Wie baut man am besten Landeplätze auf dem Mond?

Wie baut man am besten Landeplätze auf dem Mond?

Künstlerische Darstellung eines Raumschiffs, das von einer Mondbasis abhebt. Bildnachweis: SpaceX

In naher Zukunft führen die NASA, die Europäische Weltraumorganisation (ESA), China und Roscosmos bemannte Missionen zum Mond durch. Dies ist das erste Mal seit der Apollo-Ära, dass Astronauten die Mondoberfläche betreten haben. Aber im Gegensatz zum „Wettlauf zum Mond“ ist das Ziel dieser Programme nicht, als Erster dorthin zu gelangen und nur ein paar Experimente und Lander zurückzulassen (dh „Fußabdruck- und Flaggen“-Missionen), sondern eine nachhaltige menschliche Präsenz auf dem zu etablieren Mondoberfläche. Das bedeutet, Lebensräume auf der Oberfläche und im Orbit zu schaffen, die von rotierenden Besatzungen genutzt werden können.

Während die NASA und andere Weltraumbehörden beabsichtigen, lokale Ressourcen so weit wie möglich zu nutzen – ein Prozess, der als In-situ-Ressourcennutzung (ISRU) bekannt ist –, wird die Schaffung von Mondbasen immer noch viele Materialien und Maschinen erfordern, die von der Erde verschifft werden müssen. In einer kürzlich durchgeführten Studie untersuchten Philip Metzger und Greg Autry die Kosten und den Energieverbrauch beim Bau von Landeplätzen auf der Mondoberfläche. Nach Prüfung verschiedener Konstruktionsmethoden stellten sie fest, dass eine Kombination aus additiver Fertigung und Polymerinfusion das effizienteste und kostengünstigste Mittel ist.

Philip Metzger ist assoziierter Wissenschaftler am Florida Space Institute (FSI) an der University of Central Florida (UCF), ehemaliger leitender Forschungsphysiker am Kennedy Space Center (KSC) der NASA und Mitbegründer der KSC Swamp Works. Greg Autry ist klinischer Professor für Space Leadership, Policy, and Business an der Thunderbird School of Global Management an der Arizona State University (ASU) und Vorsitzender der Safety Working Group des Commercial Space Transportation Advisory Committee (COMSTAC) bei der Federal Aviation Administration ( FAA).

Für ihre Studie untersuchten Metzger und Autry verschiedene Methoden zum Bau von Landeplätzen auf der Mondoberfläche. Jede Methode wurde auf der Grundlage von drei Hauptfaktoren bewertet: die Notwendigkeit, große Massenmengen von der Erde zu transportieren, das Niveau des Energieverbrauchs auf der Mondoberfläche und die Zeit, die für die Fertigstellung des Baus benötigt würde. Jeder dieser Faktoren trägt (direkt oder indirekt) zu den Gesamtkosten der Mondaktivitäten bei.

Unter ihren Ergebnissen stellten Metzger und Autry fest, dass zwei Variablen bei der Bewertung von Baumethoden im Weltraum am wichtigsten sind: Transportkosten und die durch den Bauprozess verursachten Verzögerungen. Wie Metzger Universe Today per E-Mail erklärte:

„Ich war überrascht, dass die Komplexität und Zuverlässigkeit des Bauprozesses keine größere Rolle spielten. Ein komplexes System erfordert etwa 50 % mehr Vorabinvestitionen, um es so zuverlässig zu machen wie die einfacheren Methoden, und eine Kostensteigerung von 50 % klingt wie viel, aber im Vergleich zu den Kosten für den Mondtransport und dem Wertverlust, wenn Sie Dinge auf dem Mond verzögern, stellt sich heraus, dass 50% mehr Entwicklungskosten völlig belanglos sind.

„Wenn Sie also eine komplexere Methode erfinden, Dinge zu tun, und diese Methode schneller und masseärmer ist als frühere Methoden, dann lohnt es sich. Das widerspricht unserer natürlichen Tendenz als Weltraumtechnologen. Wir denken, es ist besser, die Dinge einfacher zu halten, und Wir denken, wenn wir weit entfernt auf dem Mond operieren, ist es noch wichtiger, die Dinge einfach zu halten, aber wenn wir es aus wirtschaftlicher Sicht betrachten, stellt sich dieses Gefühl nicht als wahr dar. Im wirtschaftlichen Umfeld des Mondes Betrieb ist eine höhere Technologie die größere Anfangsinvestition wert.”

