AUFBAU EINER MONDBASIS: TEIL 3 - TRAGWERKSPLANUNG

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Der Bau der ersten Mondbasis wird die größte Herausforderung sein, die die Menschheit jemals in Angriff genommen hat. Wir können bereits über die natürlichen und vom Menschen verursachten Gefahren spekulieren, die mit einer menschlichen Präsenz auf der Mondoberfläche verbunden sind. Als Reaktion darauf haben wir bereits einige Lebensraumstrukturen im Sinn - von aufblasbaren Strukturen bis zu unterirdischen Höhlen in alten Lavaströmen. Jetzt ist es an der Zeit, ernsthaft mit der Gestaltung unserer ersten Lebensraumstruktur zu beginnen, uns vor Mikrometeoriten zu schützen, den terrestrischen Druck aufrechtzuerhalten und lokal abgebaute Materialien zu verwenden, wo wir…

In Teil 1 dieser Serie „Aufbau einer Mondbasis“ haben wir einige der offensichtlicheren Gefahren untersucht, die mit dem Bau einer Basis auf einem anderen Planeten verbunden sind. In Teil 2 haben wir einige der aktuellen Designkonzepte für den ersten bemannten Lebensraum auf dem Mond untersucht. Die Entwürfe reichten von aufblasbaren Strukturen, Lebensräumen, die in der Erdumlaufbahn errichtet und zur Mondoberfläche geschwommen werden konnten, bis zu Basen, die aus alten Lavaröhren unter der Oberfläche ausgehöhlt waren. Alle Konzepte haben ihre Vorteile, aber die Hauptfunktion muss darin bestehen, den Luftdruck aufrechtzuerhalten und das Risiko katastrophaler Schäden im schlimmsten Fall zu verringern. Diese dritte Folge der Serie befasst sich mit dem grundlegenden Design einer möglichen Mondbasis, die den Raum optimiert, lokal abgebaute Materialien maximal nutzt und Schutz vor der ständigen Bedrohung durch Mikrometeoriten bietet.

"Building a Moon Base" basiert auf Forschungen von Haym Benaroya und Leonhard Bernold ("Engineering von Mondbasen“)

Die Schlüsselfaktoren, die die strukturelle Gestaltung von Lebensräumen auf dem Mond beeinflussen, sind:

Ein Sechstel der Erdgravitation.
Hoher innerer Luftdruck (um die vom Menschen atmungsaktive Atmosphäre aufrechtzuerhalten).
Strahlenschutz (vor der Sonne und anderen kosmischen Strahlen).
Mikrometeoritenabschirmung.
Harte Vakuumeffekte auf Baumaterialien (d. H. Ausgasung).
Mondstaubverschmutzung.
Starke Temperaturgradienten.

Zusätzlich zur Lösung dieser Probleme müssen die Mondstrukturen leicht zu warten, kostengünstig, leicht zu konstruieren und mit anderen Mondlebensräumen / -modulen / -fahrzeugen kompatibel sein. Um eine kostengünstige Konstruktion zu erreichen, muss so viel lokales Material wie möglich verwendet werden. Der Rohstoff für eine kostengünstige Konstruktion könnten die reichlichen Mengen an Regolith sein, die auf der Mondoberfläche leicht zugänglich sind.

Wie sich herausstellt, hat der Mondregolith viele nützliche Eigenschaften für die Konstruktion auf dem Mond. Zur Ergänzung von Mondbeton (wie bereits in Teil 2) können grundlegende Gebäudestrukturen aus gegossenem Regolith gebildet werden. Der gegossene Regolith wäre dem terrestrischen gegossenen Basalt sehr ähnlich. Durch Schmelzen des Regolithen in einer Form und langsames Abkühlen des Regolithen würde sich eine kristalline Struktur bilden, was zu stark komprimierenden und mäßig zugfesten Bauteilen führen würde. Das Hochvakuum auf dem Mond würde den Herstellungsprozess des Materials erheblich verbessern. Wir haben hier auf der Erde auch Erfahrung mit der Herstellung von gegossenem Basalt. Dies ist also keine neue und ungetestete Methode. Grundlegende Lebensraumformen könnten mit wenig Vorbereitung der Rohstoffe hergestellt werden. Es könnten Elemente wie Träger, Säulen, Platten, Schalen, Bogensegmente, Blöcke und Zylinder hergestellt werden, wobei jedes Element die zehnfache Druck- und Zugfestigkeit von Beton aufweist.

Die Verwendung von gegossenem Regolith bietet viele Vorteile. In erster Linie ist es sehr zäh und widerstandsfähig gegen Erosion durch Mondstaub. Es könnte das ideale Material sein, um Startplätze für Mondraketen zu ebnen und Trümmerschilde um Landeplätze herum zu bauen. Es könnte auch eine ideale Abschirmung gegen Mikrometeoriten und Strahlung darstellen.

