Hvad er den bedste måde at bygge landingspladser på månen på?

I den nærmeste fremtid tager NASA, Den Europæiske Rumorganisation (ESA), Kina og Roscosmos alle bemandede missioner til månen. Dette vil udgøre første gang, astronauter har gået på månens overflade siden Apollo-æraen. Men i modsætning til "kapløbet til månen" er målet med disse programmer ikke at nå dertil først og kun efterlade nogle få eksperimenter og landere (dvs. "fodspor og flag"-missioner), men at etablere en vedvarende menneskelig tilstedeværelse på månens overflade. Det betyder at skabe levesteder på overfladen og i kredsløb, som kan bruges af roterende besætninger.

Mens NASA og andre rumorganisationer har til hensigt at udnytte lokale ressourcer så meget som muligt - en proces kendt som in-situ ressourceudnyttelse (ISRU) - vil skabelse af månebaser stadig kræve masser af materialer og maskiner, der skal sendes fra Jorden. I en nylig undersøgelse gennemgik Philip Metzger og Greg Autry omkostningerne og energiforbruget ved at bygge landingspuder på månens overflade. Efter at have overvejet forskellige konstruktionsmetoder fandt de ud af, at en kombination af additiv fremstilling og polymerinfusion var det mest effektive og omkostningseffektive middel.

Philip Metzger er associeret videnskabsmand ved Florida Space Institute (FSI) ved University of Central Florida (UCF), en tidligere senior forskningsfysiker ved NASAs Kennedy Space Center (KSC) og medstifter af KSC Swamp Works. Greg Autry er en klinisk professor i Space Leadership, Policy, and Business med Thunderbird School of Global Management ved Arizona State University (ASU) og formanden for Commercial Space Transportation Advisory Committee (COMSTAC) Safety Working Group ved Federal Aviation Administration ( FAA).

Til deres undersøgelse undersøgte Metzger og Autry forskellige metoder til at bygge landingspuder på månens overflade. Hver metode blev evalueret baseret på tre hovedfaktorer:behovet for at sende store mængder masse fra Jorden, niveauet af energiforbrug på månens overflade og den tid, det ville tage at færdiggøre byggeriet. Hver af disse faktorer bidrager (direkte eller indirekte) til de samlede omkostninger ved måneaktiviteter.

Blandt deres resultater fastslog Metzger og Autry, at to variabler er de vigtigste, når de evaluerer byggemetoder i rummet:transportomkostninger og de forsinkelser, som byggeprocessen medfører. Som Metzger forklarede til Universe Today via e-mail:

"Jeg var overrasket over, at kompleksiteten og pålideligheden af ​​byggeprocessen ikke spillede en større rolle. Et komplekst system vil have brug for omkring 50 % flere forudgående investeringer for at gøre det lige så pålideligt som de mere simple metoder, og en omkostningsstigning på 50 % lyder som meget, men sammenlignet med omkostningerne ved månetransport og værditabet, hvis du forsinker at gøre ting på månen, viser det sig, at 50 % flere udviklingsomkostninger er fuldstændig ligegyldige.

"Så hvis man opfinder en mere kompleks metode til at gøre ting på, og den metode er hurtigere og mindre masse end tidligere metoder, så er det det værd. Det strider imod vores naturlige tendens som rumteknologer. Vi synes, det er bedre at holde tingene enklere, og vi tror, ​​at når vi opererer langt væk på månen, er det endnu vigtigere at holde tingene enkle. Men når vi ser på det fra et økonomisk perspektiv, viser den følelse sig ikke at være sand. I månens økonomiske miljø operationer, er højere teknologi værd den større forudgående investering."

De fandt endvidere ud af, at tykkelsen af ​​puderne, det termiske miljø (som varierer mellem den indre og ydre pude) og måneprogrammets lanceringskadence også var vigtige faktorer for at etablere praktiske grænser for byggetiden. Kort sagt kommer omkostningseffektiviteten af ​​hver metode ned til omkostningerne pr. kilo ved udsendelse af nyttelast og konstruktionshastigheden. De overvejede flere baseret på energikravene, og hvordan dette ville variere afhængigt af det termiske miljø.

De overvejede især de seneste innovationer inden for additiv fremstilling (3D-print) og ISRU, som har været genstand for forskning af NASA og ESA i mange år. Når de er tilpasset månens overflade, omfatter metoderne opvarmning af regolith med mikrobølger for at skabe en smeltet keramik (alias "sintring"), der derefter printes ud og størkner ved kontakt med det luftløse månemiljø, eller tilsætning af et bindemiddel til regolith (som cement) eller en polymer) for at skabe "månebeton."

"Nogle metoder kræver enorme mængder energi, hvilket kræver tunge energisystemer på månen. Andre metoder kræver mange tons bindemiddel bragt fra Jorden med store omkostninger. Alligevel er andre meget, meget langsomme processer. Vi ønskede at se, hvordan disse forskellige faktorer sammenligne med hinanden, når vi ser på det fra et økonomisk perspektiv.

