science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Wat Artemis ons leert over leven, werken op de maan

De beklimming van de Lunar Module met maanwandelende astronauten Neil Armstrong en Edwin Aldrin Jr. nadert voor een rendez-vous met de Apollo Command Module bemand door astronaut Michael Collins. Krediet:NASA

Mensen hebben niet veel kans gehad om op de maan te werken. De 12 Apollo-astronauten die het oppervlak mochten verkennen, klokten in totaal 80 uur aan ontdekkingstijd. Uit hun korte ontmoetingen, en uit uitgebreide analyses van Apollo-monsters en maanmeteorieten die op aarde zijn gevonden, wetenschappers hebben bijna zoveel mogelijk geleerd over de maanomgeving zonder veel contact met het oppervlak. Nutsvoorzieningen, voor het eerst in een halve eeuw, Dankzij NASA's Artemis-missies kunnen wetenschappers en ingenieurs het oppervlak van dichtbij onderzoeken. Dit zal ons leren hoe we ons veilig over maangrond kunnen bewegen, bekend als regoliet; hoe je er infrastructuur bovenop kunt bouwen; en hoe we mensen veilig kunnen houden in de ruimte. De technieken die wetenschappers op de maan zullen ontwikkelen, zullen het voor mensen mogelijk maken om veilig en duurzaam verdere bestemmingen te verkennen, zoals Mars.

Hier zijn een paar dingen die we zullen leren door tijd door te brengen op het oppervlak van de maan:

Hoe ver vervuilen we het oppervlak als we erop landen?

Als een ruimtevaartuig afdaalt naar het maanoppervlak, het besproeit het met water en andere gassen die vrijkomen als het voertuig zijn motoren stuwt om zichzelf te vertragen voor een zachte landing. Voor astronauten die lokale watervoorraden gaan catalogiseren, deze aardse verontreinigingen maken het moeilijk om onderscheid te maken tussen bonafide maanwater en water uit de uitlaat van hun voertuig. Het zou ook chemische analyses van het maanoppervlak en zijn superdunne atmosfeer kunnen vertroebelen, wat een exosfeer wordt genoemd.

Om de nauwkeurigheid van de wetenschap aan de oppervlakte te beschermen, veel wetenschappers bouwen computermodellen en laboratoriumexperimenten die kunnen helpen voorspellen hoe de uitlaatgassen van onze ruimtevaartuigen de maanomgeving zullen beïnvloeden. Bijvoorbeeld, Parvathy Prem, een planetaire wetenschapper aan het Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory in Laurel, MD, ontwerpt software die simuleert wat er gebeurt als een voertuig vreemde gassen op de maan uitstoot.

Een artist's concept uit 1969 dat de Apollo 11 Lunar Module afbeeldt die afdaalt naar het oppervlak van de maan. Zonder sfeer, de uitlaat van het voertuig zet aanzienlijk uit. Krediet:NASA/JSC

Haar simulaties laten zien dat uitlaatgassen van een klein ruimtevaartuig - de grootte van China's onbemande Chang'e-3 maanlander - ongeveer 661 pond (300 kilogram) water en andere gassen zouden spuiten op enkele kilometers van de landingsplaats. Voor een zwaardere landingsvoertuig op mensenmaat, dit gebied zou waarschijnlijk veel groter zijn en het kan zijn dat astronauten zich vele kilometers van hun basis moeten wagen om verse monsters van maangrond te zoeken. (Apollo-astronauten waagden zich om deze reden van een paar honderd meter tot tientallen kilometers verwijderd van de commandomodule.)

Nutsvoorzieningen, Prem ontwikkelt nieuwe simulaties om te begrijpen wat er met water gebeurt nadat het in de omgeving van de maan is vrijgelaten. Blijft het hangen in de exosfeer en blaast het dan de ruimte in? Vestigt het zich in de regoliet, of springen zijn moleculen over het oppervlak? "We proberen een reeks oplossingen op te bouwen waarin we verschillende dingen aannemen over interacties tussen watermoleculen en het maanoppervlak, " zegt Prem, "zodat we de volgende keer een landing kunnen observeren en metingen kunnen doen, we zullen deze reeks oplossingen hebben die we hebben opgebouwd en we zullen kunnen zien welke het beste past om snel te bepalen wat er gebeurt."