OK, jetzt haben wir grundlegende Baumaterialien aus lokalem Material, die nur eine minimale Vorbereitung erfordern. Es ist nicht schwer vorstellbar, dass der Herstellungsprozess des gegossenen Regolithen automatisiert werden könnte. Bevor ein Mensch überhaupt den Mond betritt, könnte eine grundlegende, unter Druck stehende Lebensraumhülle geschaffen werden, die auf die Besetzung wartet.

Aber wie groß sollte der Lebensraum sein? Diese Frage ist sehr schwer zu beantworten, aber das Ergebnis ist, dass ein Mondlebensraum, der für längere Zeit besetzt sein wird, bequem sein muss. In der Tat gibt es NASA-Richtlinien, die besagen, dass für Missionen von mehr als vier Monaten die Minimum Das von jedem Einzelnen benötigte Volumen sollte mindestens 20 m betragen³ (von der NASA Man Systems Integration
Standards, NASA STD3000, falls Sie sich fragen). Vergleichen Sie die Bedürfnisse einer langfristigen Besiedlung des Mondes mit den kurzfristigen Zwillingsmissionen Mitte der 1960er Jahre (abgebildet). Das bewohnbare Volumen pro Besatzungsmitglied in Gemini betrug gemütliche 0,57 m³… Zum Glück waren diese frühen Streifzüge in den Weltraum kurz. Trotz der NASA-Bestimmungen beträgt das empfohlene Volumen pro Besatzungsmitglied 120 m³, ungefähr das gleiche wie der Wohnraum auf der Internationalen Raumstation. Ein ähnlicher Raum wird in zukünftigen Lebensräumen auf dem Mond für das Wohlbefinden der Besatzung und den Missionserfolg benötigt.

Anhand dieser Richtlinien können Habitat-Designer daran arbeiten, wie dieses Lebensvolumen am besten geschaffen werden kann. Offensichtlich müssen Bodenfläche, Lebensraumhöhe und Funktionalität optimiert werden, und Platz für Ausrüstung, Lebenserhaltung und Lagerung muss berücksichtigt werden. In einem grundlegenden Habitatdesign von F. Ruess, J. Schünzlin und H. Benaroya aus einer Publikation mit dem Titel „Strukturelles Design eines Mondlebensraums"(Journal of Aerospace Engineering, 2006) wird eine halbkreisförmige" Hangar "-Form betrachtet (abgebildet).

Die Form eines tragenden Bogens ist ein enger Verbündeter für Bauingenieure, und es wird erwartet, dass Bögen eine wichtige Komponente für die Gestaltung von Lebensräumen darstellen, da strukturelle Spannungen gleichmäßig verteilt werden können. Natürlich müssten architektonische Entscheidungen wie die Stabilität des zugrunde liegenden Materials und der Neigungswinkel beim Bau der Lebensraumfundamente getroffen werden, aber dieses Design wird voraussichtlich viele der mit dem Mondbau verbundenen Probleme angehen.

Die größte Belastung für das Hangar-Design wird durch den nach außen wirkenden Innendruck und nicht durch die nach unten wirkende Schwerkraft verursacht. Da das Innere des Lebensraums unter terrestrischem Druck gehalten werden muss, würde der Druckgradient vom Inneren zum Vakuum des Äußeren die Konstruktion massiv belasten. Hier wird der Bogen des Hangars wesentlich, es gibt keine Ecken und daher können keine Schwachstellen die Integrität beeinträchtigen.

Es werden viele weitere Faktoren berücksichtigt, die einige komplexe Spannungs- und Dehnungsberechnungen beinhalten. Die obige Beschreibung gibt jedoch einen Vorgeschmack darauf, was Bauingenieure berücksichtigen müssen. Durch den Bau eines starren Lebensraums aus gegossenem Regolith können die Bausteine für eine stabile Konstruktion gebaut werden. Für zusätzlichen Schutz vor Sonneneinstrahlung und Mikrometeoriten könnten diese gewölbten Lebensräume nebeneinander gebaut und miteinander verbunden werden. Sobald eine Reihe von Kammern gebaut worden ist, kann ein loser Regolith darauf gelegt werden. Die Dicke des gegossenen Regolithen wird ebenfalls optimiert, so dass die Dichte des hergestellten Materials zusätzlichen Schutz bieten kann. Vielleicht könnten große Platten aus gegossenem Regolith darauf geschichtet werden.

Sobald die grundlegenden Lebensraummodule erstellt sind, kann mit dem Aufbau der Siedlung begonnen werden. Die „Stadtplanung“ des Mondes wird eine weitere komplexe Aufgabe sein, und viele Modulkonfigurationen müssen berücksichtigt werden. Es werden fünf Hauptmodulkonfigurationen hervorgehoben: Linear, Courtyard, Radial, Branching und Cluster.

Die Infrastruktur der zukünftigen Mondbesiedlung hängt jedoch von vielen Faktoren ab und wird in der nächsten Rate fortgesetzt.