Voor het einde van dit decennium is NASA van plan om voor het eerst sinds het Apollo-tijdperk astronauten terug te sturen naar de maan. Maar deze keer zal het, via het Artemis-programma, geen kwestie van ‘voetafdrukken en vlaggen’ zijn.

Samen met andere ruimteagentschappen en commerciële partners is het doel op lange termijn het creëren van de infrastructuur die een “duurzaam programma van maanverkenning en -ontwikkeling” mogelijk zal maken. Als alles volgens plan verloopt, zullen meerdere ruimtevaartorganisaties bases hebben gevestigd rond het Zuidpool-Aitken Basin, wat de weg zal vrijmaken voor maanindustrieën en toerisme.

Om mensen op de maan te laten leven, werken en verschillende activiteiten uit te voeren, zijn strategieën nodig om met alle gevaren om te gaan - niet in de laatste plaats de maanregoliet (of 'maanstof'). Zoals de Apollo-astronauten hebben geleerd, is maanstof grillig, blijft aan alles plakken en kan aanzienlijke slijtage veroorzaken aan astronautenpakken, uitrusting, voertuigen en gezondheid.

Uit een nieuwe studie van een team van Texas A&M-ingenieurs blijkt dat regolith ook een botsingsgevaar met zich meebrengt wanneer het omhoog wordt geschopt door raketpluimen. Gezien de vele ruimtevaartuigen en landers die in de nabije toekomst bemanningen en vracht naar de maan zullen brengen, is dit een gevaar dat nauwlettend in de gaten moet worden gehouden.

De studie werd uitgevoerd door Shah Akib Sarwar en Zohaib Hasnain, een Ph.D. Student en assistent-professor (respectievelijk) bij de J. Mike Walker '66 Department of Mechanical Engineering aan de Texas A&M University. Voor hun onderzoek onderzochten Sarwar en Hasnain deeltjes-deeltjesbotsingen voor maanregoliet met behulp van de 'zachte bol'-methode, waarbij Newton's bewegingsvergelijkingen en een contactkrachtmodel worden geïntegreerd om te bestuderen hoe deeltjes zullen botsen en elkaar zullen overlappen.

Dit onderscheidt het van de 'harde bol'-methode, die deeltjes modelleert in de context van vloeistoffen en vaste stoffen.

Terwijl maanregoliet varieert van kleine deeltjes tot grote rotsen, bestaat het hoofdbestanddeel van "maanstof" uit fijne silicaatmineralen met een gemiddelde grootte van 70 micron. Deze zijn in de loop van miljarden jaren ontstaan ​​toen het luchtloze oppervlak van de maan werd getroffen door meteoren en asteroïden die een groot deel van de maankorst tot een fijn poeder verpulverden.

De afwezigheid van een atmosfeer betekende ook dat erosie door wind en water (gewoon hier op aarde) afwezig was. Ten slotte heeft de constante blootstelling aan zonnewind ervoor gezorgd dat maanregoliet elektrostatisch geladen is, wat betekent dat het zich hecht aan alles wat het aanraakt.

Toen de Apollo-astronauten zich naar de maan waagden, meldden ze dat ze problemen hadden met regoliet dat aan hun pakken zou blijven plakken en weer in hun maanmodules zou worden gevolgd. Eenmaal in hun voertuigen bleef het aan alles plakken en werd het een gevaar voor de gezondheid, met oogirritatie en ademhalingsmoeilijkheden tot gevolg.

Maar met de Artemis-missies in het verschiet en de geplande infrastructuur die deze met zich mee zal brengen, rijst de vraag hoe ruimtevaartuigen (tijdens het opstijgen en landen) ervoor zullen zorgen dat regolieten in grote hoeveelheden worden opgeschud en tot hoge snelheden worden versneld.

Zoals Sarwar via e-mail aan Universe Today vertelde, is dit een van de belangrijkste manieren waarop maanregoliet een grote uitdaging zal zijn voor reguliere menselijke activiteiten op de maan:

"Tijdens een retro-voortstuwende zachte landing op de maan kunnen supersonische/hysonische raketuitlaatpluimen een grote hoeveelheid uitstoten (108–1015 deeltjes/m ³ gezien bij Apollo-missies) van losse regoliet uit de bovenste bodemlaag."

