Å BYGGE EN MåNEBASE: DEL 3 - STRUKTURELL DESIGN

Send

Å bygge den første månebasen vil være den største utfordringen menneskeheten noensinne har tatt fatt på. Vi kan allerede spekulere om farene, naturlige og menneskeskapte, forbundet med en menneskelig tilstedeværelse på månens overflate. Som svar har vi allerede noen habitatstrukturer i tankene - alt fra oppblåsbare strukturer til underjordiske hulker inne i eldgamle lavaåpninger. Nå er det på tide at vi seriøst begynner å designe vår første habitatstruktur, beskytte oss mot mikrometeoritter, opprettholde landtrykk og bruke lokalt utvinnede materialer der vi kan ...

I del 1 av denne “Building a Moon Base” -serien så vi på noen av de mer åpenbare farene forbundet med å bygge en base på en annen planet. I del 2 utforsket vi noen av de nåværende designkonseptene for den første bemannede naturtypen på Månen. Designene varierte fra oppblåsbare strukturer, naturtyper som kunne konstrueres i jordens bane og fløt til månens overflate, til baser hult ut av eldgamle lavaslanger under overflaten. Alle konsepter har fordelene, men den primære funksjonen må være å opprettholde lufttrykket og redusere risikoen for katastrofale skader dersom det verste skulle skje. Denne tredje delen av serien tar for seg den grunnleggende utformingen av en mulig månebase som optimaliserer plass, gjør maksimal bruk av lokalt utvunnet materialer og gir beskyttelse mot den konstante trusselen fra mikrometeoritter ...

“Building a Moon Base” er basert på forskning fra Haym Benaroya og Leonhard Bernold (“Prosjektering av månebaser“)

De viktigste faktorene som påvirker strukturelle utforminger av naturtyper på månen er:

En sjette terrestrisk tyngdekraft.
Høyt indre lufttrykk (for å opprettholde menneskers pustende atmosfære).
Strålingsskjerming (fra solen og andre kosmiske stråler).
Mikrometeorittskjerming.
Harde vakuumeffekter på bygningsmaterialer (dvs. ut gassing).
Støvforurensning av månen.
Alvorlige temperaturgradienter.

I tillegg til å ta opp disse problemene, må månekonstruksjonene være enkle å vedlikeholde, rimelige, enkle å konstruere og kompatible med andre månemiljøer / moduler / kjøretøy. For å oppnå billig konstruksjon, må så mye lokalt materiale brukes som mulig. Råvaren for billig konstruksjon kan være de store mengder regolit lett tilgjengelig på månens overflate.

Som det viser seg, har måneformet mange nyttige egenskaper for konstruksjon på Månen. For å utfylle månebetong (som introdusert tidligere i Del 2), kan grunnleggende bygningskonstruksjoner dannes fra støpt regolit. Støpt regolit vil være veldig lik landbasert støpt basalt. Laget ved å smelte regolit i en form og la den avkjøle sakte ville tillate en krystallinsk struktur å dannes, noe som resulterer i svært kompressive og moderat strekkbyggekomponenter. Det høye vakuumet på månen vil forbedre produksjonsprosessen for materialet. Vi har også erfaring her på jorden med å lage cast basalt, så dette er ikke en ny og uprøvd metode. Grunnleggende habitatformer kan produseres med lite tilberedning av råvarene. Elementer som bjelker, søyler, plater, skjell, buesegmenter, blokker og sylindere kan fremstilles, der hvert element har ti ganger betongens trykk- og strekkfasthet.

Det er mange fordeler med å bruke støpt regolit. Primært er den veldig tøff og motstandsdyktig mot erosjon av månestøv. Det kan være det ideelle materialet for å bane utskytningssteder for måneraketter og konstruere ruskjold rundt landingsputene. Det kan også gjøre ideell skjerming mot mikrometeoritter og stråling.

