Yeni çalışma, ay görevlerinin ay tozunu nasıl artıracağını ele alıyor

Bu on yılın sonundan önce NASA, Apollo Çağı’ndan bu yana ilk kez astronotları aya geri göndermeyi planlıyor. Ancak bu kez Artemis Programı aracılığıyla “ayak izleri ve bayraklar” meselesi olmayacak.

Diğer uzay ajansları ve ticari ortaklarla birlikte uzun vadeli amaç, “sürekli bir Ay araştırma ve geliştirme programı”na olanak sağlayacak altyapıyı oluşturmaktır. Her şey planlandığı gibi giderse, birden fazla uzay ajansı Güney Kutbu-Aitken Havzası çevresinde ay endüstrileri ve turizmin önünü açacak üsler kuracak.

İnsanların ayda yaşaması, çalışması ve çeşitli faaliyetler yürütmesi için tüm tehlikelerle baş edecek stratejilere ihtiyaç vardır; bunların en önemlisi ay regoliti (veya “ay tozu”). Apollo astronotlarının öğrendiği gibi, ay tozu sivri uçludur, her şeye yapışır ve astronot kıyafetlerinde, ekipmanlarında, araçlarında ve sağlığında ciddi aşınmalara neden olabilir.

İçinde yeni çalışma Texas A&M mühendislerinden oluşan bir ekip tarafından geliştirilen regolit, roket dumanları tarafından havaya kaldırıldığında çarpışma tehlikesi de yaratıyor. Yakın gelecekte aya mürettebat ve kargo taşıyacak çok sayıda uzay aracı ve iniş aracı göz önüne alındığında, bu, yakından ilgilenilmesi gereken bir tehlikedir.

Çalışma Shah Akib Sarwar ve Ph.D. Zohaib Hasnain tarafından yürütüldü. Texas A&M Üniversitesi J. Mike Walker ’66 Makine Mühendisliği Bölümü öğrencisi ve Yardımcı Doçent (sırasıyla). Sarwar ve Hasnain, çalışmaları için, parçacıkların nasıl çarpışacağını ve üst üste geleceğini incelemek için Newton’un hareket denklemlerinin ve bir temas kuvveti modelinin entegre edildiği “yumuşak küre” yöntemini kullanarak ay regoliti için parçacık-parçacık çarpışmalarını araştırdılar.

Bu onu, parçacıkları sıvılar ve katılar bağlamında modelleyen “sert küre” yönteminden ayırır.

Ay regoliti küçük parçacıklardan büyük kayalara kadar değişirken, “ay tozunun” ana bileşeni ortalama 70 mikron büyüklüğünde ince silikat mineralleridir. Bunlar milyarlarca yıl boyunca, havasız ayın havasız yüzeyine göktaşları ve asteroitlerin çarpmasıyla ve ay kabuğunun büyük bir kısmının ince bir toz haline gelmesiyle oluşmuştur.

Atmosferin olmaması aynı zamanda rüzgar ve sudan kaynaklanan erozyonun (burada Dünya’da yaygın) olmadığı anlamına da geliyordu. Son olarak, güneş rüzgarına sürekli maruz kalma, ay regolitinin elektrostatik olarak yüklenmesine neden oldu, bu da onun dokunduğu her şeye yapışması anlamına geliyor.

Apollo astronotları aya gitmeye cesaret ettiğinde, elbiselerine yapışan ve ay modüllerine kadar takip edilen regolit ile ilgili sorunlar yaşadıklarını bildirdiler. Araçlarına bindiklerinde her şeye yapışıyor ve sağlık açısından tehlike oluşturuyor, göz tahrişine ve solunum zorluklarına neden oluyordu.

Ancak ufuktaki Artemis misyonları ve bunun gerektireceği planlanan altyapı göz önüne alındığında, uzay aracının (kalkış ve iniş sırasında) regolitin büyük miktarlarda havaya uçmasına ve yüksek hızlara çıkmasına nasıl neden olacağı sorunu ortaya çıkıyor.

Sarwar’ın Universe Today ile e-posta yoluyla iletişim kurması, ay regolitinin aydaki düzenli insan faaliyetleri için büyük bir zorluk olmasının temel yollarından biridir:

“Ay’a geri itmeli yumuşak iniş sırasında, süpersonik/hipersonik roket egzoz dumanları büyük miktarda (108-1015 parçacık/m2) dışarı atabilir.³ Apollo misyonlarında görülen) üst toprak katmanından gevşek regolit.”

