Astronauten werden Staub bis zum Lunar Gateway verfolgen. Ist das ein Problem?

Mondregolith (auch bekannt als Mondstaub) ist eine große Gefahr für Missionen zum Mond. Es ist überall auf der Oberfläche – an manchen Stellen 5 bis 10 Meter (~16,5 bis 33 Fuß) tief – ganz zu schweigen von den Zacken und der Klebrigkeit. Während der Apollo-Missionen erfuhren Astronauten, dass dieser Staub an allem haftete, auch an ihren Raumanzügen. Schlimmer noch, es würde zurück in ihre Mondlandefähren (LMs) gelangen, wo es an Oberflächen haften bliebe, elektronische und mechanische Geräte verwüstete und sogar zu langfristigen Atemproblemen führen würde.

Dies ist ein wichtiges Anliegen des Artemis-Programms, das darauf abzielt, ein „nachhaltiges Programm zur Monderkundung und -entwicklung“ zu etablieren. Eines der Schlüsselelemente dieses Programms ist das Lunar Gateway, ein Mondlebensraum, der den Mond für geplante 15 Jahre umkreisen und langfristige Missionen zur Oberfläche ermöglichen wird. Die Auswirkungen, die Regolith haben wird, das von Astronauten, die von der Oberfläche zurückkehren, eingebracht wird, ist nicht genau geklärt. In einer aktuellen Arbeit hat ein von der NASA geleitetes Forscherteam ein physikbasiertes Modell erstellt, um abzuschätzen, wie sich Regolith im Laufe der Zeit auf den Lebensraum auswirken könnte.

Das Team wurde von Ronald G. Lee geleitet, dem leitenden Luft- und Raumfahrtingenieur bei der in Houston ansässigen Beratungs-, Analyse- und Regierungs-/Militärfirma Booz Allen Hamilton. Zu ihm gesellten sich Wissenschaftler des Johnson Space Center der NASA, des Marshall Space Flight Center der NASA, des European Space Research and Technology Center (ESTEC) der ESA sowie des in Houston ansässigen Ingenieurbüros Jacobs Technology und des Luft- und Raumfahrtunternehmens Barrios Technology. Der Artikel, der ihr Modell beschreibt, erschien kürzlich in Acta Astronautica.

Während die meisten Meteore, die in die Erdatmosphäre eindringen, verglühen, bevor sie die Oberfläche erreichen, ist der Mond eine Umgebung ohne Luft. Infolgedessen haben Einschläge über Milliarden von Jahren die Oberfläche pulverisiert und feine Siliziumdioxidpartikel erzeugt. Das Fehlen einer Atmosphäre bedeutete auch, dass diese Partikel keiner Verwitterung durch Wind oder Niederschlag ausgesetzt waren, sodass sie unförmig und gezackt waren. Durch die Wechselwirkung zwischen diesen Partikeln und dem geladenen Plasma der Sonnenkorona (auch Sonnenwind genannt) ist der Regolith elektrostatisch aufgeladen, wodurch er an elektrisch geladenen Oberflächen haftet.

Dieser Staub verursachte während der Apollo-Missionen zahlreiche Probleme, darunter Probleme bei der thermischen Kontrolle der Batterien des Lunar Reconnaissance Vehicle (LRV) während der Apollo 16- und 17-Missionen. Eugene Cernan, Kommandant der Apollo-17-Mission, erklärte sogar, der Mondregolith sei die größte Herausforderung bei der Monderkundung. „Ich denke, Staub ist wahrscheinlich eines unserer größten Hindernisse für eine nominelle Operation auf dem Mond“, sagte er. „Ich denke, wir können außer Staub auch andere physiologische oder physikalische oder mechanische Probleme überwinden.“

In den kommenden Jahren wird das Artemis-Programm zum ersten Mal seit der Apollo-Ära wieder Astronauten zum Mond schicken. Aber im Gegensatz zu den vorherigen bemannten Landungen, die verschiedene wissenschaftliche Experimente sowie „Fußabdrücke und Flaggen“ hinterließen, wird das Artemis-Programm eine dauerhafte Infrastruktur schaffen. Zusätzlich zum Lunar Gateway werden sich Astronauten auf das Artemis-Basislager verlassen, während sie wissenschaftliche Operationen an der Oberfläche durchführen. Die ESA und China haben auch Pläne für eine Mondinfrastruktur, die als Lunar Village bzw. International Lunar Research Station (ILRS) bekannt ist.

