Wie kann die zukünftige Monderkundung von der anderen Seite des Mondes aus kommunizieren, obwohl sie nie auf einer Linie mit der Erde ist? Dies geht aus einer aktuellen Studie hervor IEEE-Transaktionen zu Luft- und Raumfahrt- und elektronischen Systemen hofft, eine Lösung zu finden, als ein Forscherpaar der Polytechnique Montréal das Potenzial für eine drahtlose Energieübertragungsmethode (WPT) untersuchte, die aus einem bis drei Satelliten am Erde-Mond-Lagrange-Punkt 2 (EMLP-2) und einem solarbetriebenen besteht Empfänger auf der anderen Seite des Mondes.
Diese Studie, verfügbar auf der arXiv Der Preprint-Server birgt das Potenzial, Wissenschaftlern und zukünftigen Mondastronauten dabei zu helfen, eine ständige Kommunikation zwischen Erde und Mond aufrechtzuerhalten, da die Mondrückseite des Mondes immer von der Erde abgewandt ist und die Rotation des Mondes fast vollständig mit seiner Umlaufbahn um die Erde synchronisiert ist.
Hier bespricht Universe Today diese Forschung mit Dr. Gunes Karabulut Kurt, einem außerordentlichen Professor am IEEE Polytechnique Montréal und Co-Autor der Studie, über die Motivation hinter der Studie, wichtige Ergebnisse, Folgeforschung und Implikationen für WPT. Was war also die Motivation hinter dieser Studie?
„Diese Forschung ist durch das Ziel motiviert, die logistischen und technischen Herausforderungen zu überwinden, die mit der Verwendung traditioneller Kabel auf der Mondoberfläche verbunden sind“, sagt Dr. Kurt gegenüber Universe Today. „Das Verlegen von Kabeln auf der rauen, staubigen Oberfläche des Mondes würde zu ständigen Wartungs- und Verschleißproblemen führen, da Mondstaub sehr abrasiv ist. Andererseits erfordert der Transport großer Kabelmengen zum Mond eine erhebliche Menge Treibstoff, was die Kosten erheblich erhöht.“ die Kosten der Mission.“
Für die Studie verwendeten die Forscher eine Vielzahl von Berechnungen und Computermodellen, um festzustellen, ob ein, zwei oder drei Satelliten innerhalb einer EMLP-2-Halo-Umlaufbahn ausreichen, um sowohl die Mondrückseite (LFS) als auch die Sichtlinie konstant abzudecken mit der Erde. Zum Vergleich: EMLP-2 befindet sich auf der anderen Seite des Mondes, wobei die Halo-Umlaufbahn senkrecht – oder seitlich – zur Umlaufbahn des Mondes verläuft. Die in die Studie einbezogenen Berechnungen umfassten die Abstände zwischen den einzelnen Satelliten, die Antennenwinkel zwischen den Satelliten und dem Oberflächenempfänger, die Größe der LFS-Oberflächenabdeckung und die Menge der übertragenen Leistung zwischen den Satelliten und den LFS-Oberflächenantennen. Was waren also die wichtigsten Ergebnisse dieser Studie?
Dr. Kurt erklärt gegenüber Universe Today, dass ihre Modelle zu dem Schluss kamen, dass drei Satelliten in einer EMLP-2-Halo-Umlaufbahn, die in gleichen Abständen voneinander betrieben werden, „kontinuierliche Leistungsübertragung zu einer optischen Empfängerantenne irgendwo auf der anderen Seite des Mondes erreichen“ und gleichzeitig eine LFS von 100 Prozent aufrechterhalten könnten Abdeckung und Sichtlinie mit der Erde. „Abgesehen vom Drei-Satelliten-Schema, das eine kontinuierliche LFS-Vollabdeckung bietet, bietet sogar eine Zwei-Satelliten-Konfiguration eine vollständige Abdeckung während 88,60 % eines vollständigen Zyklus um die EMLP-2-Halo-Umlaufbahn“, fügt Dr. Kurt hinzu.
In Bezug auf die Folgeforschung sagt Dr. Kurt gegenüber Universe Today: „Unsere zukünftigen Studien werden sich auf komplexere Ernte- und Übertragungsmodelle konzentrieren, um der Realität näher zu kommen. Andererseits wird ein Ansatz erforderlich sein, der die unregelmäßige Natur des Mondstaubs berücksichtigt.“ die Variation seiner Dichte aufgrund von Umweltfaktoren wie dem subsolaren Winkel und anderen. Wenn die Forschung auf diesem Gebiet in Zukunft fortgesetzt wird, sollten Sie dies experimentell mit Mondstaubsimulanzien und Lasern untersuchen.