"Vi konverterede alt til en reel omkostning:omkostningerne ved at transportere masse fra Jorden; omkostningerne ved energi leveret på månen; tabet af økonomisk værdi, hvis vi bruger lang tid på at bygge. Når vi sætter det hele sammen, kunne vi se, hvilken konstruktion metoder giver den bedste værdi til måneoperationer."

De fandt ud af, at mikrobølgesintring gav den bedste kombination af lav masse og høj hastighed sammenlignet med andre metoder. Dette gjaldt især for bygningen af ​​den indre, højtemperaturzone af månelandingspladsen (hvor start- og landingsraketafbrændingerne sker). Denne metode er også den mest gunstige til at konstruere den ydre lavtemperaturzone, hvis og når transportomkostningerne er høje.

Men i tilfælde af at transportomkostningerne til månens ansigt kan holdes på $110 pr. kg (omkring $50 pr. lb), skiftede den mest omkostningseffektive metode til polymerinfusion. De producerede også skøn over de samlede omkostninger ved at bygge Artemis Base Camp ($229 millioner) - overfladehabitatet NASA har til hensigt at bygge omkring Sydpolen-Aitken-bassinet. Disse var baseret på det forbehold, at transportomkostningerne vil falde fra deres nuværende sats på $1 million pr. kg ($454.545 pr. lbs) til $300.000 pr. kg (~$136.360 pr. lbs).

Metzger sagde:"Vi fandt ud af, at omkostningerne ved at bygge en landingsplads under NASA's Artemis-program er ret overkommelige - omtrent de samme omkostninger som et NASA Discovery-klasse-rumfartøj ($300 mio.). Det er en lille omkostning sammenlignet med mange andre elementer i en menneskelige rumflyvningsprogram. For den pris vil programmet skabe det første permanente anlæg bygget på en anden verden, og det vil også levere byggerobotterne til månen, så de kan begynde at udføre andre opgaver som at bygge menneskelige levesteder."

Disse estimater falder til $130 millioner, hvis transportomkostningerne kunne reduceres yderligere til $100.000 pr. kg ($45.455 pr. lbs) eller til $47.000.000, hvis de falder under $10.000 pr. kg ($4.545 pr. lb). I sidste ende demonstrerede Metzger og Autry, at en månebase kunne bygges til en overkommelig pris, og prisskiltet vil afhænge af, i hvilket omfang opsendelsesomkostningerne fortsætter med at falde i de kommende år. Disse resultater er af særlig betydning i betragtning af antallet af rumbureauer, der ønsker at bygge forposter i Sydpolen-Aitken-bassinet i dette årti og det næste.

Ud over Artemis Base Camp planlægger ESA at skabe en permanent base kendt som International Moon Village. Som en åndelig efterfølger til Den Internationale Rumstation (ISS) ville denne base rumme roterende besætninger af astronauter, langvarige ophold og videnskabelige operationer på månen. For ikke længe siden mødtes repræsentanter for de kinesiske og russiske rumprogrammer for at annoncere en fælles vision for en månebase – den internationale måneforskningsstation (ILRS).

I forventning om den kommende tidsalder for måneudforskning fortsætter NASA og andre rumbureauer med at forske i teknologier, der vil muliggøre omkostningseffektiv konstruktion på månen. Dette inkluderer en ISRU-fremstillingsproces kendt som Regolith Adaptive Modification System (RAMs), som er banebrydende af forskere ved Texas A&M University. Denne proces er fokuseret på at tilvejebringe en tidlig infrastruktur, der ville lette transporten af ​​sintrings- eller polymerisationsudstyr.

Der er også et månelander-koncept under udvikling af Masten Space Systems med støtte fra Institute for Advanced Concepts (NIAC), Honeybee Robotics, Texas A&M og University of Central Florida (UCF). Dette koncept inkorporerer en proces kendt som in-Flight Alumina Spray Technique (FAST), hvor en lander sprøjter aluminiumspartikler ind i sine landingspropeldyser for at skabe sin egen landingspude, hvilket også afbøder problemet med, at månestøv bliver sparket op.

I dette årti og det næste vil menneskeheden vende tilbage til månen, denne gang for at blive. Ikke alene vil flere rumbureauer sende astronauter, men kommercielle partnere vil blive hyret til at levere nyttelast og besætningstransporttjenester. Måneturister og endda bosættere kan i sidste ende følge efter, hvilket fører til en permanent menneskelig tilstedeværelse og den første generation af "Lunites" (eller "Loonies").

Denne multinationale indsats fremmer innovation på tværs af flere sektorer og fører til ansøgninger om liv her på Jorden. Når alt kommer til alt, hvis vi skal sikre, at mennesker kan overvinde det økologiske problem, vi står over for på Jorden og leve i rummet, kræver det, at vi er opfindsomme.