Dies bedeutet, dass mehrere Raumfahrtagenturen und kommerzielle Partner zur und von der Oberfläche starten und Astronauten regelmäßige Außenbordeinsatzaktivitäten (EVAs) durchführen. Die Menge an Mondregolith, die hochgeschleudert und zu Fahrzeugen und Lebensräumen zurückgeführt wird, führt zu Verschleiß an Raumanzügen und Fahrzeugen, da sie so unglaublich abrasiv sind. Es wird auch Maschinen, Energiesysteme, Lebenserhaltungssysteme und andere lebenswichtige Komponenten zerstören. Es bestehen auch Gesundheitsrisiken, die der fliegende Regolith für Astronauten, kommerzielle Besatzungen und Mondtouristen mit sich bringt.

Durch das Vorhandensein mehrerer interagierender Missionselemente wird die Situation deutlich komplizierter. Sie schrieben: „Die einzigartige Herausforderung für Gateway besteht darin, dass es während der geplanten 15-jährigen Lebensdauer nicht einer einmaligen Exposition gegenüber Mondstaub ausgesetzt sein wird, wie es möglicherweise bei Apollo Command and Service Modules der Fall war, sondern jeweils einmal.“ einer der verschiedenen Oberflächenmissionen mit Gateway, die in der Artemis-Architektur vorgeschlagen werden. Das Äußere von Gateway und den daran andockenden Besucherfahrzeugen ist mit kritischen Systemen wie Solaranlagen, Heizkörpern, Andockmechanismen und Dichtungen, Flüssigkeitstransferanschlüssen, Kommunikationsantennen und externen Robotern bedeckt Systeme und wissenschaftliche Nutzlasten.

Glücklicherweise wurde seit den Apollo-Missionen viel Forschung betrieben, um die physikalischen Eigenschaften des Mondregoliths zu charakterisieren. Auf dieser Grundlage haben Wissenschaftler gefolgert, dass die vom Mondregolith ausgehende Gefahr dynamisch ist und von der Konfiguration des Raumfahrzeugs, der Lage (in Bezug auf die Sonne) und der Plasmaumgebung abhängt. In einer früheren Studie entwickelten Lee und Co-Autor Gary L. Brown (Barrios Technology) ein neues Modell zur Charakterisierung der Bedrohung für das Lunar Gateway, das sie „Gateway On-orbit Lunar Dust Modeling and Analysis Program“ (GOLDMAP) nannten. .

Mithilfe dieses Modells betrachteten Lee, Brown und ihr Team die Architektur der Artemis-Mission und modellierten verschiedene Aspekte davon. Dazu gehörten die natürliche Umgebung und das Aufladen von Raumfahrzeugen mithilfe der Design Specification for Natural Environments (DSNE) der NASA, der Open-Source-Spacecraft Plasma Interaction Software (SPIS) und Daten des Steward Observatory Mirror Laboratory (SOML). Dies wurde mit einem zeitabhängigen Partikeltransportmodell kombiniert, das die Fluiddynamik mithilfe der Siemens STAR-CCM-Software charakterisierte.

Daraus kamen sie zu verschiedenen Schlussfolgerungen hinsichtlich des Gateways und einer möglichen Kontamination durch Astronauten, die das Human Landing System (HLS) nutzen. Wie die Forscher schrieben: „Während Missionen zur Mondoberfläche werden die HLS-Fahrzeugelemente wahrscheinlich einer Kontamination durch kleine Mond-Regolith-Partikel auf der Mondoberfläche ausgesetzt sein, was sowohl auf natürliche Phänomene wie elektrostatisches Aufsteigen als auch Schweben innerhalb weniger Meter über der Mondoberfläche zurückzuführen ist.“ und Mikrometeoriteneinschläge, von denen sowohl durch Experimente als auch durch Modellierungen gezeigt wurde, dass sie sowohl zu den Staubpopulationen in Bodennähe als auch in großen Höhen sowie zu menschlichen Oberflächenaktivitäten, einschließlich PSI der Triebwerke während des Abstiegs und Aufstiegs, beitragen.“

Auf dieser Grundlage ist klar, dass das Lunar Gateway – der Knotenpunkt für die künftige Monderkundung und -entwicklung – anfällig für Staubübertragung sein wird. Damit wird auch die Notwendigkeit von Dekontaminationsmaßnahmen für von der Mondoberfläche zurückkehrende Astronauten deutlich gemacht. Mit Blick auf die Zukunft betonen Lee und seine Kollegen, dass eine Modellvalidierung mithilfe von Laborexperimenten erforderlich ist, die von NASA-Experten und Wissenschaftlern durchgeführt werden. Sie empfehlen außerdem zukünftige Stauberkennungs- und Staubsammelnutzlasten im Orbit an der Außenseite des Gateways.

Die Ergebnisse dieser Experimente werden dazu beitragen, die Missionsplaner und Operationen der NASA an Bord des Gateway über die Entwicklung des Artemis-Programms zu informieren. Es wird wahrscheinlich auch zukünftige Richtlinien und „Best Practices“ für den Betrieb auf der Mondoberfläche beeinflussen.