Trådløs kraftoverførsel kunne muliggøre udforskning af månens anden side

Hvordan kan fremtidig måneudforskning kommunikere fra den fjerne side af månen på trods af, at den aldrig er på linje med Jorden? Dette er, hvad en nylig undersøgelse har indsendt til IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems håber at tage fat, da et par forskere fra Polytechnique Montréal undersøgte potentialet for en trådløs kraftoverførselsmetode (WPT) bestående af alt fra én til tre satellitter placeret ved Jord-månen Lagrange Point 2 (EMLP-2) og en solcelledrevet modtager på den anden side af månen.

Denne undersøgelse, tilgængelig på arXiv preprint-server, har potentialet til at hjælpe forskere og fremtidige måneastronauter med at opretholde konstant kommunikation mellem Jorden og månen, da månens fjernside altid vender væk fra Jorden fra månens rotation, der næsten fuldstændigt er synkroniseret med dens kredsløb omkring Jorden.

Her diskuterer Universe Today denne forskning med Dr. Gunes Karabulut Kurt, som er lektor ved IEEE Polytechnique Montréal og studiets medforfatter, angående motivationen bag studiet, væsentlige resultater, opfølgende forskning og implikationer for WPT. Så hvad var motivationen bag denne undersøgelse?

"Denne forskning er motiveret af målet om at overvinde de logistiske og tekniske udfordringer forbundet med at bruge traditionelle kabler på månens overflade," siger Dr. Kurt til Universe Today. "At lægge kabler på månens ru, støvede overflade ville føre til løbende vedligeholdelses- og slidproblemer, da månestøv er meget slibende. På den anden side kræver transport af store mængder kabler til månen en betydelig mængde brændstof, hvilket bidrager betydeligt til missionens omkostninger."

Til undersøgelsen brugte forskerne et utal af beregninger og computermodeller til at fastslå, om en, to eller tre satellitter er tilstrækkelige inden for en EMLP-2-halobane til at opretholde både konstant dækning af månens fjernside (LFS) og sigtelinje med Jorden. For kontekst er EMLP-2 placeret på den anden side af månen med halo-kredsløbet vinkelret - eller sidelæns - på månens kredsløb. Beregningerne involveret i undersøgelsen inkluderede afstandene mellem hver satellit, antennevinklerne mellem satellitterne og overflademodtageren, mængden af ​​LFS overfladedækning og mængden af ​​transmitteret effekt mellem satellitterne og LFS overfladeantenner. Så hvad var de mest signifikante resultater fra denne undersøgelse?

Dr. Kurt fortæller Universe Today, at deres modeller konkluderede, at tre satellitter i en EMLP-2-halo-kredsløb og opererer i lige store afstande fra hinanden kunne "opnå kontinuerlig strømudsendelse til en optisk modtagerantenne hvor som helst på månens fjerne side" og samtidig opretholde 100 procent LFS dækning og sigtelinje med Jorden. "Udover tredobbelt satellitsystem, der giver kontinuerlig LFS fuld dækning, giver selv en to-satellit-konfiguration fuld dækning i 88,60 % af en fuld cyklus omkring EMLP-2-halo-kredsløbet," tilføjer Dr. Kurt.

Med hensyn til opfølgende forskning, siger Dr. Kurt til Universe Today, "Vores fremtidige undersøgelser vil fokusere på mere komplekse høst- og transmissionsmodeller for at komme tættere på virkeligheden. På den anden side en tilgang, der tager højde for den uregelmæssige natur af månestøv og variationen i dens tæthed på grund af miljøfaktorer såsom subsolar vinkel og andre. I fremtiden, hvis forskningen på dette område fortsætter, udforsk dette eksperimentelt med månestøvsimulatorer og lasere."

