Ny undersøgelse omhandler, hvordan månemissioner vil sætte gang i månestøv

Inden udgangen af ​​dette årti planlægger NASA at returnere astronauter til månen for første gang siden Apollo-æraen. Men denne gang, gennem Artemis-programmet, bliver det ikke en "fodspor og flag"-affære.

Sammen med andre rumbureauer og kommercielle partnere er det langsigtede mål at skabe den infrastruktur, der vil muliggøre et "vedvarende program for måneudforskning og udvikling." Hvis alt går efter planen, vil flere rumbureauer have etableret baser omkring Sydpolen-Aitken-bassinet, hvilket vil bane vejen for måneindustri og turisme.

For at mennesker kan leve, arbejde og udføre forskellige aktiviteter på månen, er der behov for strategier til at håndtere alle farerne - ikke mindst af dem er månens regolit (eller "månestøv"). Som Apollo-astronauterne lærte, er månestøv forrevne, klæber til alt og kan forårsage betydeligt slid på astronautdragter, udstyr, køretøjer og sundhed.

I en ny undersøgelse foretaget af et team af Texas A&M-ingeniører udgør regolith også en kollisionsfare, når den bliver sparket op af raketfaner. I betragtning af de mange rumfartøjer og landere, der vil levere besætninger og last til månen i den nærmeste fremtid, er dette en fare, der fortjener stor opmærksomhed.

Undersøgelsen blev udført af Shah Akib Sarwar og Zohaib Hasnain, en ph.d. Studerende og adjunkt (henholdsvis) ved J. Mike Walker '66 Department of Mechanical Engineering ved Texas A&M University. Til deres undersøgelse undersøgte Sarwar og Hasnain partikel-partikel-kollisioner for månens regolit ved hjælp af den "bløde sfære"-metode, hvor Newtons bevægelsesligninger og en kontaktkraftmodel er integreret for at studere, hvordan partikler vil kollidere og overlappe.

Dette adskiller den fra den "hårde kugle"-metoden, som modellerer partikler i sammenhæng med væsker og faste stoffer.

Mens månens regolit spænder fra små partikler til store sten, er hovedbestanddelen af ​​"månestøv" fine silikatmineraler med en gennemsnitlig størrelse på 70 mikron. Disse blev skabt over milliarder af år, da den luftløse månes luftløse overflade blev ramt af meteorer og asteroider, der bankede meget af måneskorpen til et fint pulver.

Fraværet af en atmosfære betød også, at erosion fra vind og vand (almindelig her på Jorden) var fraværende. Endelig har konstant udsættelse for solvind efterladt månens regolit elektrostatisk ladet, hvilket betyder, at den klæber til alt, den rører ved.

Da Apollo-astronauterne vovede sig til månen, rapporterede de at have problemer med regolith, der ville holde sig til deres dragter og blive sporet tilbage til deres månemoduler. Når den først var inde i deres køretøjer, ville den klæbe til alt og blive en sundhedsfare, hvilket forårsagede øjenirritation og åndedrætsbesvær.

Men med Artemis-missionerne i horisonten og den planlagte infrastruktur, det vil medføre, er der spørgsmålet om, hvordan rumfartøjer (under start og landing) vil få regolith til at blive sparket op i store mængder og accelereret til høje hastigheder.

Da Sarwar relaterede til Universe Today via e-mail, er dette en af ​​de vigtigste måder, hvorpå måneregolith vil være en stor udfordring for almindelige menneskelige aktiviteter på månen:

"Under en retro-fremdrivende blød landing på månen kan supersoniske/hypersoniske raketudstødningsfaner udstøde en stor mængde (108-1015 partikler/m ³ set i Apollo-missioner) af løs regolit fra det øverste jordlag."

"På grund af fjergenererede kræfter - træk, løft osv. - kan udkastet rejse med meget høje hastigheder (op til 2 km/s). Sprayen kan skade rumfartøjet og nærliggende udstyr. Det kan også blokere udsynet til landingsområde, forstyrre sensorer, tilstoppe mekaniske elementer og forringe optiske overflader eller solpaneler gennem kontaminering."

Data erhvervet fra Apollo-missionerne tjente som prøvesten for Sarwar og Hasnain, som omfattede, hvordan udstødning fra udstødningsfanen fra Apollo 12 Lunar Module (LM) beskadigede Surveyor 3-rumfartøjet, der var placeret 160 meter væk. Dette ubemandede køretøj var blevet sendt for at udforske Mare Cognitum-regionen i 1967 og karakterisere månens jord forud for bemandede missioner.

Surveyor 3 blev også brugt som et landingsmål for Apollo 12 og blev besøgt af astronauterne Pete Conrad og Alan Bean i november 1969.

Skaderne blev afbødet af, at Surveyor 3 sad i et krater under landingsstedet for Apollo 12 LM. Et andet eksempel er Apollo 15-missionen, der landede i Hadley-Apennine-regionen i 1971. Under LM's nedstigning kunne astronauterne David R. Scott og James B. Irwin ikke se landingsstedet, fordi deres udstødningsfane havde skabt en tyk sky af regolit over det.

Dette tvang besætningen til at vælge et nyt landingssted på kanten af ​​Béla, et aflangt krater øst for regionen. LM kunne ikke opnå et afbalanceret fodfæste på dette sted og vippede bagud 11 grader, før det stabiliserede sig selv.