Wie baut man am besten Landeplätze auf dem Mond?

Das Konzept der ESA für einen Lebensraum rund um den Südpol des Mondes, bekannt als Lunar Village. Bildnachweis: ESA

Sie fanden weiter heraus, dass die Dicke der Pads, die thermische Umgebung (die zwischen dem inneren und äußeren Pad variiert) und die Startfrequenz des Mondprogramms ebenfalls wichtige Faktoren bei der Festlegung praktischer Grenzen für die Bauzeit waren. Kurz gesagt, die Wirtschaftlichkeit jeder Methode hängt von den Kosten pro Kilo Nutzlasten und der Baugeschwindigkeit ab. Sie betrachteten mehrere basierend auf dem Energiebedarf und wie dieser je nach thermischer Umgebung variieren würde.

Insbesondere berücksichtigten sie die jüngsten Innovationen in der additiven Fertigung (3D-Druck) und ISRU, die seit vielen Jahren Gegenstand der Forschung der NASA und der ESA sind. Bei Anpassung an die Mondoberfläche umfassen die Methoden das Erhitzen von Regolith mit Mikrowellen, um eine geschmolzene Keramik zu erzeugen (auch bekannt als „Sintern“), die dann ausgedruckt wird und sich bei Kontakt mit der luftlosen Mondumgebung verfestigt, oder das Hinzufügen eines Bindemittels zu Regolith (wie Zement). oder ein Polymer), um “Mondbeton” herzustellen.

„Einige Methoden benötigen riesige Energiemengen, was schwere Energiesysteme auf dem Mond erfordert. Andere Methoden erfordern viele Tonnen Bindemittel, die mit großem Aufwand von der Erde gebracht werden. Wieder andere sind sehr, sehr langsame Prozesse. Wir wollten sehen, wie diese verschiedenen Faktoren wirken vergleichen, wenn wir es aus wirtschaftlicher Sicht betrachten.

„Wir haben alles in reale Kosten umgerechnet: die Kosten für den Massentransport von der Erde, die Kosten für die auf dem Mond gelieferte Energie, den Verlust an wirtschaftlichem Wert, wenn wir lange mit dem Bauen verbringen. Wenn wir alles zusammennehmen, konnten wir sehen, welche Konstruktion Methoden bieten den besten Wert für Mondoperationen.

Sie fanden heraus, dass das Mikrowellensintern im Vergleich zu anderen Methoden die beste Kombination aus geringer Masse und hoher Geschwindigkeit bietet. Dies galt insbesondere für den Bau der inneren Hochtemperaturzone des Mondlandeplatzes (wo die Start- und Landerakete abbrennt). Diese Methode ist auch für den Bau der äußeren Tieftemperaturzone bei hohen Transportkosten am günstigsten.

Für den Fall, dass die Transportkosten zum Mondgesicht bei 110 $ pro kg (etwa 50 $ pro lb) gehalten werden können, wechselte die kostengünstigste Methode zur Polymerinfusion. Sie erstellten auch Schätzungen zu den Gesamtkosten für den Bau des Artemis-Basislagers (229 Millionen US-Dollar) – des Oberflächenlebensraums, den die NASA rund um das Südpol-Aitken-Becken bauen will. Diese basierten auf der Einschränkung, dass die Transportkosten von derzeit 1 Million US-Dollar pro kg (454.545 US-Dollar pro Pfund) auf 300.000 US-Dollar pro kg (~ 136.360 US-Dollar pro Pfund) sinken werden.

Metzger sagte: „Wir haben festgestellt, dass die Kosten für den Bau eines Landeplatzes während des Artemis-Programms der NASA ziemlich erschwinglich sind – etwa die gleichen Kosten wie für ein Raumschiff der NASA-Discovery-Klasse (300 Millionen US-Dollar). Das sind winzige Kosten im Vergleich zu vielen anderen Elementen eines Programm für die bemannte Raumfahrt. Für diese Kosten wird das Programm die erste permanente Einrichtung schaffen, die auf einer anderen Welt gebaut wird, und es wird auch die Bauroboter zum Mond liefern, damit sie mit anderen Aufgaben wie dem Bau menschlicher Lebensräume beginnen können.

