BYGGA EN MåNBAS: DEL 3 - STRUKTURELL DESIGN

Send

Att bygga den första månbasen blir den största utmaningen som mänskligheten någonsin har gett sig in på. Vi kan redan spekulera om farorna, naturliga och mänskliga, förknippade med en mänsklig närvaro på månens yta. Som svar har vi redan vissa livsmiljöstrukturer i åtanke - allt från uppblåsbara strukturer till underjordiska hålor i gamla lavaöppningar. Nu är det dags att vi på allvar börjar utforma vår första livsmiljöstruktur, skydda oss från mikrometeoriter, upprätthålla marktryck och använda lokalt utvalda material där vi kan ...

I del 1 av serien "Building a Moon Base" tittade vi på några av de mer uppenbara farorna i samband med att bygga en bas på en annan planet. I del 2 utforskade vi några av de nuvarande designkoncepten för den första bemannade livsmiljön på månen. Konstruktionerna sträckte sig från uppblåsbara strukturer, livsmiljöer som kunde byggas i jorden omloppsbana och flöt till månens yta, till baser ihåliga från gamla lava rör under ytan. Alla koncept har sina fördelar, men den primära funktionen måste vara att upprätthålla lufttrycket och minska risken för katastrofala skador om det värsta skulle hända. Denna tredje del av serien handlar om den grundläggande utformningen av en möjlig månbas som optimerar utrymmet, utnyttjar lokalt utvalda material och ger skydd mot det ständiga hotet från mikrometeoriter ...

"Building a Moon Base" är baserat på forskning av Haym Benaroya och Leonhard Bernold ("Konstruktion av månbaser“)

De viktigaste faktorerna som påverkar strukturella utformningar av livsmiljöer på månen är:

En sjätte markbunden tyngdkraft.
Högt inre lufttryck (för att upprätthålla andningsbar atmosfär).
Strålningsskärmning (från solen och andra kosmiska strålar).
Mikrometeoritavskärmning.
Hårda vakuumeffekter på byggmaterial (dvs. utgasning).
Måndammföroreningar.
Svåra temperaturgradienter.

Förutom att hantera dessa problem måste månstrukturerna vara lätta att underhålla, billiga, lätta att konstruera och kompatibla med andra månmiljöer / moduler / fordon. För att uppnå billig konstruktion måste så mycket lokalt material användas som möjligt. Råmaterialet för billig konstruktion kan vara de rikliga mängderna regolit som är lättillgängliga på månens yta.

Som det visar sig har månregolit många användbara egenskaper för konstruktion på månen. För att komplettera månbetong (som introducerades tidigare i Del 2), kan grundläggande byggkonstruktioner bildas av gjuten regolit. Gjuten regolit skulle vara mycket lik markbunden gjuten basalt. Skapad genom att smälta regolit i en form och låta den svalna långsamt skulle tillåta en kristallin struktur att bildas, vilket resulterar i mycket kompressiva och måttliga dragbyggnadskomponenter. Det höga vakuumet på månen skulle avsevärt förbättra materialets tillverkningsprocess. Vi har också erfarenhet här på jorden i hur man skapar gjuten basalt, så detta är inte en ny och otestad metod. Grundläggande livsmiljöformer kan tillverkas med liten beredning av råvarorna. Element som balkar, pelare, plattor, skal, bågsegment, block och cylindrar kan tillverkas, varvid varje element har tio gånger betongens tryck- och draghållfasthet.

Det finns många fördelar med att använda gjutregolit. Den är i första hand väldigt tuff och motståndskraftig mot erosion av måndamm. Det kan vara det perfekta materialet för att bana platser för lansering av månen raket och konstruera skräpsköldar som omger landningsunderlag. Det kan också göra idealisk skärmning mot mikrometeoriter och strålning.