Forskning udført siden disse missioner fandt sted førte til den konklusion, at kollisioner mellem regolith-partikler sandsynligvis forårsagede spredningen. Som Sarwar antydede, illustrerer disse eksempler, hvordan forstyrret regolit kan blive en fare, især hvor andre rumfartøjer og faciliteter er placeret i nærheden:

"Ovenstående to eksempler fra Apollo-æraen var ikke alvorlige nok til at bringe missionssucces i fare. Men fremtidige Artemis (og CLPS) missioner vil finde sted på månens sydpol, hvor jorden antages at være væsentlig mere porøs/svag end den ækvatoriale og Apollo-landingsområder på mellem breddegrad."

"Også forventes Artemis-landere at levere meget større nyttelast end Apollo og kræver derfor mere tryk for at bremse. Som følge heraf kan der ske dybe kraterdannelser (ikke set i Apollo) på grund af raketudstødningsfaner og blæse regolitten i meget højere vinkler end de tidligere set (~1-3 grader over jorden)."

I overensstemmelse med de langsigtede mål for Artemis-programmet planlægger NASA at bygge infrastruktur omkring det sydlige polarområde for at muliggøre et "vedvarende program for måneudforskning og udvikling." Dette inkluderer Artemis Base Camp, der består af et fundaments overfladehabitat, en beboelig mobilitetsplatform, et måne-terrænkøretøj (LTV) og Lunar Gateway i kredsløb.

"Som sådan er beskyttelse af mennesker, strukturer eller nærliggende rumfartøjer fra farerne ved månens regolitpartikler af største bekymring," sagde Sarwar.

Lignende forskning har vist, hvordan skyer af regolith forårsaget af landing og start også kan udgøre en fare for sikker drift af Lunar Gateway og månens kredsløb. Disse trusler har drevet betydelig forskning i, hvordan månestøv kan afbødes under fremtidige missioner. Som nævnt brugte Sarwar og Hasnain den bløde sfære-metode til at evaluere de risici, som partikel-partikelkollisioner udgør:

"I denne metode får tilstødende partikler lov til at overlappe hinanden med en lillebitte mængde, hvilket tages som et indirekte mål for den deformation, der forventes ved en reel partikel-partikel kollision. Denne overlapningsværdi sammen med relevante materialeegenskaber for månens regolit, bruges derefter i en spring-dashpot-friktionsskyder til at beregne kræfter i hver kollisionshændelse. Uelasticiteten, der er involveret i en kollision, varierer fra fuldstændig uelastisk til meget elastisk."

"Vores resultater afslører, at meget elastiske kollisioner mellem relativt store regolith-korn (~100 mikron) får en betydelig del af dem til at skydes ud i store vinkler (nogle kan flyve ud ved ~90 grader). Resten af ​​kornene er dog indeholdt i et område med lille vinkel (<3 grader) langs jorden – hvilket er på linje med det synlige regolitark, der blev observeret under Apollo-missionerne."

Med hensyn til sikkerhedsforanstaltninger foreslår Sarwar og Hasnain, at berm eller hegn omkring en landingszone er en måde at afbøde ejecta-spray. Men som deres forskning tyder på, kan en vis procentdel af regolitpartikler spredes i store vinkler på grund af kollisioner, hvilket gør berner eller hegn utilstrækkelige.

"En bedre løsning for fremtidige Artemis-missioner ville være at bygge en landingsplads," sagde Sarwar. "I denne henseende arbejder et team af flere organisationer med personale fra både den akademiske verden (inklusive Dr. Hasnain) og industrien på at udvikle aluminasprøjteteknikken ombord, eller FAST landingspuder."

FAST-metoden forestiller sig månelandere udstyret med aluminiumoxidpartikler, der udstødes under landingsmanøvrer. De bliver derefter flydende af motorfaner for at skabe smeltet aluminium på månens overflade, som afkøles og størkner for at skabe en stabil landingsoverflade. NASA har også undersøgt, hvordan landingspuder kunne bygges ved hjælp af sintringsteknologi, hvor regolith sprænges med mikrobølger for at skabe smeltet keramik, der hærder ved kontakt med rummet.

En anden idé er at bygge landingspuder med sprængvægge for at indeholde udstødt regolith, som det Texas-baserede byggefirma ICON inkluderede i deres Lunar Lantern-habitatkoncept.

Ak, eksperimentelle undersøgelser vedrørende månens regolit er meget vanskelige, fordi måneforholdene er vidt forskellige fra dem på Jorden. Dette inkluderer den lavere tyngdekraft (omkring 16,5 % af Jordens), vakuummiljøet og de ekstreme temperaturvariationer. Derfor er forskere tvunget til at stole meget på numerisk modellering, som typisk fokuserer på fanekræfter og stort set ignorerer partikelkollisions rolle. Men som Sanwar bemærkede, giver deres forskning værdifuld indsigt og illustrerer, hvorfor det er vigtigt at overveje dette ofte oversete fænomen, når man planlægger fremtidige månemissioner:

"[Men] vores forskning i partikelkollisioner har vist, at dette er et meget vigtigt fænomen at overveje for nøjagtig regolith-baneforudsigelse og derfor skal inkluderes. Der er stadig mange udfordringer tilbage på dette område, såsom en mangel viden om regolith partikel restitutionskoefficient (som bestemmer energitab ved en kollision), effekter af regolith størrelsesfordeling, implikationer af turbulente faner osv."

"Vi håber at belyse nogle af disse usikkerheder i fremtiden og bidrage til en mere omfattende måne-PSI-model for sikrere Artemis-månelandinger."

Resultaterne er offentliggjort i Acta Astronautica .

Flere oplysninger: Shah Akib Sarwar et al., Undersøgelse af kollisionseffekter på månens jordpartikler, der kastes ud under raketfaner, Acta Astronautica (2024). DOI:10.1016/j.actaastro.2024.02.014

Leveret af Universe Today