In de nabije toekomst zullen NASA, de European Space Agency (ESA), China en Roscosmos allemaal bemande missies naar de maan uitvoeren. Dit zal de eerste keer zijn dat astronauten op het maanoppervlak lopen sinds het Apollo-tijdperk. Maar in tegenstelling tot de "race naar de maan", is het doel van deze programma's niet om er als eerste te komen en slechts een paar experimenten en landers achter te laten (d.w.z. "voetafdrukken en vlaggen"-missies), maar om een ​​duurzame menselijke aanwezigheid op de maan oppervlakte. Dit betekent het creëren van habitats aan het oppervlak en in een baan die kunnen worden gebruikt door roterende bemanningen.

Hoewel NASA en andere ruimteagentschappen van plan zijn zoveel mogelijk gebruik te maken van lokale hulpbronnen - een proces dat bekend staat als in-situ resource utilisatie (ISRU) - zal het creëren van maanbases nog steeds veel materialen en machines vereisen om vanaf de aarde te worden verzonden. In een recent onderzoek bespraken Philip Metzger en Greg Autry de kosten en het energieverbruik van het bouwen van landingsplatforms op het maanoppervlak. Na verschillende constructiemethoden te hebben overwogen, kwamen ze tot de conclusie dat een combinatie van additive manufacturing en polymeerinfusie de meest efficiënte en kosteneffectieve manier was.

Philip Metzger is een associate scientist bij het Florida Space Institute (FSI) aan de University of Central Florida (UCF), een voormalig senior onderzoeksfysicus bij NASA's Kennedy Space Center (KSC), en de mede-oprichter van de KSC Swamp Works. Greg Autry is een klinische professor in Space Leadership, Policy and Business bij de Thunderbird School of Global Management aan de Arizona State University (ASU) en de voorzitter van de Commercial Space Transportation Advisory Committee (COMSTAC) Safety Working Group bij de Federal Aviation Administration ( FAA).

Voor hun studie onderzochten Metzger en Autry verschillende methoden voor het bouwen van landingsplaatsen op het maanoppervlak. Elke methode werd geëvalueerd op basis van drie belangrijke factoren:de noodzaak om grote hoeveelheden massa vanaf de aarde te vervoeren, het energieverbruik op het maanoppervlak en de tijd die nodig is om de constructie te voltooien. Elk van deze factoren draagt ​​(direct of indirect) bij aan de totale kosten van maanactiviteiten.

Onder hun bevindingen hebben Metzger en Autry vastgesteld dat twee variabelen het belangrijkst zijn bij het evalueren van constructiemethoden in de ruimte:transportkosten en de vertragingen die door het bouwproces worden veroorzaakt. Zoals Metzger via e-mail aan Universe Today uitlegde:

"Ik was verrast dat de complexiteit en betrouwbaarheid van het bouwproces geen grotere rol speelden. Een complex systeem zal ongeveer 50% meer investering vooraf nodig hebben om het net zo betrouwbaar te maken als de eenvoudigere methoden, en een kostenverhoging van 50% klinkt zoals veel, maar vergeleken met de kosten van maantransport en het waardeverlies als je dingen op de maan uitstelt, blijkt dat 50% meer ontwikkelingskosten volkomen onbelangrijk zijn.

"Dus als je een complexere methode uitvindt om dingen te doen, en die methode is sneller en minder massa dan eerdere methoden, dan is het de moeite waard. Dat druist in tegen onze natuurlijke neiging als ruimtetechnologen. We denken dat het beter is om dingen eenvoudiger te houden, en we denken dat als we ver weg op de maan opereren, het nog belangrijker is om dingen simpel te houden, maar als we het vanuit een economisch perspectief bekijken, blijkt dat gevoel niet waar te zijn. In de economische omgeving van de maan operaties, is hogere technologie de grotere investering vooraf waard."

Ze ontdekten verder dat de dikte van de kussens, de thermische omgeving (die varieert tussen het binnenste en buitenste kussen) en de lanceringscadans van het maanprogramma ook belangrijke factoren waren bij het vaststellen van praktische limieten voor de bouwtijd. Kortom, de kosteneffectiviteit van elke methode komt neer op de kosten per kilo te lanceren nuttige lading en de snelheid van constructie. Ze hebben er verschillende overwogen op basis van de energievereisten en hoe dit zou variëren afhankelijk van de thermische omgeving.

Ze keken met name naar recente innovaties in additive manufacturing (3D-printing) en ISRU, die al jaren onderwerp zijn van onderzoek door NASA en de ESA. Wanneer aangepast aan het maanoppervlak, omvatten methoden het verwarmen van regoliet met microgolven om een ​​gesmolten keramiek (ook bekend als "sinteren") te creëren dat vervolgens wordt afgedrukt en stolt bij contact met de luchtloze maanomgeving, of het toevoegen van een bindmiddel aan regoliet (zoals cement of een polymeer) om 'maanbeton' te vormen.

"Sommige methoden vereisen enorme hoeveelheden energie, waarvoor zware energiesystemen op de maan nodig zijn. Andere methoden vereisen vele tonnen bindmiddel die tegen hoge kosten van de aarde worden gehaald. Toch zijn andere zeer, zeer trage processen. We wilden zien hoe deze verschillende factoren met elkaar vergelijken als we het vanuit een economisch perspectief bekijken.