“Serginin oluşturduğu kuvvetler (sürükleme, kaldırma vb.) nedeniyle, fırlatılan cisim çok yüksek hızlarda hareket edebilir (saniyede 2 km’ye kadar). Sprey, uzay aracına ve yakındaki ekipmanlara zarar verebilir. Ayrıca görüş alanını da engelleyebilir. iniş alanına zarar verebilir, sensörleri bozabilir, mekanik elemanları tıkayabilir ve kirlenme yoluyla optik yüzeyleri veya güneş panellerini bozabilir.”

Apollo görevlerinden elde edilen veriler Sarwar ve Hasnain için bir mihenk taşı görevi gördü; bunlar arasında Apollo 12 Ay Modülü’nden (LM) çıkan egzoz gazının 160 metre (525 ft) uzakta bulunan Surveyor 3 uzay aracına nasıl zarar verdiği de yer alıyordu. Bu mürettebatsız araç, 1967’de Mare Cognitum bölgesini keşfetmek ve mürettebatlı görevler öncesinde ay toprağını karakterize etmek için gönderilmişti.

Surveyor 3 aynı zamanda Apollo 12’nin iniş hedefi olarak da kullanıldı ve Kasım 1969’da astronotlar Pete Conrad ve Alan Bean tarafından ziyaret edildi.

Surveyor 3’ün Apollo 12 LM’nin iniş alanının altındaki bir kraterde bulunması nedeniyle hasar hafifletildi. Diğer bir örnek ise 1971’de Hadley-Apennine bölgesine inen Apollo 15 misyonudur. LM’nin inişi sırasında astronotlar David R. Scott ve James B. Irwin iniş alanını göremediler çünkü egzoz dumanları kalın bir regolit bulutu yaratmıştı. üzerinde.

Bu, mürettebatı bölgenin doğusundaki uzun bir krater olan Béla’nın kenarında yeni bir iniş alanı seçmeye zorladı. LM bu noktada dengeli bir duruş sağlayamadı ve kendini stabilize edemeden 11 derece geriye doğru eğildi.

Bu görevlerin gerçekleşmesinden bu yana yapılan araştırmalar, regolit parçacıkları arasındaki çarpışmaların muhtemelen saçılmaya neden olduğu sonucuna varmıştır. Sarwar’ın da belirttiği gibi, bu örnekler, özellikle diğer uzay araçları ve tesislerin yakınlarda konumlandırıldığı durumlarda, bozulan regolitin nasıl bir tehlike haline gelebileceğini göstermektedir:

“Apollo dönemine ait yukarıdaki iki örnek, görev başarısını tehlikeye atacak kadar ciddi değildi. Ancak gelecekteki Artemis (ve CLPS) misyonları, toprağın ekvatoral bölgeye göre önemli ölçüde daha gözenekli/zayıf olduğu varsayılan ayın güney kutbunda gerçekleşecek. ve orta enlem Apollo iniş bölgeleri.”

“Ayrıca, Artemis iniş araçlarının Apollo’dan çok daha büyük yük taşıması bekleniyor ve bu nedenle yavaşlamak için daha fazla itiş kuvvetine ihtiyaç duyuyor. Sonuç olarak, roket egzoz dumanları nedeniyle derin kraterler meydana gelebilir (Apollo’da görülmez) ve regoliti çok daha yüksek açılarla patlatabilir. daha önce görülenlere göre (yerden ~1-3 derece yüksekte).”

Artemis Programının uzun vadeli hedeflerine uygun olarak NASA, “sürekli bir ay keşif ve geliştirme programı” sağlamak için güney kutup bölgesi çevresinde altyapı inşa etmeyi planlıyor. Buna, temel yüzey habitatı, yaşanabilir bir hareketlilik platformu, bir ay arazi aracı (LTV) ve yörüngedeki Ay Geçidi’nden oluşan Artemis Ana Kampı da dahildir.

Sarwar, “Bu nedenle insanları, yapıları veya yakındaki uzay aracını Ay regolit parçacıklarının tehlikelerinden korumak büyük önem taşıyor” dedi.

Benzer araştırmalar, iniş ve kalkıştan kaynaklanan regolit bulutlarının, Ay Geçidi’nin ve ay yörünge araçlarının güvenli çalışması için nasıl tehlike oluşturabileceğini gösterdi. Bu tehditler, gelecekteki misyonlar sırasında ay tozunun nasıl azaltılabileceği konusunda önemli araştırmalara yol açtı. Belirtildiği gibi Sarwar ve Hasnain, parçacık-parçacık çarpışmalarının oluşturduğu riskleri değerlendirmek için yumuşak küre yöntemini kullandı:

“Bu yöntemde, bitişik parçacıkların çok küçük bir miktarda birbirleriyle örtüşmesine izin verilir ve bu, gerçek bir parçacık-parçacık çarpışmasında beklenen deformasyonun dolaylı bir ölçüsü olarak alınır. Bu örtüşme değeri, ay regolitinin ilgili malzeme özellikleriyle birlikte, daha sonra her çarpışma olayındaki kuvvetleri hesaplamak için yay-amortisör-sürtünme kaydırıcı gösteriminde kullanılır. Bir çarpışmada yer alan esnekliksizlik, tamamen elastik olmayandan yüksek elastikliğe kadar değişir.”