OK, nu har vi grundläggande byggnadsmaterial, från lokalt material, vilket kräver minimiförberedelse. Det är inte så svårt att föreställa sig att processen för tillverkning av gjutregolit skulle kunna automatiseras. Innan en mänsklig till och med satte foten på månen, kunde ett grundläggande, livsmiljöskal skapas, som väntar på ockupation.

Men hur stor bör livsmiljön vara? Detta är en mycket tuff fråga att besvara, men resultatet är att om någon månmiljö kommer att vara ockuperad under långa perioder, måste den vara bekväm. Det finns faktiskt NASA-riktlinjer som anger att för uppdrag på längre tid än fyra månader minimum volymen som krävs av varje individ bör vara minst 20 m³ (från NASA Man Systems Integration
Standarder, NASA STD3000, om du undrar). Jämför behoven av långsiktig bebyggelse på månen med de kortvariga Gemini-uppdragen i mitten av 1960-talet (avbildad). Den bebodda volymen per besättningsmedlem i Gemini var en mysig 0,57 m³... lyckligtvis var dessa tidiga förberedelser i rymden korta. Trots NASA-förordningarna är den rekommenderade volymen per besättningsmedlem 120 miljoner³, ungefär samma som bostadsområdet på den internationella rymdstationen. Ett liknande utrymme kommer att krävas i framtida livsmiljöer på månen för besättningens välbefinnande och uppdragsframgång.

Från dessa riktlinjer kan livsmiljödesignare arbeta med hur man bäst skapar denna levande volym. Uppenbarligen kommer golvutrymme, livsmiljöhöjd och funktionalitet att behöva optimeras, plus utrymme för utrustning, livstöd och förvaring måste tas med i. I en grundläggande livsmiljödesign av F. Ruess, J. Schänzlin och H. Benaroya från en publikation med titeln "Strukturell utformning av en månmiljö”(Journal of Aerospace Engineering, 2006) betraktas en halvcirkulär” hangar ”-form (avbildad).

Formen på en bärande båge är en nära allierad för konstruktionsingenjörer, och bågar förväntas vara en viktig komponent för livsmiljödesign eftersom strukturella spänningar kan fördelas jämnt. Naturligtvis måste arkitektoniska beslut såsom stabiliteten hos det underliggande materialet och lutningsvinkeln göras medan man bygger livsmiljöfundamenten, men denna design förväntas ta itu med många av de problem som är förknippade med månkonstruktion.

Den största påkänningen på "hangar" -designen kommer från inre tryck som verkar utåt och inte från tyngdkraften som verkar nedåt. Eftersom livsmiljöns inre behöver hållas vid marktryck, skulle tryckgradienten från det inre till det yttre vakuumet utöva en enorm belastning på konstruktionen. Det är här bågen i hangaren blir väsentlig, det finns inga hörn, och därför kan inga svaga fläckar försämra integriteten.

Många fler faktorer beaktas, som involverar vissa komplexa spännings- och belastningsberäkningar, men beskrivningen ovan ger en smak av vad konstruktionsingenjörer måste beakta. Genom att konstruera en styv livsmiljö från gjuten regolit kan byggstenarna för en stabil konstruktion byggas. För ökat skydd mot solstrålning och mikrometeoriter kan dessa välvda livsmiljöer byggas sida vid sida, samtidigt. När en serie kamrar har byggts, kunde lös regolit läggas på toppen. Tjockleken på den gjutna regolitten kommer också att optimeras så att det tillverkade materialets densitet kan ge extra skydd. Kanske kan stora skivor av gjuten regolit läggas på lager.

När de grundläggande livsmodulerna har konstruerats kan layouten för bosättningen börja. Månens "stadsplanering" kommer att vara en annan komplex uppgift och många modulkonfigurationer måste beaktas. Fem huvudmodulkonfigurationer markeras: Linjär, gård, radial, gren och kluster.

Infrastrukturen för den framtida måneuppsättningen beror dock på många faktorer och kommer att fortsätta i nästa del.