"We hebben alles omgezet in reële kosten:de kosten van het transporteren van massa vanaf de aarde; de ​​kosten van energie die op de maan wordt geleverd; het verlies van economische waarde als we lang bezig zijn met bouwen. Alles bij elkaar opgeteld, konden we zien welke constructie methoden bieden de beste waarde voor maanoperaties."

Ze ontdekten dat sinteren in de magnetron de beste combinatie van lage massa en hoge snelheid opleverde in vergelijking met andere methoden. Dit gold met name voor het bouwen van de binnenste, de hoge temperatuurzone van het maanlandingsplatform (waar de start- en landingsraketbranden plaatsvinden). Deze methode is ook het gunstigst voor de aanleg van de buitenste, lage temperatuurzone als en wanneer de transportkosten hoog zijn.

In het geval dat de transportkosten naar het maangezicht echter op $ 110 per kg (ongeveer $ 50 per lb) kunnen worden gehouden, schakelde de meest kosteneffectieve methode over op polymeerinfusie. Ze maakten ook schattingen van de totale kosten van het bouwen van het Artemis-basiskamp ($ 229 miljoen) - de oppervlaktehabitat die NASA van plan is te bouwen rond het Zuidpool-Aitken-bekken. Deze waren gebaseerd op het voorbehoud dat de transportkosten zullen dalen van het huidige tarief van $ 1 miljoen per kg ($ 454.545 per lbs) tot $ 300.000 per kg (~ $ 136.360 per lbs).

Metzger zei:"We ontdekten dat de kosten van het bouwen van een landingsplatform tijdens het Artemis-programma van NASA redelijk betaalbaar zijn - ongeveer dezelfde kosten als een ruimtevaartuig van de NASA Discovery-klasse ($ 300 miljoen). Dat is een kleine prijs in vergelijking met veel andere elementen van een bemande ruimtevaartprogramma. Voor die prijs zal het programma de eerste permanente faciliteit creëren die op een andere wereld is gebouwd, en het zal ook de bouwrobots naar de maan brengen, zodat ze andere taken kunnen gaan doen, zoals het bouwen van menselijke habitats."

Deze schattingen dalen tot $ 130 miljoen als de transportkosten verder kunnen worden verlaagd tot $ 100.000 per kg ($ 45.455 per lbs) of tot $ 47 miljoen als ze dalen tot onder $ 10.000 per kg ($ 4.545 per lb). Uiteindelijk hebben Metzger en Autry aangetoond dat een maanbasis betaalbaar kan worden gebouwd, en het prijskaartje zal afhangen van de mate waarin de lanceringskosten de komende jaren blijven dalen. Deze bevindingen zijn van bijzonder belang gezien het aantal ruimtevaartorganisaties dat dit decennium en het volgende decennium buitenposten wil bouwen in het Zuidpool-Aitken-bekken.

Naast het Artemis Base Camp is de ESA van plan om een ​​permanente basis te creëren die bekend staat als het International Moon Village. Als spirituele opvolger van het International Space Station (ISS), zou deze basis plaats bieden aan roterende bemanningen van astronauten, langdurige verblijven en wetenschappelijke operaties op de maan. Niet zo lang geleden kwamen vertegenwoordigers van de Chinese en Russische ruimteprogramma's samen om een ​​gedeelde visie voor een maanbasis aan te kondigen:het International Lunar Research Station (ILRS).

In afwachting van het komende tijdperk van maanverkenning, blijven NASA en andere ruimteagentschappen onderzoek doen naar technologieën die een kosteneffectieve constructie op de maan mogelijk maken. Dit omvat een ISRU-productieproces dat bekend staat als Regolith Adaptive Modification System (RAM's), ontwikkeld door onderzoekers van de Texas A&M University. Dit proces is gericht op het leveren van infrastructuur in een vroeg stadium die het transport van sinter- of polymerisatieapparatuur zou vergemakkelijken.

Er is ook een maanlander-concept in ontwikkeling door Masten Space Systems met steun van het Institute for Advanced Concepts (NIAC), Honeybee Robotics, Texas A&M en de University of Central Florida (UCF). Dit concept omvat een proces dat bekend staat als de in-flight Alumina Spray Technique (FAST), waarbij een lander aluminiumdeeltjes in zijn landingsstraalpijpen injecteert om zijn eigen landingsplatform te vormen, wat ook het probleem van maanstof dat wordt opgeworpen, verzacht.

In dit decennium en het volgende zal de mensheid terugkeren naar de maan, deze keer om te blijven. Niet alleen zullen meerdere ruimteagentschappen astronauten sturen, maar er zullen ook commerciële partners worden ingeschakeld om lading- en bemanningsvervoerdiensten te leveren. Maantoeristen en zelfs kolonisten kunnen uiteindelijk volgen, wat leidt tot een permanente menselijke aanwezigheid en de eerste generatie "Lunites" (of "Loonies").

Deze multinationale inspanning bevordert innovatie in meerdere sectoren en leidt tot toepassingen voor het leven hier op aarde. Als we ervoor willen zorgen dat mensen het ecologische probleem waarmee we op aarde worden geconfronteerd en in de ruimte leven, kunnen overwinnen, moeten we tenslotte inventief zijn.