“Sonuçlarımız, nispeten büyük regolit taneleri (~100 mikron) arasındaki son derece elastik çarpışmaların, bunların önemli bir kısmının büyük açılarla dışarı fırlamasına neden olduğunu (bazıları ~90 derecede dışarı uçabilir) ortaya koyuyor. Bununla birlikte, tanelerin geri kalanı, içeride yer alıyor. Apollo misyonları sırasında gözlemlenen görünür regolit tabakasıyla aynı hizada olan, yer boyunca küçük açılı bir bölgede (<3 derece).

Güvenlik önlemleri açısından Sarwar ve Hasnain, iniş bölgesinin etrafındaki setlerin veya çitlerin fırlatma spreylerini azaltmanın bir yolu olduğunu öne sürüyor. Bununla birlikte, araştırmalarının da gösterdiği gibi, regolit parçacıklarının belirli bir yüzdesi çarpışmalar nedeniyle geniş açılarla dağılabilir, bu da banketleri veya çitleri yetersiz hale getirebilir.

Sarwar, “Gelecekteki Artemis görevleri için daha iyi bir çözüm, bir iniş pisti inşa etmek olacaktır” dedi. “Bu bağlamda, hem akademiden (Dr. Hasnain dahil) hem de endüstriden personelden oluşan çok organizasyonlu bir ekip, Uçuş İçi Alümina Püskürtme Tekniği veya FAST iniş pistlerini geliştirmek için çalışıyor.”

FAST yöntemi, iniş manevraları sırasında fırlatılan alümina parçacıklarıyla donatılmış aya iniş araçlarını öngörüyor. Daha sonra ay yüzeyinde erimiş alüminyum oluşturmak için motor dumanlarıyla sıvılaştırılırlar, bu da sabit bir iniş yüzeyi oluşturmak için soğuyup katılaşır. NASA ayrıca, uzayla temas ettiğinde sertleşen erimiş seramikler oluşturmak için regolitin mikrodalgalarla patlatıldığı sinterleme teknolojisi kullanılarak iniş pistlerinin nasıl inşa edilebileceğini de araştırdı.

Diğer bir fikir ise Teksas merkezli inşaat şirketi ICON’un Lunar Lantern habitat konseptine dahil ettiği, dışarı atılan regolitleri içerecek patlama duvarlarına sahip iniş alanları inşa etmektir.

Ne yazık ki, ay regolitiyle ilgili deneysel araştırmalar çok zordur çünkü ay koşulları Dünya’dakilerden çok farklıdır. Buna düşük yerçekimi (Dünya’nın yaklaşık %16,5’i), vakum ortamı ve aşırı sıcaklık değişimleri dahildir. Bu nedenle araştırmacılar, genellikle bulut kuvvetlerine odaklanan ve parçacık çarpışmalarının rolünü büyük ölçüde göz ardı eden sayısal modellemeye büyük ölçüde güvenmeye zorlanıyorlar. Ancak Sanwar’ın da belirttiği gibi, araştırmaları değerli bilgiler sunuyor ve gelecekteki ay görevlerini planlarken sıklıkla gözden kaçan bu fenomeni dikkate almanın neden önemli olduğunu gösteriyor:

“[However,] Parçacık çarpışmaları üzerine yaptığımız araştırma, bunun regolit yörüngesinin doğru tahmini için dikkate alınması gereken çok önemli bir olgu olduğunu ve bu nedenle dahil edilmesi gerektiğini gösterdi. Bu alanda hala regolit parçacık restitüsyon katsayısı (bir çarpışmada enerji kaybını belirleyen) hakkında bilgi eksikliği, regolit boyut dağılımının etkileri, türbülanslı dumanların etkileri vb. gibi pek çok zorluk var.”

“Gelecekte bu belirsizliklerin bir kısmını açıklığa kavuşturmayı ve Artemis’in Ay’a daha güvenli inişleri için daha kapsamlı bir Ay PSI modeline katkıda bulunmayı umuyoruz.”

Bulgular şu adreste yayınlanıyor: Acta Astronautica.