Methoden zum Bau von Mondlandeplätzen können die Mikrowellenbehandlung von Mondboden beinhalten

Aug 26, 2023

Die Errichtung einer Mondbasis wird für die USA im neuen Weltraumrennen von entscheidender Bedeutung sein, und der Bau sicherer und kostengünstiger Landeplätze für die Landung von Raumfahrzeugen wird von entscheidender Bedeutung sein.

Diese Pads müssen verhindern, dass Mondstaub und -partikel alles um sie herum mit mehr als 10.000 Meilen pro Stunde sandstrahlen, wenn eine Rakete startet oder landet, da keine Luft vorhanden ist, um die Raketenwolke abzubremsen.

Allerdings ist nicht ganz klar, wie diese Landeplätze gebaut werden sollen, da der Transport von Materialien und schwerer Ausrüstung über mehr als 230.000 Meilen in den Weltraum schnell unerschwinglich wird.

Aus diesem Grund arbeiten Forscher der University of Central Florida an einem von der NASA finanzierten Projekt, um Wege zum Bau von Mondlandeplätzen zu finden, die Menschen und Ausrüstung schützen, aber auch wirtschaftlich und im Weltraum einfach zu bauen sind. Die Arbeit wird vom Verteidigungs- und Raumfahrtunternehmen Cislune geleitet und umfasst Forschungsarbeiten der Arizona State University.

Das Team hat herausgefunden, dass eine Methode, bei der Mikrowellen zum Schmelzen des Mondbodens verwendet werden, in Verbindung mit der von UCF entwickelten Aufbereitungs- oder Sortiertechnologie die beste Option sein könnte.

Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Zeitschrift New Space und in einem der NASA vorgelegten Bericht veröffentlicht.

„Für unser Land ist es von strategischer Bedeutung, auf dem Mond präsent zu sein, da der wirtschaftliche Wert der Ressourcen im Weltraum sehr hoch ist“, sagt erPhil Metzger '00MS '05PhD , ein Co-Autor der Studie. Er ist Planetenwissenschaftler am Florida Space Institute der UCF.

Die USA planen, im Rahmen der Artemis-Missionen zum Mond zurückzukehren. Die erste bemannte Mondlandung soll im Rahmen von Artemis III im Jahr 2025 stattfinden. Zukünftige Missionen werden Lebensräume, Geräte zur Ressourcengewinnung und mehr schaffen.

Basierend auf einer Analyse von vier verschiedenen Konstruktionsmethoden, einschließlich verschiedener Kombinationen für innere und äußere Landeplatzringe, erwies sich eine Schmelz- oder Sintermethode unter Verwendung von Mikrowellen als die kostengünstigste, solange die Kosten für den Transport zum Mond darüber bleiben 100.000 US-Dollar pro Kilogramm (etwa 45.000 US-Dollar pro Pfund), heißt es in der neuen Studie.

Das Sintern wird noch wirtschaftlicher, wenn es mit einer neuen, von UCF entwickelten Aufbereitungstechnologie gekoppelt wird, die Magnetfelder nutzt, um die mikrowellengeeignetsten Mineralien an die Oberfläche zu bringen. UCF-Forscher entwickelten die Technologie, nachdem sie herausgefunden hatten, dass viele der am besten mikrowellengeeigneten Mineralien auch die magnetischsten sind. Diese Ergebnisse wurden im neuen Bericht an die NASA dokumentiert.

„Wir haben gezeigt, dass wir die Mikrowellenabsorption um etwa 70 bis 80 % steigern können, indem wir Partikel nach magnetischer Suszeptibilität sortieren“, sagt Metzger.

Der Bauprozess könnte von Rovern durchgeführt werden, die Erde schaufeln, sie mit Magnetfeldern sortieren, sie wieder an die Oberfläche schichten und mit Mikrowellen schmelzen würden, sagt der Forscher.

Die New Space-Studie ergab, dass bei Transportkosten über 100.000 US-Dollar pro Kilogramm Landeplätze auf Fertigerbasis die zweitkostengünstigste Methode wären.

Sobald die Transportkosten aufgrund von Skaleneffekten und der Wiederverwendbarkeit von Raketen unter 100.000 US-Dollar pro Kilogramm sinken, werden Landeplätze auf Polymerbasis außerdem zu einer wettbewerbsfähigeren Methode für den Bau des äußeren Teils des Landeplatzes als Sintern und Pflastersteine.

