Der Mond ist unglaublich heiß und auch unglaublich kalt.
Es gibt Strahlung. Eine dünne Atmosphäre. Keine Luft zum Atmen.
Wenn die NASA jemals eine Mondbasis errichtet – ein langfristiges Projekt, das am Mittwoch mit dem Start von Artemis I vorangetrieben wurde –, muss sie sich diesen Herausforderungen für die menschliche Besiedlung stellen.
Es muss auch den Staub herausfinden.
Mondstaub besteht aus knorrigen kleinen Partikeln – gezackten und scharfkantigen Körnern, die zu einem großen Problem für Astronauten und so ziemlich jedes von Menschenhand geschaffene Objekt werden, das auf dem Mond landen oder vom Mond abheben soll.
NASA-Wissenschaftler haben jahrelang untersucht, wie viel Schaden dieser Staub zusammen mit Mondkies und -felsen anrichten könnte, insbesondere wenn er von Raketentriebwerken hochgeschleudert wird und mit einer Geschwindigkeit schneller als eine Kugel umherfliegt.
„Das ist nicht nur flaumiger Staub, der Ihre … Hardware ein wenig überziehen wird“, sagte Philip Metzger, Planetenwissenschaftler an der University of Central Florida, der seit 1997 die Auswirkungen von interplanetarem Staub erforscht. „Das ist Sandstrahlen, schädigend; es ist Steine mit hoher Geschwindigkeit, Sandkörner, Kies mit hoher Geschwindigkeit.“
Eine der führenden Institutionen, die Mondstaub und seine potenziellen Auswirkungen auf menschliche Missionen untersucht, ist Swamp Works, ein NASA-Forschungslabor, das 2013 von Metzger mitbegründet wurde, der inzwischen aus der Agentur ausgeschieden ist, aber immer noch an einigen Projekten mitarbeitet.
Das Labor befindet sich im Kennedy Space Center in Florida in einem kastenförmigen Gebäude, das einst zur Ausbildung von Apollo-Astronauten diente, und zielt darauf ab, schnell Pionierarbeit zu leisten und Technologien zu testen, die es Menschen ermöglichen würden, auf anderen Planetenkörpern zu leben und zu arbeiten.
Die Mission Artemis 1 wird nicht auf dem Mond landen, aber die Orion-Crew-Kapsel wird auf einer 25-tägigen Reise um den Mond reisen, um die Fähigkeiten des Raumfahrzeugs zu testen, bevor Menschen das nächste Mal an Bord gehen.
Vor mehr als einem Jahrzehnt versuchten Metzger und der Mitbegründer von Swamp Works, Robert P. Mueller, die NASA-Manager davor zu warnen, wie Staub, der von Raketenabgasen ausgestoßen wird, zukünftige Mondmissionen behindern könnte und dass mehr Forschung und Planung durchgeführt werden müssten. Sie wurden abgebürstet.
Heute, da das Artemis-Programm in vollem Gange ist und die Agentur eifrig die Landung der ersten Frau und ersten Person of Color auf dem Mond veröffentlicht, sobald die Mondstaubforschung im Jahr 2025 explodiert ist.
„Alles, was wir tun, ist 10 Jahre zu früh“, sagte Mueller, der auch als leitender Technologe am Kennedy Space Center tätig ist. „Wenn alle anderen anfangen, es zu tun, dann weißt du, dass du das Richtige getan hast, weil es angenommen wird.“
Simulierter Mondstaub – einst ein Forschungsgut, mit dem die NASA und einige Universitätslabors hausieren gingen – wird jetzt kommerziell hergestellt. Die NASA veranstaltete kürzlich eine Medienveranstaltung in der Nähe von Flagstaff, Arizona, bei der gezeigt wurde, wie Astronauten mit der rauen und staubigen Umgebung des Mondes umgehen werden.
Das Staubproblem ist fast so alt wie die NASA selbst. Während des Apollo-Programms in den 1960er und frühen 1970er Jahren beschwerten sich die Astronauten darüber, dass sie ihre Handschuhe nach drei Tagen nicht wieder anziehen konnten, weil Mondstaub die Dichtungen beschädigt hatte.
