Die Bestrahlung des Mondes mit Mikrowellen könnte uns dabei helfen, im Weltraum voranzukommen

Sep 05, 2023

NASA

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Mit dem Start der Artemis-Missionen der NASA und den zunehmenden Mondbemühungen anderer Länder scheint die Rückkehr der Menschheit zum Mond nahe zu sein. Doch um dauerhaft auf dem Mond zu bleiben, sind neue Ansätze und Technologien erforderlich, die noch entwickelt werden. Ein Forschungsbereich konzentriert sich auf die Besonderheiten der Schaffung einer Mondbasis. In einem neuen Artikel wird detailliert untersucht, wie wir wirtschaftlich machbare Landeplätze für unsere Raumfahrzeuge bauen können.

Die von der NASA finanzierte Studie mit dem Titel „The Cost of Lunar Landing Pads with a Trade Study of Construction Methods“, die kürzlich in der Zeitschrift New Space veröffentlicht wurde, analysierte die Herausforderungen des Bauens unter Bedingungen, in denen Mondstaub bei Starts mit hoher Geschwindigkeit herumwirbelt Landungen, da keine Luft vorhanden ist, um den Raketenstrahl abzubremsen. Eine weitere Schwierigkeit beim Bauen auf dem Mond besteht angesichts der exorbitanten Transportkosten darin, Materialien und die notwendige Ausrüstung dorthin zu bringen.

Die Studie, die vom Verteidigungs- und Raumfahrtunternehmen Cislune zusammen mit Forschern der University of Florida (UCF) und der Arizona State University durchgeführt wurde, kam zu dem Schluss, dass der einfachste und wirtschaftlichste Weg zum Bau der Mondlandeplätze der Einsatz von Sintern sein könnte – a Methode, bei der Mikrowellen zum Schmelzen des Bodens eingesetzt werden und gleichzeitig Aufbereitungs- oder Sortiertechnologie zum Einsatz kommt.

Um zu diesem Ansatz zu gelangen, untersuchten die Forscher vier Konstruktionsmethoden und untersuchten verschiedene Kombinationen von inneren und äußeren Landeplatzringen. Wenn die Kosten für den Transport zum Mond über 100.000 US-Dollar pro Kilogramm (oder etwa 45.000 US-Dollar pro Pfund) bleiben, erwies sich das Sintern als die günstigste Methode. Die Einsparungen würden sogar noch größer, wenn auch die von der UCF entwickelte Aufbereitungstechnologie eingesetzt würde, da sie laut der Studie mithilfe von Magnetfeldern die mikrowellengeeignetsten Mineralien an die Oberfläche ziehen kann. Die Aufbereitung basiert auf der Tatsache, dass UCF-Wissenschaftler herausgefunden haben, dass viele der am besten mikrowellengeeigneten Mineralien zufällig auch die magnetischsten sind. Das Sortieren von Partikeln auf der Grundlage der „magnetischen Suszeptibilität“ könnte die Mikrowellenabsorption um 70 bis 80 Prozent verbessern, teilte Dr. Philip Metzger, Co-Autor der Forschungsarbeit und Planetenforscher am Florida Space Institute der UCF, in einer Pressemitteilung mit.

Der Bauprozess würde beinhalten, dass Rover Mondboden aufsammeln, ihn mithilfe von Magnetfeldern sortieren, den Boden dann wieder auf die Oberfläche bringen und ihn mit Mikrowellen schmelzen.

Interesting Engineering (IE) wandte sich an Dr. Metzger, um weitere Einzelheiten zu ihrer Arbeit zu erfahren. Das folgende Gespräch wurde aus Gründen der Klarheit und des Flusses leicht bearbeitet.

Professor Metzger: Für das Mikrowellensintern müssen Sie zunächst in der Lage sein, den Standort vorzubereiten, einschließlich Planieren und Planieren der Oberfläche. Zweitens benötigen Sie eine Stromerzeugungsausrüstung, damit Sie genügend Strom für den Mikrowellenprozess haben. Sie können Strom entweder aus Solar- oder Kernkraftwerken beziehen, die zum Mond geliefert werden. Drittens müssen Sie für ein hocheffizientes Sintern zunächst den Boden an der Mondoberfläche aufbereiten, indem Sie Magnetfelder verwenden, um die Sandkörner danach zu sortieren, wie magnetisch sie sind.

Die magnetische Sortierung des Bodens vor der Mikrowellenbehandlung ist eine patentierte Erfindung, die wir hier an der University of Central Florida entwickelt haben. Es kann den Energiebedarf um 70 bis 80 Prozent senken, was enorm ist. Das Gerät, das diesen Prozess durchführt, müsste eine etwa 20 cm dicke Erdschicht aufschaufeln und über einen großen Magneten laufen lassen, damit die Erdkörner entsprechend ihrer magnetischen Suszeptibilität in verschiedene Behälter fallen. Dann fließen die Körner zurück und werden auf der Mondoberfläche geschichtet, wobei die weniger magnetischen Körner zuerst nach unten gehen und die stärker magnetischen darüber. Dadurch wird sichergestellt, dass der Großteil der Mikrowellenenergie in der obersten Schicht absorbiert wird, die wir zu sintern versuchen.