Bei jeder Methode müssen Kompromisse wie Energie- und Baukosten eingegangen werden, die berücksichtigt werden müssen, sagt Metzger.

„Die Zahlen zeigten uns, dass Sintern tatsächlich die beste Methode ist, weil es zwar etwas Energie erfordert, aber die Energiekosten sind geringer als die Kosten für den Bau und den Transport von Verbrauchsmaterialien zum Mond“, sagt Metzger.

Erik Franks, Gründer und CEO von Cislune, sagt, dass sich der Oberflächenbau auf dem Mond und dem Mars stark vom Bau auf der Erde unterscheidet.

„Beton und Stahl werden auf der Erde in großem Umfang verwendet und sind das Ergebnis jahrtausendelanger Entwicklung und Ausweitung der Industrie, die auf reichlich Wasser, Kohle und Luft basiert“, sagt er. „Auf anderen Planeten gibt es keine fossilen Brennstoffe und Luft und Wasser sind wertvoller als Gold. Es werden unterschiedliche Prozesse erforderlich sein, und UCF und Cislune arbeiten zusammen, um diese Probleme mit innovativen Lösungen wie Mikrowellensintern und Bodenaufbereitung zu lösen.“ "

Die Forscher verwendeten hochpräzise Mondbodensimulanzien aus dem Exolith Lab der UCF, um die Mikrowellen- und magnetischen Suszeptibilitätsexperimente durchzuführen, und nutzten Computersimulationen, um die wirtschaftlichen Kosten verschiedener Methoden zum Bau von Mondlandeplätzen zu modellieren.

Bei den Mondbodensimulationsexperimenten wurde festgestellt, dass Basaltglas, Bronzit und Ilmenit zu den magnetischsten und mikrowellenempfindlichsten Mineralien gehören.

„Unsere Ergebnisse waren ausgezeichnet“, sagt Franks. „Eine sorgfältige Aufbereitung macht die Mikrowellenerwärmung von Regolith deutlich energieeffizienter, wir müssen also nur Sonnenkollektoren mitbringen und können den Mondschmutz in Strukturen wie Landeplätze und Gebäude verarbeiten.“

Metzger sagt, die Forschung sei nicht nur wichtig für den Aufbau einer US-Präsenz auf dem Mond, sondern auch für die Aufrechterhaltung diplomatischer Beziehungen, indem die Ausrüstung und Einrichtungen anderer Länder nicht sandgestrahlt würden.

„Ich denke, es ist wirklich entscheidend, dass die Vereinigten Staaten und ein Konsortium befreundeter Länder, die unsere Werte für Demokratie teilen, im Weltraum eine Vorreiterrolle übernehmen, um Methoden zur gemeinsamen Nutzung des Weltraums zu entwickeln und Taschen zu schaffen, die der ganzen Welt vom Weltraum zugute kommen, und nicht nur.“ „Ich gehe das Risiko ein, es andere machen zu lassen“, sagt Metzger.

Die Arbeit wurde teilweise vom NASA Solar System Exploration Virtual Institute, dem Center for Lunar and Asteroid Surface Science und vom NASA Small Business Technology Transfer (STTR)-Programm finanziert.

Zu den nächsten Forschungsschritten gehört die Entwicklung von Projekten zur Herstellung verbesserter Prototypen der Mikrowellen-Heizhardware und zum Testen der Technologie unter mondähnlichen Bedingungen im Vakuum.

Der Co-Autor der New Science-Studie war Greg Autry von der Thunderbird School of Global Management der Arizona State University. Dhaka Sapkota, ein Assistenzwissenschaftler am FSI, leitete die magnetischen Aufbereitungsexperimente und war Mitautor des Aufbereitungsberichts.

Metzger erhielt seinen Bachelor-Abschluss in Elektrotechnik von der Auburn University und seinen Master- und Doktorgrad in Physik von der UCF. Bevor er 2014 zu UCF kam, arbeitete er fast 30 Jahre lang im Kennedy Space Center der NASA.

Titel der Studie: Die Kosten von Mondlandeplätzen mit einer handelsüblichen Studie über Baumethoden