„Es ist sehr scharf, sehr fein“, sagte Müller. „Es zermahlt einfach alles.“
Um wirklich ein Gefühl für das Problem zu bekommen – und Wege zu seiner Bekämpfung zu finden – transportierte das Labor 120 Tonnen feines, aschgraues Pulver, das von der Straßenbelags-Produktionslinie eines Steinbruchs übrig blieb.
Die NASA stieß zufällig auf das Zeug. Während einer Forschungsreise in der Nähe eines Steinbruchs in Arizona trat ein Forscher von Swamp Works in einen Haufen Pulver mit mehlartiger Konsistenz und sank bis zur Hüfte ein. Apollo 17-Astronaut Harrison „Jack“ Schmitt, der Teil der Reise war, warf einen Blick auf das Pulver, hob es auf, trat es und warf es in die Luft.
„Ja, sieht aus wie Mondstaub“, erinnert sich Mueller, als er sagte, bevor der Astronaut wegging.
In den Swamp Works ist der simulierte Mondstaub jetzt in einem 26 Fuß langen und 26 Fuß breiten Kunststoffgehäuse untergebracht, in dem Forscher Roboterbagger testen, die zum Ausheben von Mondschmutz und -felsen entwickelt wurden, und modellieren, wie weit Raketentriebwerke Mondstaub während des Starts ausspucken und Landung. Ein Filtersystem verhindert, dass überschüssiger Staub in den Rest des Labors und in die Lungen der Forscher gelangt.
Mueller steckte eine Schaufel in ein kleineres, durchsichtiges Plastikzelt, das sich direkt neben dem größeren Gehege befand, und schaufelte eine andere Art von simuliertem Mondstaub auf, die von einem NASA-Team aus Houston gefunden wurde. Er ließ es vom Rand des Spatens fallen, und das kuchenmehlartige Material breitete sich wie eine niedrige, schwarze Wolke aus.
„Du willst das nicht einatmen, also werde ich das hier schließen“, sagte er, als er die Plastiktür schloss.
Die simulierten Staubpartikel sind – wie die echten – so fein, dass sie in Ihrer Lunge stecken bleiben können. Um sich zu schützen, befolgen Forscher, die in den großen Behälter gehen, die Vorschriften der Arbeitsschutzbehörde und ziehen Schutzanzüge mit Kopfbedeckungen, Handschuhen und Atemschutzmasken an. Sogar die Haushälterin des Labors, die draußen fegt, trägt eine Atemschutzmaske.
Trotzdem hat Mueller nach einem Tag in der großen Tonne Staub zwischen seinen Zehen gefunden.
„Auch in den Anzügen“, sagte er, „kommt es überall an.“
Mueller machte die Kommentare, als er 2019 eine Führung durch das Labor leitete. Drei Jahre später bestehen die Herausforderungen durch Mondstaub fort – und können immer noch nicht vollständig im großen Behälter repliziert werden.
Je größer die Rakete, desto gefährlicher die Wolke, d. h. Mondstaub, Kies und Felsen, die während der Landung oder des Starts aufgewirbelt werden, bewegen sich mit deutlich höheren Geschwindigkeiten als bei den Apollo-Missionen.
Apollo-Mondlandungsvideos werden dem Staub nicht gerecht. Der Blick aus dem Pilotenfenster des Mondmoduls während der Apollo-15-Mission von 1971 zeigt einfach Dunst, wenn Staubstreifen vorbeiziehen.
Aber als Metzger anfing, Computersimulationen durchzuführen, wurde das Problem sehr deutlich. Die derzeit beste Schätzung der Forscher ist, dass allein staubgroße Partikel eine Geschwindigkeit zwischen 2.236 mph und 6.710 mph haben können. Größere Partikel bewegen sich langsamer, aber sie sind immer noch nicht zu verachten – kiesgroße können sich mit 67 Meilen pro Stunde fortbewegen.
Ein 40-Tonnen-Lander könnte aufgrund des höheren Gewichts Staub 50 % schneller verstreuen als der Apollo-Lander, sagte Metzger.
„Wenn Sie ein Raumschiff in einer niedrigen Mondumlaufbahn hätten und es zufällig genau zur falschen Zeit vorbeikommen würde … [the dust] könnten Optiken und andere empfindliche Oberflächen erheblich beschädigen – so sehr, dass ein empfindliches Instrument mit nur einer Belichtung ruiniert werden könnte“, sagte er.
