Landestellen für Artemis III mithilfe von Kartierungs- und Algorithmentechniken ermittelt

Wo wäre der ideale Landeplatz für die Besatzung von Artemis III im Human Landing System (HLS) von SpaceX? So sieht ein aktuelle Studie eingereicht bei Astronautenakteund verfügbar auf der arXiv Preprint-Server, hofft, zu adressieren, wie ein internationales Team von Wissenschaftlern untersucht plausible Landestellen innerhalb der Mond Südpolregion, die kommt nach Die NASA hat 13 mögliche Landegebiete ausgewählt im August 2022 und birgt das Potenzial, auch für zukünftige Missionen neue Methoden zur Bestimmung von Landeplätzen zu ermöglichen.

Hier diskutiert Universe Today diese Forschung mit Dr. Juan Miguel Sánchez-Lozano von der Technischen Universität Cartagena und Dr. Eloy Peña-Asensio vom Politecnico di Milano hinsichtlich der Motivation hinter der Studie, bedeutender Ergebnisse, der Gründe für die Festlegung des endgültigen Landeplatzes, der Lage des Shackleton-Kraters und ob ein kleinerer Lander als HLS das Ergebnis verändert hätte.

Was war also die Motivation hinter der Studie?

Dr. Sánchez-Lozano sagt gegenüber Universe Today: „Unsere Motivation bestand darin, zum Auswahlverfahren für den Landeplatz von Artemis III beizutragen, indem wir erstmals Methoden, die in anderen Forschungsbereichen gut etabliert sind, in den Kontext der Weltraumforschung einführten.“

„Insbesondere haben wir festgestellt, dass geografische Informationssysteme in Kombination mit Methoden zur multikriteriellen Entscheidungsfindung (GIS-MCDM) einen erheblichen Mehrwert bei der Bewertung und Priorisierung der potenziellen Landeplätze bieten könnten.

„Daher wollten wir der NASA den Nutzen dieser Methoden demonstrieren und sie in der Praxis anwenden, indem wir die am besten geeigneten Landeplätze ermitteln und empfehlen.“

Für die Studie verwendeten die Forscher diese Methoden, um 1.247 Standorte innerhalb der 13 potenziellen Landeregionen in der Nähe des Südpols des Mondes zu analysieren, die zuvor von der NASA identifiziert worden waren, um die genauesten Landestellen für HLS zu ermitteln.

Dies erreichten sie, indem sie ihre GIS-MCDM-Methoden mit einem TOPSIS-Algorithmus (Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution) kombinierten, um bestimmte Kriterien zu analysieren: Sichtbarkeit der Mondoberfläche, Sichtlinie für HLS-Astronauten, permanent beschattete Regionen (Permanently Shadows Regions, PSRs), Sonneneinstrahlung, direkte Kommunikation mit der Erde, geologische Einheiten und Vorkommen mafischer Materialien (Vulkangestein mit hohem Eisen- oder Magnesiumgehalt).

Was waren daher die wichtigsten Erkenntnisse dieser Studie?

Dr. Peña-Asensio erklärt gegenüber Universe Today: „Unsere Analyse hat nicht nur die Anwendbarkeit von MCDM auf diese Herausforderungen nachgewiesen, sondern auch Site DM2 (Nobile Rim 2) aufgrund von Kriterien wie Sichtbarkeit, Sonneneinstrahlung, direkter Kommunikation mit der Erde, geologischer Vielfalt und dem Vorhandensein mafischer Materialien als optimalen Landeplatz identifiziert.

„Die neun besten Standorte, die wir in unserer Studie ermittelt haben, liegen alle in dieser Region. Überraschenderweise gehört dieser Standort nicht zu den beliebtesten Regionen in der wissenschaftlichen Gemeinschaft.“

Standort DM2 ist einer der am weitesten entfernten Landebereiche innerhalb der 13 möglichen Landebereiche und liegt etwa 250 Kilometer vom Shackleton-Krater entfernt, von dem ein Teil direkt am Südpol des Mondes liegt. Die Forscher ermittelten den genauen Standort des optimalen Landebereichs bei 84°12’5.61″ S und 60°41’59.61″ E, der sich in der Nähe eines PSR-Kraters befindet.

Der Grund für die Bedeutung der PSR-Krater für die Erforschung liegt darin, dass sie so tief sind, dass möglicherweise seit Milliarden von Jahren kein Sonnenlicht ihre Tiefen erreicht hat, was dazu führen könnte, dass sich in ihnen Wassereisablagerungen befinden.

Was waren also die konkreten Gründe für die Auswahl von Site DM2 und welche alternativen Landeplätze gibt es als Alternative?

Dr. Sánchez-Lozano sagt gegenüber Universe Today: „Standort DM2 bietet außergewöhnliche Leistung in Bezug auf mehrere Schlüsselkriterien, darunter den höchsten Prozentsatz an Sonneneinstrahlung, optimale Proportionen erforschbarer Eisflächen und erweiterte Kommunikationsfenster mit der Erde. Die Stärke der von uns eingesetzten Entscheidungsmethodik, insbesondere der TOPSIS-Technik, liegt in ihrer kompensatorischen Natur.

