BYGNING AF EN MåNEBASE: DEL 3 - STRUKTURELT DESIGN

Send

At opbygge den første månebase vil være den største udfordring, som menneskeheden nogensinde har gået i gang med. Vi kan allerede spekulere om farerne, naturlige og menneskeskabte, forbundet med en menneskelig tilstedeværelse på månens overflade. Som svar har vi allerede nogle habitatstrukturer i tankerne - lige fra oppustelige strukturer til underjordiske huler inde i gamle lavaåbninger. Nu er det på tide at vi seriøst begynder at designe vores første habitatstruktur, beskytte os mod mikrometeoritter, opretholde jordbundstryk og bruge lokalt udvindede materialer, hvor vi kan ...

I del 1 af denne serie "Bygge en månebase" ser vi på nogle af de mere indlysende farer forbundet med at bygge en base på en anden planet. I del 2 udforskede vi nogle af de aktuelle designkoncepter for det første bemande habitat på Månen. Konstruktionerne spænder fra oppustelige strukturer, levesteder, der kunne konstrueres i Jordens kredsløb og flydede til månens overflade til baser udhulet af gamle lavaslanger under overfladen. Alle koncepter har deres fordele, men den primære funktion skal være at opretholde lufttrykket og reducere risikoen for katastrofale skader, hvis det værste sker. Denne tredje del af serien omhandler det grundlæggende design af en mulig månebase, der optimerer plads, gør maksimal brug af lokalt udvindede materialer og giver beskyttelse mod den konstante trussel fra mikrometeoritter ...

“Bygning af en månebase” er baseret på forskning fra Haym Benaroya og Leonhard Bernold (“Teknik til månebaser“)

De vigtigste faktorer, der påvirker strukturelle design af naturtyper på Månen, er:

En sjette terrestrisk tyngdekraft.
Højt indre lufttryk (for at opretholde en åndbar atmosfære).
Strålingsafskærmning (fra solen og andre kosmiske stråler).
Mikrometeoritafskærmning.
Hård vakuumvirkning på byggematerialer (dvs. ud luftning).
Månestøvforurening.
Alvorlige temperaturgradienter.

Ud over at løse disse problemer skal månekonstruktionerne være lette at vedligeholde, billige, lette at konstruere og kompatible med andre månehabitater / moduler / køretøjer. For at opnå billig konstruktion skal der bruges så meget lokalt materiale som muligt. Råmaterialet til billig konstruktion kunne være de rigelige mængder regolit, der er let tilgængelige på månens overflade.

Som det viser sig, har månens regolit mange nyttige egenskaber til konstruktion på Månen. For at supplere månebeton (som introduceret tidligere i Del 2), basiske bygningskonstruktioner kan dannes ud fra støbt regolit. Støbt regolit ville være meget lig jordbaseret støbt basalt. Oprettet ved at smelte regolit i en form og lade den langsomt afkøle ville gøre det muligt at danne en krystallinsk struktur, hvilket resulterer i yderst kompressive og moderat trækbygningskomponenter. Det høje vakuum på Månen ville i høj grad forbedre fremstillingsprocessen for materialet. Vi har også erfaring her på Jorden i, hvordan man opretter støbt basalt, så dette er ikke en ny og ikke-testet metode. Grundlæggende habitatformer kunne fremstilles med ringe forberedelse af råvarerne. Elementer som bjælker, søjler, plader, skaller, buesegmenter, blokke og cylindre kunne fremstilles, idet hvert element har ti gange betonens tryk- og trækstyrke.

Der er mange fordele ved at bruge støbte regolit. Primært er det meget hårdt og modstandsdygtigt mod erosion ved månestøv. Det kan være det ideelle materiale til at bane lunar raket-opsætningssteder og konstruere affaldsskærme, der omgiver landingspuder. Det kan også gøre ideel afskærmning mod mikrometeoritter og stråling.