Staub stellt eine Mondbasis vor besondere Probleme. Idealerweise würden zukünftige bemannte Missionen in der Nähe eines Mondaußenpostens landen, um die Reisezeit der Astronauten zwischen dem Raumfahrzeug und dem Wohnmodul zu minimieren. Aber das würde wiederholte Landungen um wertvolle Hardware bedeuten.
„Es ist nicht nur eine Exposition“, sagte Metzger. „Wir könnten am Ende 20 bis 30 Sandstrahlbelichtungen haben.“
Eine Möglichkeit, den Schaden zu minimieren, wäre der Bau eines Landeplatzes, damit Raketen einen glatten und bodenstabilisierten Bereich haben, in dem sie operieren können. Aber wie kommt man mit all den Baumaterialien zum Mond?
Hier kommt die Swamp Works-Forschung ins Spiel.
Im Laufe der Jahre hat das Team mit Möglichkeiten experimentiert, Mondstaub und Kies – ja, dieselben, die all diese Probleme verursachen – zum Bau von Landeplätzen zu verwenden.
Das leistungsstärkste Material ist der sogenannte gesinterte Regolith, eine pulverisierte Version von Gestein, die gerade genug geschmolzen ist, um alles miteinander zu verbinden, aber nicht so sehr, dass es zu sprödem Glas wird. Die genaue Schmelztemperatur variiert je nach Art des Minerals, was bedeutet, dass die Forscher eine Probe von der potenziellen Landestelle benötigen, um sicherzustellen, dass ihre Berechnungen übereinstimmen.
In der Zwischenzeit arbeiten sie daran, wie genau dieser gesinterte Regolith verwendet werden kann, um Dinge zu bauen. Während der Swamp Works-Tour brachte Mueller etwas heraus, das wie eine zerdrückte Kuhpastete aussah. Es war der erste Versuch des Teams, einen 3D-Drucker zu verwenden, um etwas mit ihrem feinen, pudrigen simulierten Mondstaub zu erschaffen; Aber in den Jahren danach entwickelten sich die Forscher zu einer sauber gewickelten Säule – einem großen gewickelten Kegel, der als Dach, als Rad und sogar als steinähnliche Pflastersteine dienen konnte, die zusammenpassen.
„Das ist auf lange Sicht die Lösung“, sagte Müller kürzlich über permanente Landeplätze.
Die Idee, auf Planetenkörpern gefundene Ressourcen für die menschliche Besiedlung zu nutzen, ist nicht neu. Es spornt Ideen an, den Mond oder den Mars nach Elementen abzubauen, die Raketentreibstoff herstellen könnten, was eine weitere Erforschung ermöglichen würde, ohne zusätzlichen Treibstoff zu schleppen.
Nicht jeder in der NASA ist davon überzeugt, dass ein Landeplatz aus dem Mond der richtige Weg ist.
Zum einen wäre die Herstellung teuer und zeitaufwändig. Und wenn eine Mission zu mehreren Orten auf dem Mond geht, macht es möglicherweise nicht viel Sinn, an jedem Ort einen Landeplatz zu bauen. Aus diesem Grund prüfen die Swamp Works auch kurzfristigere Ideen, wie etwa ein flüssiges Polymer, das von einem kleinen Rover versprüht und mit dem ultravioletten Licht der Sonne in einer Art temporären Landezone ausgehärtet wird.
„Stellen Sie sich das wie einen Flughafen mit einer Graslandebahn vor, im Gegensatz zu einem Flughafen mit einer Betonpiste“, sagte Mueller. „Es ist ein anderes Maß an Minderung, und es wäre nicht dauerhaft – vielleicht dauert es eine oder zwei Landungen.“
Der Starship-Lander von SpaceX wird später in diesem Jahrzehnt versuchen, ohne Landeplatz auf dem Mond zu landen, indem er seine Triebwerke an die Spitze der Rakete bewegt, um zu versuchen, den Staubauswurf zu mildern.
Noch weiter entfernt hat die Forschung des Teams jedoch Auswirkungen, die über das Mondprogramm hinausgehen. Auch auf dem Mars gibt es Staub.
2022 Los Angeles Times.
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