OK, nå har vi grunnleggende bygningsmaterialer, fra lokalt materiale, som krever minimum forberedelse. Det er ikke så vanskelig å forestille seg at prosessen med fabrikasjon av støpt regolith kan automatiseres. Før et menneske til og med satte foten på Månen, kunne det opprettes et grunnleggende naturtype skall under venting på okkupasjon.

Men hvor stor skal habitatet være? Dette er et veldig tøft spørsmål å svare på, men resultatet er at hvis noen månemiljø vil bli okkupert i lengre perioder, må den være komfortabel. Faktisk er det NASA-retningslinjer som sier at for oppdrag på lenger enn fire måneder minimum volumet som kreves av hver enkelt person skal være minst 20 meter³ (fra NASA Man Systems Integration
Standarder, NASA STD3000, i tilfelle du lurte på). Sammenlign behovene for langsiktig bebyggelse på månen med de kortvarige Gemini-oppdragene på midten av 1960-tallet (avbildet). Det beboelige volumet per besetningsmedlem i Gemini var en koselig 0,57m³… Heldigvis var disse tidlige forene ut i verdensrommet korte. Til tross for NASA-forskriftene, er det anbefalte volumet per besetningsmedlem 120m³, omtrent det samme som boarealet på den internasjonale romstasjonen. En lignende plass vil være nødvendig innen fremtidige naturtyper på Månen for mannskapets velvære og misjonssuksess.

Fra disse retningslinjene kan habitatdesignere jobbe med hvordan de best kan skape dette levende volumet. Det er klart at gulvplass, habitathøyde og funksjonalitet må optimaliseres, pluss plass til utstyr, livsstøtte og lagring må tas med i. I en grunnleggende habitatdesign av F. Ruess, J. Schänzlin og H. Benaroya fra en publikasjon med tittelen “Strukturell utforming av et månemiljø”(Journal of Aerospace Engineering, 2006), regnes en halvcirkulær“ hangar ”-form (avbildet).

Formen på en bærende bue er en tett alliert for konstruksjonsingeniører, og buer forventes å være en viktig komponent for utforming av naturtyper ettersom strukturelle spenninger kan fordeles jevnt. Naturligvis vil arkitektoniske beslutninger som stabiliteten i det underliggende materialet og skråningsvinkelen måtte tas mens man bygger habitatfundamentene, men denne utformingen forventes å adressere mange av problemene knyttet til månekonstruksjon.

Den største belastningen på "hangaren" -designet vil komme fra indre trykk som virker utover, og ikke fra tyngdekraften som virker nedover. Ettersom habitatinteriøret må holdes ved landtrykk, vil trykkgradienten fra det indre til det ytre vakuumet utøve en enorm belastning på konstruksjonen. Det er her buen til hangaren blir essensiell, det er ingen hjørner, og derfor kan ingen svake flekker forringe integriteten.

Mange flere faktorer vurderes, som involverer noen komplekse belastninger og belastningsberegninger, men beskrivelsen over gir en smakebit på hva konstruksjonsingeniører må vurdere. Ved å konstruere et stivt habitat fra støpt regolit, kan byggesteinene for en stabil konstruksjon bygges. For ekstra beskyttelse mot solstråling og mikrometeoritter, kan disse buede habitatene bygges side om side, sammenkople hverandre. Når en serie kamre er blitt bygget, kunne løs regolit settes på toppen. Tykkelsen på støpt regolit vil også bli optimalisert slik at tettheten til det fremstilte materialet kan gi ekstra beskyttelse. Kanskje store plater av støpt regolit kunne være lagd på toppen.

Når de grunnleggende habitatmodulene er konstruert, kan oppsettet for bosetningen begynne. Månens “byplanlegging” vil være en annen kompleks oppgave, og mange modulkonfigurasjoner må vurderes. Fem hovedmodulkonfigurasjoner blir fremhevet: Lineær, gårdsplass, radial, forgrening og klynge.

Infrastrukturen for det fremtidige måneforliket avhenger imidlertid av mange faktorer, og vil bli videreført i neste avdrag.