OK, nu har vi basale bygningsmaterialer fra lokalt materiale, der kræver minimum forberedelse. Det er ikke for svært at forestille sig, at processen med fabrikation af støbt regolith kunne automatiseres. Inden en menneskelig endda satte foden på Månen, kunne der skabes et grundlæggende, underlagt habitatskal, der venter på besættelse.

Men hvor stor skal habitatet være? Dette er et meget hårdt spørgsmål at besvare, men resultatet er, at hvis et månemiljø vil blive besat i lange perioder, skal det være behageligt. Der er faktisk NASA-retningslinjer, der siger, at for missioner på længere end fire måneder minimum volumen, som hver enkelt kræver, skal være mindst 20 m³ (fra NASA Man Systems Integration
Standarder, NASA STD3000, i tilfælde af at du spekulerer på). Sammenlign behovene for langvarig beboelse på Månen med de kortvarige Gemini-missioner i midten af 1960'erne (afbilledet). Det beboelige volumen pr. Besætningsmedlem i Gemini var en hyggelig 0,57 m³… Heldigvis var disse tidlige forays ud i rummet korte. På trods af NASA-reglerne er den anbefalede mængde pr. Besætningsmedlem 120 m³, omtrent det samme som beboelsesområdet på den internationale rumstation. Et lignende rum vil være nødvendigt inden for fremtidige naturtyper på Månen for besætningens trivsel og missionssucces.

Fra disse retningslinjer kan habitatdesignere arbejde på, hvordan man bedst skaber denne levende mængde. Det er klart, at gulvplads, habitathøjde og funktionalitet skal optimeres, plus plads til udstyr, livsstøtte og opbevaring skal indarbejdes. I et grundlæggende habitatdesign af F. Ruess, J. Schänzlin og H. Benaroya fra en publikation med titlen "Strukturelt design af et månemiljø”(Journal of Aerospace Engineering, 2006) betragtes en halvcirkelformet“ hangar ”-form (afbilledet).

Formen på en bærende bue er en tæt allieret for konstruktionsingeniører, og buer forventes at være en vigtig komponent i habitatdesign, da strukturelle spændinger kan fordeles jævnt. Naturligvis ville arkitektoniske beslutninger såsom stabiliteten af det underliggende materiale og skråningsvinklen være nødt til at træffes, mens man bygger habitatfundamenterne, men dette design forventes at tackle mange af de problemer, der er forbundet med månens konstruktion.

Den største stress på "hangar" -designet kommer fra internt tryk, der handler udad, og ikke fra tyngdekraften, der handler nedad. Da det indre af habitat skal holdes ved jordtryk, vil trykgradienten fra det indre til det ydre vakuum udøve en massiv belastning på konstruktionen. Det er her hangarbuen bliver væsentlig, der er ingen hjørner, og derfor kan ingen svage pletter ødelægge integriteten.

Der tages mange flere faktorer i betragtning, som involverer nogle komplekse stress- og belastningsberegninger, men ovenstående beskrivelse giver en smag på, hvad konstruktionsingeniører skal overveje. Ved at konstruere et stift habitat fra støbt regolit, kan byggestenene til en stabil konstruktion bygges. For at øge beskyttelsen mod solstråling og mikrometeoritter kunne disse buede levesteder bygges side om side ved indbyrdes forbindelse. Når en række kamre er blevet bygget, kunne løs regolit lægges ovenpå. Tykkelsen af den støbte regolit vil også blive optimeret, så densiteten af det fremstillede materiale kan give ekstra beskyttelse. Måske kan store plader af støbt regolith være lag på toppen.

Når de grundlæggende habitatmoduler er konstrueret, kan bygningens layout begynde. Månens "byplanlægning" vil være en anden kompleks opgave, og mange modulkonfigurationer skal overvejes. Fem hovedmodulkonfigurationer fremhæves: Lineær, gårdsplads, radial, forgrening og klynge.

Infrastrukturen til den fremtidige måneforebyggelse afhænger dog af mange faktorer og vil blive videreført i den næste rate.