Hvad Artemis vil lære os om at leve, arbejder på månen

Mennesker har ikke haft meget mulighed for at arbejde på månen. De 12 Apollo-astronauter, der fik udforsket dens overflade, klokkede ind på 80 timer i alt opdagelsestid. Fra deres korte møder, og fra omfattende analyser af Apollo-prøver og månemeteoritter, der blev fundet på Jorden, videnskabsmænd har lært næsten så meget som muligt for at lære om månens miljø uden megen kontakt med overfladen. Nu, for første gang i et halvt århundrede, NASAs Artemis-missioner vil give videnskabsmænd og ingeniører mulighed for at undersøge overfladen fra tæt på. Dette vil lære os, hvordan vi kan bevæge os sikkert hen over månejorden, kendt som regolit; hvordan man bygger infrastruktur ovenpå det; og hvordan man holder mennesker sikre i rummet. De teknikker, forskerne vil udvikle på månen, vil gøre det muligt for mennesker sikkert og bæredygtigt at udforske længere destinationer, såsom Mars.

Her er et par ting, vi lærer ved at bruge tid på månens overflade:

Hvor meget forurener vi overfladen, når vi lander på den?

Når et rumfartøj går ned til månens overflade, den sprøjter det med vand og andre gasser, der frigives, når køretøjet presser sine motorer for at bremse sig selv for en blød landing. For astronauter, der skal katalogisere lokale vandforsyninger, disse jordiske forureninger vil gøre det svært at skelne mellem bonafide månevand og vand fra deres køretøjs udstødning. Det kunne også mudre kemiske analyser af månens overflade og dens supertynde atmosfære, som kaldes en exosfære.

For at beskytte videnskabens nøjagtighed på overfladen, mange forskere bygger computermodeller og laboratorieeksperimenter, der kan hjælpe med at forudsige, hvordan vores rumfartøjers udstødning vil påvirke månemiljøet. For eksempel, Parvathy Prem, en planetarisk videnskabsmand ved Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory i Laurel, Md., designer software, der simulerer, hvad der sker, når et køretøj udleder fremmede gasser ved månen.

Hendes simuleringer viser, at udstødning fra et lille rumfartøj - på størrelse med Kinas ubemandede Chang'e-3 månelander - ville sprøjte omkring 661 pund (300 kg) vand og andre gasser flere kilometer ud fra landingsstedet. For en tungere, landende køretøj i menneskestørrelse, dette område ville sandsynligvis være meget bredere og kan kræve, at astronauter begiver sig mange kilometer væk fra deres base for at få friske prøver af månejord. (Apollo-astronauter vovede sig fra et par hundrede meter til snesevis af kilometer væk fra kommandomodulet af netop denne grund.)

Nu, Prem udvikler nye simuleringer for at forstå, hvad der sker med vand, efter at det er sluppet ud i månens miljø. Dvæler det i eksosfæren og blæser derefter ud i rummet? Sætter det sig i regolitten, eller hopper dens molekyler rundt på overfladen? "Vi forsøger at opbygge et sæt løsninger, hvor vi antager forskellige ting om interaktioner mellem vandmolekyler og månens overflade, " siger Prem, "så næste gang vi kan observere en landing og tage målinger, vi vil have dette sæt af løsninger, som vi har bygget op, og vi vil være i stand til at se, hvilken der passer bedst til hurtigt at afgøre, hvad der sker."

Prem er en del af et team på NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, der vil sende et instrument i de næste par år på en af ​​NASAs Commercial Lunar Payload Services-landere for at undersøge disse spørgsmål. Holdet vil indsamle information, der vil informere ikke kun om måneudforskning, men også den måde, videnskabsmænd vil indsamle fremtidige prøver fra asteroider, Mars og andre legemer. "Vi vil ikke være i stand til at undgå forurening, " siger Prem, "men vi skal vide, hvor meget af det sker, så vi kan redegøre for det."

Sådan arbejder du med jord, der opfører sig som bagemel

Forestil dig at stikke en måleske ned i bagemel. Regolith føler sådan noget. Regolith er mest sammenlignelig med jordsand, som er lavet af sten, der er malet op af vinden, regn og andre elementer. Men hvert sandkorn er pakket ind i luftmolekyler, der tilføjer plads mellem dem. Da der ikke er luft på månen, regolith er mere sammenhængende, hvilket betyder, at dens korn klistrer tæt sammen som bagemel.

