BUDOWANIE PODSTAWY KSIĘŻYCA: CZĘŚĆ 3 - PROJEKTOWANIE KONSTRUKCYJNE

Send

Budowa pierwszej bazy Księżycowej będzie największym wyzwaniem, jakie ludzkość kiedykolwiek podjęła. Możemy już spekulować na temat zagrożeń, naturalnych i spowodowanych przez człowieka, związanych z ludzką obecnością na powierzchni Księżyca. W odpowiedzi mamy na myśli pewne struktury siedlisk - od nadmuchiwanych konstrukcji po podziemne nory w starożytnych otworach lawy. Teraz nadszedł czas, aby poważnie rozpocząć projektowanie naszej pierwszej struktury siedliska, chroniąc nas przed mikrometeorytami, utrzymując presję na lądzie i używając lokalnie wydobywanych materiałów, w których możemy…

W części 1 tej serii „Budowanie bazy księżycowej” przyjrzeliśmy się bardziej oczywistym zagrożeniom związanym z budowaniem bazy na innej planecie. W części 2 zbadaliśmy niektóre z obecnych koncepcji projektowych pierwszego załogowego siedliska na Księżycu. Projekty obejmowały zarówno nadmuchiwane konstrukcje, siedliska, które można było budować na orbicie Ziemi i unosić się na powierzchni Księżyca, jak i podstawy wydrążone pod starożytnymi rurami lawy. Wszystkie koncepcje mają swoje zalety, ale podstawową funkcją musi być utrzymanie ciśnienia powietrza i zmniejszenie ryzyka katastroficznych uszkodzeń w przypadku najgorszego. Ta trzecia część serii dotyczy podstawowego projektu możliwej podstawy księżycowej, która optymalizuje przestrzeń, maksymalnie wykorzystuje lokalnie wydobywane materiały i zapewnia ochronę przed stałym zagrożeniem mikrometeorytami…

„Budowanie bazy księżycowej” oparte jest na badaniach Haym Benaroya i Leonharda Bernolda („Inżynieria baz księżycowych“)

Kluczowymi czynnikami wpływającymi na konstrukcje siedlisk na Księżycu są:

Jedna szósta ziemska grawitacja.
Wysokie ciśnienie wewnętrzne powietrza (w celu utrzymania atmosfery oddychającej przez człowieka).
Osłona przed promieniowaniem (przed słońcem i innymi promieniami kosmicznymi).
Ekranowanie mikrometeorytowe.
Wpływ silnej próżni na materiały budowlane (tj. Poza gazowaniem).
Zanieczyszczenie pyłem księżycowym.
Ciężkie gradienty temperatury.

Oprócz rozwiązania tych problemów, struktury księżycowe muszą być łatwe w utrzymaniu, niedrogie, łatwe w budowie i kompatybilne z innymi siedliskami / modułami / pojazdami księżycowymi. Aby uzyskać niedrogą konstrukcję, należy jak najwięcej użyć lokalnego materiału. Surowcem do niedrogiego budownictwa może być duża ilość regolitu łatwo dostępnego na powierzchni Księżyca.

Jak się okazuje, księżycowy regolit ma wiele przydatnych właściwości do budowy na Księżycu. Aby uzupełnić księżycowy beton (jak wprowadzono wcześniej w Część 2), podstawowe konstrukcje budowlane mogą być tworzone z odlewanego regolitu. Lany regolit byłby bardzo podobny do lanego bazaltu naziemnego. Utworzony przez stopienie regolitu w formie i pozostawienie go do powolnego schłodzenia pozwoliłoby na utworzenie krystalicznej struktury, co skutkowałoby silnie ściskającymi i umiarkowanie rozciągającymi się elementami budowlanymi. Wysoka próżnia na Księżycu znacznie poprawiłaby proces produkcji materiału. Mamy również doświadczenie na Ziemi w zakresie tworzenia odlewanego bazaltu, więc nie jest to nowa i niesprawdzona metoda. Podstawowe kształty siedlisk można wytwarzać przy niewielkim przygotowaniu surowców. Można wytwarzać takie elementy, jak belki, kolumny, płyty, skorupy, segmenty łukowe, bloki i cylindry, przy czym każdy element ma dziesięć razy większą wytrzymałość betonu na ściskanie i rozciąganie.

Istnieje wiele zalet korzystania z lanego regolitu. Przede wszystkim jest bardzo twardy i odporny na erozję pyłu księżycowego. Może to być idealny materiał do brukowania miejsc startu rakiet księżycowych i budowy osłon gruzu otaczających lądowiska. Może także stanowić idealną ochronę przed mikrometeorytami i promieniowaniem.

