Udforskning af månernes skyggede områder ved hjælp af strålende energi

På mindre end tre år, astronauter vil vende tilbage til månen for første gang siden Apollo-æraen. Som en del af Artemis-programmet, Formålet er ikke kun at sende bemandede missioner tilbage til månens overflade for at udforske og indsamle prøver. Denne gang, der er også målet om at etablere vital infrastruktur (såsom Lunar Gateway og en Base Camp), der vil give mulighed for "vedvarende måneudforskning."

Et nøglekrav for denne ambitiøse plan er levering af strøm, hvilket kan være svært i regioner som Sydpolen-Aitken-bassinet - et kraterområde, der er permanent i skyggen. For at løse dette, en forsker fra NASA Langley Research Center ved navn Charles Taylor har foreslået et nyt koncept kendt som "Light Bender". Brug af teleskopoptik, dette system ville fange og distribuere sollys på månen.

Light Bender-konceptet var et af 16 forslag, der blev udvalgt til fase I af 2021 NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC)-programmet, som overvåges af NASAs Space Technology Mission Directorate (STMD). Som med tidligere NIAC-indsendelser, disse forslag, der blev udvalgt, repræsenterer en bred vifte af innovative ideer, der kunne hjælpe med at fremme NASAs mål for rumudforskning.

I dette tilfælde, Light Bender-forslaget adresserer behovene hos astronauter, som vil være en del af Artemis-missionerne og den "langsigtede menneskelige månens overfladetilstedeværelse", der vil følge. Designet til Taylors koncept var inspireret af heliostaten, en enhed, der justerer for at kompensere for Solens tilsyneladende bevægelse på himlen, så den bliver ved med at reflektere sollys mod et mål.

I tilfældet med Light Bender, Cassegrain teleskopoptik bruges til at fange, koncentrere, og fokuser sollys, mens en Fresnel-linse bruges til at justere lysstråler til distribution til flere kilder placeret i afstande på 1 km (0,62 mi) eller mere. Dette lys modtages derefter af fotovoltaiske arrays, der måler 2 til 4 m (~6,5 til 13 ft) i diameter, der omdanner sollys til elektricitet.

Ud over levesteder, Light Bender er i stand til at levere strøm til kryokølingsenheder og mobile aktiver som rovere. Denne form for array kunne også spille en vigtig rolle i skabelsen af ​​vital infrastruktur ved at give strøm til in-situ ressourceudnyttelse (ISRU) elementer, såsom køretøjer høster lokal regolith til brug i 3D-printermoduler til at bygge overfladestrukturer. Som Taylor beskrev i sin NIAC fase I forslagserklæring:

"Dette koncept er overlegent i forhold til alternativer såsom meget ineffektiv lasereffektstråler, da den kun konverterer lys til elektricitet én gang, og til traditionelle strømdistributionsarkitekturer, der er afhængige af masseintensive kabler. Værdiforslaget ved Light Bender er en ~5x massereduktion i masse i forhold til traditionelle teknologiske løsninger såsom lasereffektstråler eller et distributionsnetværk baseret på højspændingskabler."

Men måske det største træk ved et sådant system er måden det kan distribuere strømsystemer til permanent skyggefulde kratere på månens overflade, som er almindelige i månens sydlige polarområde. I de kommende år, flere rumorganisationer - inklusive NASA, ESA, Roscomos, og China National Space Agency (CNSA) - håber at etablere langsigtede levesteder i området på grund af tilstedeværelsen af ​​vandis og andre ressourcer.

Det effektniveau systemet leverer kan også sammenlignes med Kilopower-konceptet, et foreslået atomfissionssystem designet til at muliggøre langvarige ophold på månen og andre legemer. Dette system vil angiveligt give en effektkapacitet på 10 kilowatt-elektrisk (kWe) - svarende til tusind watt elektrisk kapacitet.

"I det oprindelige design, det primære spejl fanger, hvad der svarer til næsten 48 kWe sollys, " skriver Taylor. "Slutbrugerens elektriske strøm er afhængig af afstanden fra det primære indsamlingspunkt, men bagsiden af ​​konvolutten antyder analyser, at mindst 9 kWe kontinuerlig strøm vil være tilgængelig inden for 1 km."

Oven i alt det, Taylor understreger, at den samlede mængde strøm, systemet kan generere, er skalerbar. I bund og grund, det kan øges ved blot at ændre størrelsen på det primære samlingselement, størrelsen af ​​modtagerelementerne, afstanden mellem knudepunkter, eller ved blot at øge det samlede antal sollysfangere på overfladen. Som tiden går, og mere infrastruktur tilføjes til en region, systemet kan skaleres til at tilpasse sig.

Som med alle forslag, der blev udvalgt til fase I af 2021 NIAC-programmet, Taylors koncept vil modtage et NASA-tilskud på op til $125, 000. Alle fase I-stipendiater er nu i en indledende ni-måneders forundersøgelsesperiode, hvor designerne vil evaluere forskellige aspekter af deres design og adressere forudsigelige problemer, der kan påvirke operationerne på koncepterne, når de først opererer i Sydpolen-Aitken-bassinet.

I særdeleshed, Taylor vil fokusere på, hvordan den optiske linse kan forbedres baseret på forskellige designs, materialer, og belægninger, der ville resultere i acceptable niveauer af lysudbredelse. Han vil også vurdere, hvordan linsen kan designes på en sådan måde, at den kan udfolde sig autonomt, når den når månens overflade. Mulige metoder til autonom indsættelse vil blive genstand for efterfølgende undersøgelser.

Efter design/forundersøgelsen, en evaluering af arkitektoniske alternativer til Light Bender vil blive udført i forbindelse med en månebase placeret nær månens sydpol under vedvarende månens overfladeoperationer. Den primære værdi vil være minimering af landmasse. Der vil blive foretaget sammenligninger med kendte strømfordelingsteknologier såsom kabler og lasereffektstråler.

Når disse forundersøgelser er afsluttet, Light Bender og andre Phase I Fellows vil være i stand til at ansøge om Phase II-priser. sagde Jenn Gustetic, direktøren for tidlige innovationer og partnerskaber inden for NASAs Space Technology Mission Directorate (STMD):

"NIAC Fellows er kendt for at drømme stort, foreslår teknologier, der kan synes at grænse science fiction og er i modsætning til forskning, der finansieres af andre agenturprogrammer. Vi forventer ikke, at de alle kommer til at lykkes, men erkender, at det kan gavne NASA meget i det lange løb at give en lille mængde startfinansiering til tidlig forskning."