Det er vigtigt at kende til regoliths egenskaber ved design af missioner til månen. Hvis køretøjer skal køre lange strækninger hen over overfladen, og hvis astronauter skal grave regolith for at bygge infrastruktur, videnskabsmænd og ingeniører skal vide, hvordan de bedst udstyres, siger Christine Hartzell, en rumfartsingeniør professor ved University of Maryland i College Park, der studerer regolith på månen og på asteroider, inklusive Bennu, hvor OSIRIS-REx rumfartøjet i øjeblikket kredser.

"Hvis du designer noget til at køre på stranden, du designer meget tykke dæk, fordi de skal håndtere sand, der er komprimerbart og skifter under hjulet. Men du ville designe smalle dæk til en landevejscykel, fordi den kører hen over en overflade, der er virkelig hård og ensartet, " bemærker hun. "På månen, vi skal vide, om vi skal køre over en grusoverflade eller over en klit."

Regolith er lavet af løse sten, småsten og støv, og den dækker hele månen. Det adskiller sig fra sand på en række måder, udover sammenhæng:I modsætning til sand, som bliver rundet over evigheder af vind og vand, to fænomener, der ikke eksisterer på den luftløse og tørre måne, korn af månejord er skarpe, spidse og potentielt slibende på rumdragter og udstyr.

månejord bliver også elektrostatisk ladet af solpartikler, der smadrer ind i månens overflade. Dette får det til at klæbe til udstyr, ligner hvordan tøj kan hænge sammen, når du tager det ud af tørretumbleren. Faktisk, der er stadig noget regolith fast i rumdragter fra Apollo-missioner.

Astronauter, der bevæger sig hen over overfladen, kan også forstærke elektrostatiske kræfter, ligner en person, der bygger statisk elektricitet efter at have blandet sig hen over et tæppebelagt gulv. Deres aktivitet kan få støvpartikler fra overfladen til at svæve op til 10 meter (33 fod), Hartzell vurderer.

Hvis astronauter skal støde på skyer af klæbrigt støv, videnskabsmænd og ingeniører skal være parate til at håndtere det, hun siger:"Vi vil gerne vide, hvad der sker med støvet, når det holder op med at svæve. Hvis det sætter sig, tygger det mekanikken i et månekøretøj? Aflejres det på optiske instrumenter og får så alt til at se uklart ud?" Robotudforskning af overfladen i de kommende år vil hjælpe videnskabsmænd med at besvare nogle af disse spørgsmål som forberedelse til at sende astronauter.

Hvor meget vand er der og hvor

I det sidste årti, instrumenter på NASAs Lunar Reconnaissance Orbiter og på andre rumfartøjer har returneret beviser for vand på månen. Flydende vand er ikke stabilt på månens overflade, men der er bevis for vandmolekyler, der hopper rundt på overfladen og i atmosfæren; vandis ved polerne; og meget små mængder vand fanget inde i strukturen af ​​nogle af månens sten og mineraler.

Uanset dens form, vand er kritisk. Artemis-astronauter får brug for det til at drikke og til dets komponenter, ilt og brint, som skal bruges til vejrtrækning og til fremstilling af raketbrændstof til dyb rumfart.

De mest lovende månens vandreserver ser ud til at være i de permanent skyggede kratere ved polerne, som er blandt de koldeste steder i solsystemet og, dermed, god til at bevare ting som vand, forventer forskerne. Det her, ud over det rigelige sollys, Det er grunden til, at månens sydpol er målet for en menneskelig Artemis-mission.

Udfordringen er, at for det meste, fjernmålingsinstrumenter kan detektere vand, eller dets kemiske komponenter, i et relativt lavt lag af overfladen. Dette rejser spørgsmålet om, hvorvidt det er alt det vand, der er tilgængeligt for mennesker at bruge, eller om det blot er toppen af ​​isbjerget. Artemis-astronauter bliver nødt til at grave under overfladen for at finde ud af det.