Prem maakt deel uit van een team van NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, die de komende jaren een instrument op een van NASA's Commercial Lunar Payload Services-landers zal sturen om deze vragen te onderzoeken. Het team zal informatie verzamelen die niet alleen de maanverkenning, maar ook de manier waarop wetenschappers toekomstige monsters van asteroïden zullen verzamelen, Mars en andere lichamen. "We kunnen besmetting niet voorkomen, " zegt Prem, "Maar we moeten weten hoeveel ervan gebeurt, zodat we daar rekening mee kunnen houden."

Een animatie van een van Prem's simulaties die laat zien waar waterdamp die vrijkomt door een ruimtevaartuig in de loop van 65 seconden gaat tijdens de afdaling. Aangenomen wordt dat de landing op 70 graden zuiderbreedte is, 7 uur lokale tijd, wanneer de oppervlaktetemperatuur ongeveer 200 kelvin is (min 99,67 F, min 73,15 C). Het ruimtevaartuig is te klein om op deze schaal te zien, maar het bevindt zich in het donkerste blauwe deel van de dampwolk. De breedte van het tafereel is ongeveer 19 mijl (30 kilometer). Blauw staat voor water dat zich boven het oppervlak bevindt (in de exosfeer); grijs is water dat naar de oppervlakte zakt. Momenteel, Prem modelleert alleen de waterdamp (ongeveer 220 pond, of 100 kilogram) die wordt losgelaten uit een voertuig ter grootte van China's onbemande Chang'e-3 maanlander. Water is ongeveer een derde van de totale massa aan gassen die vrijkomt tijdens de afdaling. Krediet:Parvathy Prem

Hoe te werken met aarde die zich gedraagt ​​als bakmeel

Stel je voor dat je een maatlepel in bakmeel steekt. Regolith voelt zoiets. Regolith is het meest vergelijkbaar met aardzand, die is gemaakt van door de wind vermalen rotsen, regen en andere elementen. Maar elke zandkorrel is gewikkeld in luchtmoleculen die ruimte tussen hen toevoegen. Aangezien er geen lucht op de maan is, regolith is meer samenhangend, wat betekent dat de korrels dicht bij elkaar blijven zoals die van bakmeel.

Weten over eigenschappen van regolith is belangrijk bij het ontwerpen van missies naar de maan. Als voertuigen lange afstanden over het oppervlak moeten afleggen, en als astronauten regoliet moeten graven om infrastructuur te bouwen, wetenschappers en ingenieurs moeten weten hoe ze het beste kunnen worden uitgerust, zegt Christine Hartzell, een professor lucht- en ruimtevaarttechniek aan de Universiteit van Maryland in College Park die regoliet bestudeert op de maan en op asteroïden, inclusief Bennu, waar het OSIRIS-REx-ruimtevaartuig momenteel in een baan om de aarde draait.

"Als je iets ontwerpt om op het strand te rijden, je ontwerpt hele dikke banden omdat ze te maken hebben met zand dat samendrukbaar is en onder het wiel verschuift. Maar je zou smalle banden ontwerpen voor een racefiets omdat hij over een heel hard en uniform wegdek rijdt, ' merkt ze op. 'Op de maan, we moeten weten of we over een grindoppervlak of over een zandduin gaan rijden."