Viertens müssen Sie wahrscheinlich ein Gerät über den Boden rollen, um ihn stärker zu verdichten. Es sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich, um festzustellen, ob dieser Schritt erforderlich ist. Fünftens verwenden Sie ein einfaches Mikrowellengerät, das dem in Ihrer Küche sehr ähnlich sein könnte, um Mikrowellen auf den Boden zu richten, bis dieser leicht schmilzt. Und das ist alles!

Die Größe eines Landeplatzes hängt von der Größe des Raumfahrzeugs ab, auf dem Sie landen möchten. Schwerere Raumfahrzeuge benötigen während des Abstiegs mehr Schub, um der Schwerkraft des Mondes entgegenzuwirken, und die Höhe des Schubs bestimmt, wie dicht die Raketenabgase sind, während sie über die Plattform, über den Rand der Plattform und über den unbehandelten Mondboden rund um die Plattform blasen. Wenn das Pad nicht breit genug ist, kann das Gas dennoch Erde an den Rändern des Pads anheben und mit hoher Geschwindigkeit auf die umliegenden Teile blasen. Das ist es, was wir verhindern wollen, da aufgewirbelter Boden und Staub sich viel schneller fortbewegen können als eine Kugel und umliegende Hardware beschädigen können. Daher muss die Plattform breit genug sein, damit sich das gesamte Gas, das am Rand der Plattform vorbeiströmt, soweit in das Mondvakuum ausgebreitet hat, dass es die Bodenpartikel nicht mehr anheben und mitreißen kann. Wir schätzen, dass ein 40-Tonnen-Mondlander eine Plattform benötigen würde, die etwa 27 Meter von der Mitte bis zum Rand entfernt ist.

Wir entwickeln die Technologie noch weiter und beantragen daher Zuschüsse bei der NASA und anderen Regierungsbehörden. Unser Partner für dieses Projekt, die Cislune Company, sucht nach Geldern, um die Technologie voranzutreiben. Irgendwann sollte in einer Wüste hier auf der Erde ein Landeplatz in voller Größe gebaut werden, damit wir den vollständigen Betrieb demonstrieren und dann als letzte Demonstration eine kleine Rakete darauf landen lassen können. Wir sollten auch eine kleinere Nutzlast zur Mondoberfläche schicken, um die Aufbereitungs- und Mikrowellenprozesse anhand von echtem Mondboden in der Mondumgebung zu testen. Diese Tests sollten ausreichen, damit wir dann die Vollversionen für den Flug zum Mond bauen können.

Diese Studie schätzt die Kosten für den Bau von Mondlandeplätzen und untersucht, ob bestimmte Baumethoden anderen wirtschaftlich überlegen sind. Einige vorgeschlagene Methoden erfordern den Transport großer Massenmengen von der Erde, andere erfordern einen hohen Energieverbrauch auf der Mondoberfläche und wieder andere erfordern eine lange Bauzeit. Jeder dieser Faktoren trägt zu direkten und indirekten Kosten für Mondaktivitäten bei. Die wichtigsten wirtschaftlichen Variablen sind die Transportkosten zur Mondoberfläche und die Höhe der Programmverzögerungskosten, die durch eine Bauweise verursacht werden. Die Kosten eines Landeplatzes hängen stark von der Optimierung der Masse und Geschwindigkeit der Baumaschinen ab, sodass für jede Baumethode innerhalb eines bestimmten Wirtschaftsszenarios ein Ausrüstungssatz mit minimalen Kosten vorhanden ist. Es wurden mehrere Szenarien für eine Reihe von Transportkosten mit hohen und niedrigen Kosten für Programmverzögerungen analysiert. Es wurde festgestellt, dass Mikrowellensintern derzeit die günstigste Methode zum Aufbau der inneren Hochtemperaturzone eines Mondlandeplatzes ist, obwohl andere Methoden im Bereich der Unsicherheit liegen. Die günstigste Methode zum Bau der äußeren Niedertemperaturzone des Landeplatzes ist ebenfalls das Sintern, wenn die Transportkosten hoch sind. Wenn die Transportkosten zur Mondoberfläche jedoch unter etwa 110.000 US-Dollar pro Kilogramm sinken, wird auf Polymerinfusion umgestellt. Es wird geschätzt, dass das Artemis Basecamp einen Landeplatz mit veranschlagten Einzelkosten von 229 Mio. US-Dollar bauen könnte, vorausgesetzt, die Transportkosten werden geringfügig von derzeit 1 Mio. US-Dollar/kg zur Mondoberfläche auf 300.000 US-Dollar/kg gesenkt. Ein Landeplatz sinkt auf 130 Millionen US-Dollar, wenn die Transportkosten weiter auf 100.000 US-Dollar/kg sinken, oder auf 47 Millionen US-Dollar, wenn die Transportkosten unter 10.000 US-Dollar/kg fallen. Letztendlich können Landeplätze rund um den Mond aufgrund von Skaleneffekten zu sehr geringen Kosten gebaut werden.