"Vanwege de door de pluim gegenereerde krachten – slepen, optillen, enz. – kan de ejecta zich met zeer hoge snelheden verplaatsen (tot 2 km/s). De spray kan het ruimtevaartuig en de nabijgelegen apparatuur beschadigen. Het kan ook het zicht op de ruimte belemmeren. landingsgebied, sensoren verstoren, mechanische elementen verstoppen en optische oppervlakken of zonnepanelen aantasten door vervuiling."

Gegevens verkregen uit de Apollo-missies dienden als toetssteen voor Sarwar en Hasnain, waaronder hoe de uitwerping van de uitlaatpluim van de Apollo 12 Lunar Module (LM) het Surveyor 3-ruimtevaartuig beschadigde, dat zich op 160 meter afstand bevond. Dit onbemande voertuig was in 1967 gestuurd om de regio Mare Cognitum te verkennen en de maanbodem te karakteriseren voorafgaand aan bemande missies.

Surveyor 3 werd ook gebruikt als landingsdoel voor Apollo 12 en werd in november 1969 bezocht door astronauten Pete Conrad en Alan Bean.

De schade werd beperkt doordat Surveyor 3 in een krater onder de landingsplaats van de Apollo 12 LM zat. Een ander voorbeeld is de Apollo 15-missie die in 1971 in de regio Hadley-Apennijnen landde. Tijdens de afdaling van de LM konden astronauten David R. Scott en James B. Irwin de landingsplaats niet zien omdat hun uitlaatpluim een ​​dikke wolk van regoliet had gecreëerd. erboven.

Dit dwong de bemanning een nieuwe landingsplaats te kiezen aan de rand van Béla, een langgerekte krater ten oosten van de regio. De LM kon op deze locatie geen evenwichtig evenwicht bereiken en kantelde 11 graden naar achteren voordat hij zichzelf stabiliseerde.

Onderzoek dat is uitgevoerd sinds deze missies plaatsvonden, leidde tot de conclusie dat botsingen tussen regolietdeeltjes waarschijnlijk de verstrooiing veroorzaakten. Zoals Sarwar aangaf illustreren deze voorbeelden hoe verstoorde regoliet een gevaar kan worden, vooral wanneer andere ruimtevaartuigen en faciliteiten in de buurt zijn gepositioneerd:

"De bovenstaande twee voorbeelden uit het Apollo-tijdperk waren niet ernstig genoeg om het succes van de missie in gevaar te brengen. Maar toekomstige Artemis- (en CLPS-) missies zullen plaatsvinden op de zuidpool van de maan, waar wordt aangenomen dat de grond aanzienlijk poreuzer/zwakker is dan de equatoriale pool. en Apollo-landingsgebieden op de middelste breedtegraad."

"Ook wordt van Artemis-landers verwacht dat ze veel grotere ladingen leveren dan Apollo en daarom meer stuwkracht nodig hebben om te vertragen. Als gevolg daarvan kunnen diepe kraters optreden (niet gezien in Apollo) als gevolg van raketuitlaatpluimen en de regoliet onder veel grotere hoeken blazen. dan eerder gezien (~1-3 graden boven de grond)."

In overeenstemming met de langetermijndoelstellingen van het Artemis-programma is NASA van plan infrastructuur rond het zuidelijke poolgebied aan te leggen om een ​​"duurzaam programma van maanverkenning en -ontwikkeling" mogelijk te maken. Dit omvat het Artemis Base Camp, bestaande uit een funderingshabitat, een bewoonbaar mobiliteitsplatform, een maanterreinvoertuig (LTV) en de Lunar Gateway in een baan om de aarde.

"Als zodanig is het beschermen van mensen, constructies of nabijgelegen ruimtevaartuigen tegen de gevaren van maanregolietdeeltjes van het grootste belang", aldus Sarwar.

Soortgelijk onderzoek heeft aangetoond hoe wolken regoliet veroorzaakt door landen en opstijgen ook een gevaar kunnen vormen voor de veilige werking van de Lunar Gateway en maan-orbiters. Deze bedreigingen hebben geleid tot aanzienlijk onderzoek naar de manier waarop maanstof tijdens toekomstige missies kan worden beperkt. Zoals opgemerkt, gebruikten Sarwar en Hasnain de zachte-bolmethode om de risico's van botsingen tussen deeltjes te evalueren:

"Bij deze methode mogen aangrenzende deeltjes elkaar een klein beetje overlappen, wat wordt genomen als een indirecte maatstaf voor de verwachte vervorming bij een botsing tussen deeltjes en deeltjes. Deze overlapwaarde, samen met relevante materiaaleigenschappen van maanregoliet, wordt vervolgens gebruikt in een schuifregelaar met veer-dashpot-wrijving om de krachten bij elke botsing te berekenen. De inelasticiteit die bij een botsing betrokken is, varieert van volledig inelastisch tot zeer elastisch."