Een close-up van een voetzool en oppervlaktemonsternemer met schep (arm, buiten beeld) op het ruimtevaartuig Surveyor 3, die werd gefotografeerd door de Apollo 12-astronauten tijdens hun tweede extravehicular activiteit (EVA) op de maan. De Apollo 12-maanmodule, met astronauten Charles Conrad Jr. en Alan L. Bean aan boord, landde in de Ocean of Storms op slechts 200 voet van Surveyor 3. Het onbemande ruimtevaartuig landde op 19 april zacht op de maan, 1967. Let op de afdruk in de maanbodem die werd veroorzaakt toen de Surveyor 3 bij de landing stuiterde. Krediet:NASA

Regolith is gemaakt van losse stenen, kiezelstenen en stof, en het bedekt de hele maan. Het onderscheidt zich op een aantal manieren van zand, naast samenhang:In tegenstelling tot zand, die door wind en water in de loop van eeuwen wordt afgerond, twee fenomenen die niet bestaan ​​op de luchtloze en droge maan, korrels van maangrond zijn scherp, puntig en potentieel schurend voor ruimtepakken en uitrusting.

maangrond wordt ook elektrostatisch geladen door zonnedeeltjes die inslaan op het oppervlak van de maan. Hierdoor blijft het aan de apparatuur plakken, vergelijkbaar met hoe kleding aan elkaar kan plakken als je ze uit de droger haalt. In feite, er zit nog wat regoliet op ruimtepakken van Apollo-missies.

Astronauten die over het oppervlak bewegen, kunnen ook elektrostatische krachten versterken, vergelijkbaar met iemand die statische elektriciteit opbouwt nadat hij over een vloerbedekking schuifelt. Hun activiteit kan ertoe leiden dat stofdeeltjes van het oppervlak tot 10 meter (33 voet) zweven, Hartzell schat.

Als astronauten wolken van plakkerig stof tegenkomen, wetenschappers en ingenieurs moeten voorbereid zijn om daarmee om te gaan, ze zegt:"We willen weten wat er met het stof gebeurt als het niet meer zweeft. Als het bezinkt, kauwt het de mechanica van een maanvoertuig op? Wordt het afgezet op optische instrumenten en ziet alles er dan troebel uit?" Robotverkenning van het oppervlak in de komende jaren zal wetenschappers helpen een aantal van deze vragen te beantwoorden ter voorbereiding op het sturen van astronauten.

Dit is een foto van regolietdeeltjes die tijdens het Apollo-tijdperk van het maanoppervlak zijn verzameld. Dit zijn fragmenten van vulkanisch gesteente, en ze bevatten veel van een mineraal genaamd plagioklaas, die rijk is aan calcium en aluminium. Krediet:Natalie Curran/NASA

Hoeveel water is er en waar?

In het laatste decennium, instrumenten op NASA's Lunar Reconnaissance Orbiter en op andere ruimtevaartuigen hebben bewijs gevonden van water op de maan. Vloeibaar water is niet stabiel aan het oppervlak van de maan, maar er is bewijs voor watermoleculen die rondkaatsen op het oppervlak en in de atmosfeer; waterijs aan de polen; en zeer kleine hoeveelheden water die gevangen zitten in de structuur van sommige gesteenten en mineralen van de maan.

Wat zijn vorm ook is, water is van cruciaal belang. Artemis-astronauten hebben het nodig om te drinken en voor zijn componenten, zuurstof en waterstof, die zal worden gebruikt om te ademen en voor het maken van raketbrandstof voor diepe ruimtereizen.

De meest veelbelovende waterreserves op de maan lijken zich te bevinden in de permanent beschaduwde kraters aan de polen, die tot de koudste plaatsen in het zonnestelsel behoren en, dus, goed in het bewaren van dingen zoals water, wetenschappers verwachten. Dit, naast het overvloedige zonlicht, daarom is de zuidpool van de maan het doelgebied voor een menselijke missie van Artemis.

De uitdaging is dat, voor het grootste gedeelte, remote sensing-instrumenten kunnen water detecteren, of zijn chemische componenten, in een relatief ondiepe laag van het oppervlak. Dit roept de vraag op of dat al het water is dat beschikbaar is voor mensen om te gebruiken of dat het slechts het topje van de ijsberg is. Artemis-astronauten zullen onder het oppervlak moeten graven om erachter te komen.

Een weergave van de zuidpool van de maan die laat zien waar reflectie- en temperatuurgegevens wijzen op de mogelijke aanwezigheid van oppervlaktewaterijs. Krediet:NASA's Scientific Visualization Studio