Denne undersøgelse kommer, da NASA forbereder sig på at sende astronauter til månen for første gang siden 1972 med Artemis-programmet, hvis mål vil være at lande den første kvinde og farvede person på månens overflade. Med succesen med Artemis 1-missionen i november 2022, der bestod af en ubemandet Orion-kapsel, der kredsede om månen, sigter NASA i øjeblikket mod september 2025 for deres Artemis 2-mission, som er planlagt til at være en 10-dages, 4-personers bemandet mission vha. Orion-kapslen til en forbiflyvning på månen, hvis mål vil være at gennemføre en komplet systemcheck af Orion-kapslen. Derfor, hvilke implikationer kan denne undersøgelse have for de kommende Artemis-missioner eller enhver fremtidig menneskelig udforskning af månen?

"Opdagelserne har betydning for designet af energitransmissionssystemer på månen," siger Dr. Kurt til Universe Today. "En bedre forståelse af de trådløse transmissionsforstyrrende stoffer såsom månestøv kan føre til udviklingen af ​​mere effektive og pålidelige systemer til at drive månemissioner og infrastruktur, herunder dem, der er relateret til Artemis-programmet og fremtidige menneskelige udforskningsindsatser."

Hvis det lykkes, vil Artemis 2 blive efterfulgt af Artemis 3 i september 2026, som også vil bestå af en 4-personers besætning med to besætningsmedlemmer, der lander på månens overflade og en cirka missionsvarighed på 30 dage. Dette vil blive efterfulgt af Artemis 4, Artemis 5 og Artemis 6, som i øjeblikket er planlagt til henholdsvis september 2028, september 2029 og september 2030, hvor hver mission stiger i både antallet af astronauter, der lander på månens overflade sammen med forventet leverancer af månehabitat-moduler og måne-rovere.

"Desuden er Artemis-missionen målrettet mod månens sydpol for dens landingssteder," siger Dr. Kurt til Universe Today. "Denne region er af særlig interesse på grund af tilstedeværelsen af ​​toppe af evigt lys (PEL'er), som modtager næsten kontinuerligt sollys og permanent skyggede områder (PSR'er), som er potentielle steder for ressourcer såsom vandis. Disse kontrastforhold er ideelle for anvendelsen af ​​trådløs energitransmission (laser power beaming-teknologi), som kunne give en kontinuerlig strømforsyning i skyggefulde områder ved at transmittere energi trådløst fra oplyste områder."

Grunden til, at disse PSR'er eksisterer, skyldes månens lave skråstilling eller aksiale hældning, som undersøgelsen bemærker er 6,68 grader. For sammenhæng er Jordens skævhed 23,44 grader. Det betyder, at der er områder, og specifikt kratere, på både nord- og sydpolen på månen, der ikke modtager sollys, deraf navnet "permanent skyggede områder." Som nævnt af Dr. Kurt kunne disse PSR'er være hjemsted for aflejringer af vandis i disse dybe, mørke kratere, som astronauter kunne bruge til vand, brændstof og andre behov.

Artemis-missionerne planlægger ikke kun at levere astronauter til månens overflade, men også et levested og månens rovers med det mål at etablere en permanent menneskelig tilstedeværelse på månen. Dette vil give muligheder for at demonstrere nye rumteknologier, der kan bruges til både måneudforskning og fremtidige menneskelige missioner til Mars, som er en del af NASAs måne til Mars-arkitektur.

"Nuværende missioner planlægger at genbruge jordbevist teknologi," siger Dr. Kurt til Universe Today. "Denne tankegang kan underminere den blå himmel-designtilgang, hvor forskere opfordres til at tænke frit, udforske kreative ideer og skubbe grænserne for, hvad der er muligt uden at være begrænset af begrænsninger såsom specifikke projektkrav eller bagudkompatibilitet. I vores arbejde sigter vi at inkludere multifunktionalitetsaspekter, som ikke er en nødvendighed for jordbaserede applikationer, men som kan vise sig at være afgørende for fremtidige rummissioner."

Flere oplysninger: Baris Donmez et al., Continuous Power Beaming to Lunar Far Side from EMLP-2 Halo Orbit, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2402.16320

Journaloplysninger: arXiv

Leveret af Universe Today