"Onze resultaten laten zien dat zeer elastische botsingen tussen relatief grote regolietkorrels (~100 micron) ervoor zorgen dat een aanzienlijk deel ervan onder grote hoeken wordt uitgeworpen (sommige kunnen op ~90 graden naar buiten vliegen). De rest van de korrels zit echter ingesloten in een gebied met een kleine hoek (<3 graden) langs de grond, wat in lijn ligt met de zichtbare regolietplaat waargenomen tijdens de Apollo-missies."

In termen van veiligheid suggereren Sarwar en Hasnain dat bermen of hekken rond een landingszone een manier zijn om ejecta-sprays te verminderen. Uit hun onderzoek blijkt echter dat een bepaald percentage regolietdeeltjes onder grote hoeken kan worden verspreid als gevolg van botsingen, waardoor beren of hekwerken onvoldoende zijn.

"Een betere oplossing voor toekomstige Artemis-missies zou het bouwen van een landingsplatform zijn", zei Sarwar. "In dit opzicht werkt een team van meerdere organisaties met personeel uit zowel de academische wereld (waaronder Dr. Hasnain) als de industrie aan de ontwikkeling van de in-Flight Alumina Spray Technique, oftewel FAST-landingsplatforms."

De FAST-methode voorziet in maanlanders die zijn uitgerust met aluminiumoxidedeeltjes die worden uitgeworpen tijdens landingsmanoeuvres. Ze worden vervolgens vloeibaar gemaakt door motorpluimen om gesmolten aluminium op het maanoppervlak te creëren, dat afkoelt en stolt om een ​​stabiel landingsoppervlak te creëren. NASA heeft ook onderzocht hoe landingsplatforms kunnen worden gebouwd met behulp van sintertechnologie, waarbij regoliet met microgolven wordt bestraald om gesmolten keramiek te creëren dat uithardt bij contact met de ruimte.

Een ander idee is om landingsplatforms te bouwen met explosiemuren om de uitgestoten regolieten tegen te houden, wat het in Texas gevestigde bouwbedrijf ICON heeft opgenomen in hun Lunar Lantern-habitatconcept.

Helaas is experimenteel onderzoek naar maanregoliet erg moeilijk omdat de omstandigheden op de maan heel anders zijn dan die op aarde. Dit omvat de lagere zwaartekracht (ongeveer 16,5% van die van de aarde), de vacuümomgeving en de extreme temperatuurschommelingen. Daarom zijn onderzoekers gedwongen sterk te vertrouwen op numerieke modellering, die zich doorgaans richt op pluimkrachten en grotendeels de rol van deeltjesbotsingen negeert. Maar zoals Sanwar opmerkte, biedt hun onderzoek waardevol inzicht en illustreert het waarom het belangrijk is om dit vaak over het hoofd gezien fenomeen in overweging te nemen bij het plannen van toekomstige maanmissies:

"[Echter] ons onderzoek naar deeltjesbotsingen heeft aangetoond dat dit een zeer belangrijk fenomeen is waarmee rekening moet worden gehouden voor nauwkeurige voorspelling van regoliettrajecten en daarom moet worden opgenomen. Er zijn nog steeds veel uitdagingen op dit gebied, zoals een gebrek aan van kennis over de restitutiecoëfficiënt van regolietdeeltjes (die het energieverlies bij een botsing bepaalt), effecten van de verdeling van de regolietgrootte, implicaties van turbulente pluimen, enz."

"We hopen in de toekomst enkele van deze onzekerheden op te helderen en bij te dragen aan een uitgebreider maan-PSI-model voor veiligere Artemis-maanlandingen."

De bevindingen zijn gepubliceerd in Acta Astronautica .

Meer informatie: Shah Akib Sarwar et al., Onderzoek naar botsingseffecten op maanbodemdeeltjes die worden uitgeworpen onder raketpluimen, Acta Astronautica (2024). DOI:10.1016/j.actaastro.2024.02.014

Aangeboden door Universe Today