Wie baut man am besten Landeplätze auf dem Mond?

Das Artemis-Basislager. Bildnachweis: NASA

Diese Schätzungen fallen auf 130 Millionen US-Dollar, wenn Transportkosten könnten weiter auf 100.000 $ pro kg (45.455 $ pro lbs) oder auf 47 Millionen $ gesenkt werden, wenn sie unter 10.000 $ pro kg (4.545 $ pro lbs) fallen. Letztendlich haben Metzger und Autry gezeigt, dass eine Mondbasis erschwinglich gebaut werden kann und der Preis davon abhängen wird, inwieweit die Startkosten in den kommenden Jahren weiter sinken werden. Diese Ergebnisse sind von besonderer Bedeutung angesichts der Anzahl von Weltraumagenturen, die in diesem und im nächsten Jahrzehnt Außenposten im Südpol-Aitken-Becken errichten wollen.

Zusätzlich zum Artemis-Basislager plant die ESA die Einrichtung einer permanenten Basis, die als International Moon Village bekannt ist. Als geistiger Nachfolger der Internationalen Raumstation (ISS) würde diese Basis wechselnde Besatzungen beherbergen Astronauten, Langzeitaufenthalte und wissenschaftliche Operationen auf dem Mond. Vor nicht allzu langer Zeit kamen Vertreter der chinesischen und russischen Raumfahrtprogramme zusammen, um eine gemeinsame Vision für eine Mondbasis anzukündigen – die Internationale Mondforschungsstation (ILRS).

In Erwartung des kommenden Zeitalters der Monderkundung erforschen die NASA und andere Weltraumbehörden weiterhin Technologien, die einen kostengünstigen Bau auf dem Mond ermöglichen. Dazu gehört ein ISRU-Fertigungsprozess, der als Regolith Adaptive Modification System (RAMs) bekannt ist und von Forschern der Texas A&M University entwickelt wurde. Dieser Prozess konzentriert sich auf die Bereitstellung einer frühen Infrastruktur, die den Transport von Sinter- oder Polymerisationsgeräten erleichtern würde.

Es gibt auch ein Mondlanderkonzept, das von Masten Space Systems mit Unterstützung des Institute for Advanced Concepts (NIAC), Honeybee Robotics, Texas A&M und der University of Central Florida (UCF) entwickelt wird. Dieses Konzept beinhaltet ein Verfahren, das als In-Flight Alumina Spray Technique (FAST) bekannt ist, bei dem ein Lander Aluminiumpartikel in seine Landedüsen spritzt, um seinen eigenen Landeplatz zu bilden, der auch das Problem des Aufwirbelns von Mondstaub mindert.

In diesem und im nächsten Jahrzehnt wird die Menschheit zum Mond zurückkehren, diesmal um zu bleiben. Es werden nicht nur mehrere Weltraumagenturen Astronauten entsenden, sondern es werden auch kommerzielle Partner angeworben, um Nutzlast- und Besatzungstransportdienste bereitzustellen. Mondtouristen und sogar Siedler können schließlich folgen, was zu einer dauerhaften menschlichen Präsenz und der ersten Generation von “Lunites” (oder “Loonies”) führt.

Diese multinationale Anstrengung fördert Innovationen in mehreren Sektoren und führt zu Anwendungen für das Leben hier auf der Erde. Denn wenn wir sicherstellen wollen, dass Menschen das ökologische Problem, mit dem wir auf der Erde konfrontiert sind, überwinden und im Weltraum leben können, müssen wir erfinderisch sein.


Apollo 16 Moonwalker reflektiert den 50. Jahrestag der Mission


Mehr Informationen:
Philip T. Metzger, Greg W. Autry, The Cost of Lunar Landing Pads with a Trade Study of Construction Methods. arXiv:2205.00378v1 [econ.GN], arxiv.org/abs/2205.00378

Zur Verfügung gestellt von
Universum heute


Zitieren: Wie baut man am besten Landeplätze auf dem Mond? (2022, 11. Mai) abgerufen am 11. Mai 2022 von https://phys.org/news/2022-05-pads-moon.html

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