OK, teraz mamy podstawowe materiały budowlane z lokalnego materiału, wymagające minimalnego przygotowania. Nietrudno wyobrazić sobie, że proces wytwarzania odlewanego regolitu mógłby zostać zautomatyzowany. Przed tym, jak człowiek postawił stopę na Księżycu, można było stworzyć podstawową powłokę siedliskową pod ciśnieniem, czekającą na zajęcie.

Ale jak duże powinno być siedlisko? Odpowiedź na to pytanie jest bardzo trudna, ale wynik jest taki, że jeśli jakieś siedlisko księżycowe będzie zajmowane przez długi czas, będzie musiało być wygodne. W rzeczywistości istnieją wytyczne NASA stwierdzające, że w przypadku misji trwających dłużej niż cztery miesiące, minimum objętość wymagana przez każdą osobę powinna wynosić co najmniej 20 m³ (z NASA Man Systems Integration
Standardy, NASA STD3000, na wypadek gdybyś się zastanawiał). Porównaj potrzeby długoterminowego zamieszkania na Księżycu z krótkoterminowymi misjami Gemini w połowie lat sześćdziesiątych (na zdjęciu). Objętość mieszkalna przypadająca na jednego członka załogi w Gemini wynosiła przytulnie 0,57 m³… Na szczęście te wczesne wyprawy w kosmos były krótkie. Pomimo przepisów NASA zalecana objętość na jednego członka załogi wynosi 120 m³, mniej więcej tyle samo co przestrzeń życiowa na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Podobna przestrzeń będzie wymagana w przyszłych siedliskach na Księżycu dla dobrego samopoczucia załogi i powodzenia misji.

Na podstawie tych wytycznych projektanci siedlisk mogą pracować nad tym, jak najlepiej stworzyć ten żywy obszar. Oczywiście należy zoptymalizować powierzchnię podłogi, wysokość siedliska i funkcjonalność, a ponadto trzeba uwzględnić przestrzeń na sprzęt, utrzymanie życia i przechowywanie. W podstawowym projekcie siedliska autorstwa F. Ruessa, J. Schönzlina i H. Benaroyi z publikacji zatytułowanej „Projekt strukturalny siedliska księżycowego”(Journal of Aerospace Engineering, 2006), rozważany jest półkolisty kształt„ hangaru ”(na zdjęciu).

Kształt łuku nośnego jest bliskim sprzymierzeńcem inżynierów budowlanych, a łuki powinny być głównym elementem projektowania siedlisk, ponieważ naprężenia strukturalne mogą być równomiernie rozłożone. Oczywiście decyzje architektoniczne, takie jak stabilność leżącego poniżej materiału i kąt nachylenia, musiałyby być podejmowane podczas budowy fundamentów siedlisk, ale oczekuje się, że ten projekt rozwiąże wiele problemów związanych z budową Księżyca.

Największy nacisk na konstrukcję „hangaru” będzie pochodził z wewnętrznego nacisku działającego na zewnątrz, a nie z siły grawitacji działającej w dół. Ponieważ wnętrze siedliska będzie musiało być utrzymywane pod ciśnieniem ziemskim, gradient ciśnienia od wnętrza do próżni zewnętrznej wywierałby ogromne obciążenie na konstrukcję. W tym miejscu łuk hangaru staje się niezbędny, nie ma narożników, a zatem żadne słabe punkty nie mogą pogorszyć integralności.

Rozważanych jest o wiele więcej czynników, obejmujących złożone obliczenia naprężeń i odkształceń, ale powyższy opis daje wyobrażenie o tym, co inżynierowie budowlani muszą wziąć pod uwagę. Konstruując sztywne siedlisko z odlewanego regolitu, można budować bloki konstrukcyjne dla stabilnej konstrukcji. Aby zapewnić dodatkową ochronę przed promieniowaniem słonecznym i mikrometeorytami, te łukowate siedliska można budować obok siebie, łącząc je ze sobą. Po zbudowaniu szeregu komór można na nim położyć luźny regolit. Grubość odlewanego regolitu zostanie również zoptymalizowana, aby gęstość wytworzonego materiału mogła zapewnić dodatkową ochronę. Być może duże płyty z odlewanego regolitu można by ułożyć na wierzchu.

Po zbudowaniu podstawowych modułów siedlisk można rozpocząć układ osady. „Planowanie miasta” na Księżycu będzie kolejnym złożonym zadaniem i należy wziąć pod uwagę wiele konfiguracji modułów. Wyróżniono pięć głównych konfiguracji modułów: Liniowy, Dziedziniec, Promieniowy, Rozgałęzienie i Klaster.

Infrastruktura przyszłej osady księżycowej zależy jednak od wielu czynników i będzie kontynuowana w następnej odsłonie.