Diese Studie kommt zu einem Zeitpunkt, an dem sich die NASA darauf vorbereitet, im Rahmen des Artemis-Programms zum ersten Mal seit 1972 wieder Astronauten zum Mond zu schicken, deren Ziel es sein wird, die erste farbige Frau und Person auf der Mondoberfläche zu landen. Nach dem Erfolg der Artemis-1-Mission im November 2022, die aus einer unbemannten Orion-Kapsel bestand, die den Mond umkreiste, strebt die NASA derzeit den September 2025 für ihre Artemis-2-Mission an, bei der es sich um eine 10-tägige Mission mit vier Besatzungsmitgliedern handeln soll die Orion-Kapsel für einen Mondvorbeiflug, dessen Ziel es sein wird, eine vollständige Systemüberprüfung der Orion-Kapsel durchzuführen. Welche Auswirkungen kann diese Studie daher auf die bevorstehenden Artemis-Missionen oder eine zukünftige menschliche Erforschung des Mondes haben?
„Die Ergebnisse haben Auswirkungen auf die Gestaltung von Energieübertragungssystemen auf dem Mond“, sagt Dr. Kurt gegenüber Universe Today. „Ein besseres Verständnis der Störungen der drahtlosen Übertragung wie Mondstaub kann zur Entwicklung effizienterer und zuverlässigerer Systeme für den Betrieb von Mondmissionen und -infrastrukturen führen, einschließlich derjenigen im Zusammenhang mit dem Artemis-Programm und zukünftigen Bemühungen zur menschlichen Erforschung.“
Bei Erfolg wird Artemis 2 im September 2026 von Artemis 3 gefolgt, die ebenfalls aus einer 4-köpfigen Besatzung mit zwei auf der Mondoberfläche landenden Besatzungsmitgliedern und einer ungefähren Missionsdauer von 30 Tagen bestehen wird. Es folgen Artemis 4, Artemis 5 und Artemis 6, die derzeit für September 2028, September 2029 bzw. September 2030 geplant sind, wobei jede Mission sowohl die Zahl der auf der Mondoberfläche landenden Astronauten als auch die erwartete erhöht Lieferungen von Mondhabitatmodulen und Mondrovern.
„Darüber hinaus zielt die Artemis-Mission als Landeplatz auf den Südpol des Mondes“, sagt Dr. Kurt gegenüber Universe Today. „Diese Region ist von besonderem Interesse wegen der Anwesenheit von Gipfeln des ewigen Lichts (PELs), die fast kontinuierlich Sonnenlicht erhalten, und permanent beschatteter Regionen (PSRs), die potenzielle Standorte für Ressourcen wie Wassereis sind. Diese kontrastierenden Bedingungen sind ideal für.“ die Anwendung der drahtlosen Energieübertragung (Laser-Power-Beaming-Technologie), die durch drahtlose Energieübertragung aus beleuchteten Bereichen eine kontinuierliche Stromversorgung in Schattenbereichen gewährleisten könnte.“
Der Grund für die Existenz dieser PSRs liegt in der geringen Schiefe bzw. axialen Neigung des Mondes, die der Studie zufolge 6,68 Grad beträgt. Zum Vergleich: Die Neigung der Erde beträgt 23,44 Grad. Dies bedeutet, dass es sowohl am Nord- als auch am Südpol des Mondes Bereiche und insbesondere Krater gibt, die kein Sonnenlicht erhalten, daher der Name „dauerhaft beschattete Regionen“. Wie Dr. Kurt feststellte, könnten diese PSRs die Heimat von Wassereisablagerungen in diesen tiefen, dunklen Kratern sein, die Astronauten für Wasser, Treibstoff und andere Zwecke nutzen könnten.
Die Artemis-Missionen planen, nicht nur Astronauten, sondern auch einen Lebensraum und Mondrover zur Mondoberfläche zu bringen, mit dem Ziel, eine dauerhafte menschliche Präsenz auf dem Mond zu etablieren. Dies wird Möglichkeiten zur Demonstration neuer Weltraumtechnologien bieten, die sowohl für die Monderkundung als auch für zukünftige bemannte Missionen zum Mars genutzt werden können, die Teil der Mond-Mars-Architektur der NASA sind.
„Aktuelle Missionen planen die Wiederverwendung erdbewährter Technologie“, sagt Dr. Kurt gegenüber Universe Today. „Diese Denkweise kann den Blue-Sky-Design-Ansatz untergraben, bei dem Forscher dazu ermutigt werden, frei zu denken, kreative Ideen zu erforschen und die Grenzen des Möglichen zu erweitern, ohne durch Einschränkungen wie spezifische Projektanforderungen oder Abwärtskompatibilität eingeschränkt zu werden. Bei unserer Arbeit zielen wir darauf ab um Multifunktionalitätsaspekte einzubeziehen, die für terrestrische Anwendungen keine Notwendigkeit sind, sich aber für zukünftige Weltraummissionen als wesentlich erweisen könnten.“
Mehr Informationen:
Baris Donmez et al., Continuous Power Beaming to Lunar Far Side from EMLP-2 Halo Orbit, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2402.16320