeigenschaften über die Entwicklung eines Herstellungsverfahrens bis hin zum Entwurf einer vorzugsweise modularen lunaren Basis.
Frühere Ansätze, einen lunaren Beton herzustellen, konnten sich bisher nicht erfolgreich durchsetzen, da jedes Verfahren Schwachstellen hat. Allein die Frage nach dem Vorhandensein von Wasser auf dem Mond spielt eine entscheidende Rolle in der Entwicklung und konnte bisher noch nicht eindeutig geklärt werden. Der Weg bis zur Errichtung einer Mondbasis scheint also auch heute noch endlos weit. Mit unserem Projekt wollen wir dazu beitragen, einen Teil der noch offenen Fragen zu beantworten.