„Mit diesem Ansatz können Kriterien mit lediglich akzeptablen Werten durch solche mit hervorragenden Werten ausgeglichen werden, so dass eine umfassende Rangfolge der Alternativen entsteht. Folglich können auch in der Nähe des optimalen Standorts gelegene Landeplätze durchaus praktikable Optionen mit einem hohen Grad an Akzeptanz darstellen.“

Bezüglich der Ersatzstandorte sagt Dr. Peña-Asensio gegenüber Universe Today: „Als mögliche Ersatzstandorte halten wir DM1 (Amundsen Rim) für besonders attraktiv, da es Standorte mit durchweg hohen Durchschnittswerten für alle ausgewerteten Parameter bietet. Wir heben auch Standort 004 hervor, der sich am Rand des Shackleton-Kraters befindet und den unsere Analyse als einen der besten Landeplätze identifiziert hat.“

Wie bereits erwähnt, ist HLS eines der Hauptkriterien zur Bestimmung des optimalen Landeplatzes. Dort soll zum ersten Mal seit Apollo 17 im Jahr 1972 versucht werden, die ersten Menschen auf der Mondoberfläche zu landen. Allerdings ist HLS mit 50 Metern (160 Fuß) bzw. 5,5 Metern (17,9 Fuß) fast zehnmal höher als die Apollo-Landefähre. Das bedeutet, dass die Landung eines größeren Raumfahrzeugs seine eigenen Vorteile und Herausforderungen mit sich bringt.

Zum Kontext: Der ursprüngliche Entwurf des Apollo-Raumschiffs sah die Landung eines großen Raumschiffs auf der Mondoberfläche vor, was als Direktaufstieg bezeichnet wurde und für den Wernher von Braun zunächst eintrat. Die Direktaufstiegstechnik wurde jedoch zugunsten der Lunar Orbit Rendezvous (LOR)-Technik verworfen, die als weniger riskant gilt, da ein kleineres Raumschiff auf der Mondoberfläche landen muss.

Wenn also ein kleinerer Lander als HLS (also in Apollo-Größe) verwendet würde, welchen Einfluss hätte dies auf die Auswahl des Landeplatzes?

Dr. Peña-Asensio sagt gegenüber Universe Today: „Dies hätte direkte Auswirkungen auf unsere Ergebnisse, da wir Kriterien wie die Sonneneinstrahlung auf die Landesonde zum Aufladen der Energie, die Sichtbarkeit aus den Fenstern der Landesonde, um die Aktivitäten der Astronauten außerhalb des Fahrzeugs zu unterstützen und wissenschaftliche Untersuchungen innerhalb des Fahrzeugs zu ermöglichen, sowie die direkte Kommunikation mit der Erde berücksichtigt haben.

„Ein niedrigerer Lander könnte die Herausforderungen, die die lokale Topographie mit sich bringt, verstärken, indem er Sichtlinien und Sonnenlicht blockiert. Er könnte jedoch auch eine bessere Stabilität für den Lander bieten (durch Reduzierung seiner Schwerpunkthöhe), wodurch möglicherweise die Sicherheitsbeschränkungen für Geländehänge verringert werden und dadurch neue Landeplatzoptionen für die Erkundung eröffnet werden.“

Während über die Landeplätze der Artemis-III-Mission noch immer debattiert wird, plant die NASA derzeit, Artemis II Ende nächsten Jahres mit einer vierköpfigen Besatzung zu starten. Die Mission soll darin bestehen, den Mond zu umkreisen und wie Apollo 8 im Dezember 1968 zur Erde zurückzukehren.

Darüber hinaus unternimmt auch die kommerzielle Raumfahrtindustrie ihre eigenen Versuche, in der Nähe des Südpols des Mondes zu landen. Dies geschieht mit der bevorstehenden IM-2-Mission des Unternehmens Intuitive Machines, das Anfang des Jahres zum ersten Mal seit 1972 erfolgreich das erste amerikanische Raumschiff auf dem Mond landete.

Diese Studie zeigt, dass eine Vielzahl von Methoden zur Bestimmung optimaler Landeplätze für die Artemis-Missionen und möglicherweise auch für andere Missionen zu anderen Himmelskörpern im gesamten Sonnensystem eingesetzt werden kann. Insbesondere kommt dabei der Einsatz von Kartierungs- und maschinellen Lernalgorithmen zum Einsatz.

Während wir uns der Mission Artemis III und der ersten bemannten Landung seit Apollo 17 nähern, werden sich diese Methoden daher ständig weiterentwickeln und verbessern, um verbesserte Landemethoden zu entwickeln, während die Menschheit ihre Reise in den Kosmos fortsetzt.

Dr. Sánchez-Lozano erklärt gegenüber Universe Today: „Diese Forschung zeigt, wie Methoden aus dem Bereich technischer Projekte und der Geschäftswelt, wie etwa Techniken zur Entscheidungsfindung auf Basis mehrerer Kriterien, angewendet werden können, um Entscheidungsprobleme zu lösen, die für die internationale astronomische Gemeinschaft von Interesse sind, wie etwa die vorgeschlagene Fallstudie: die Auswahl des optimalen Landeplatzes für die Artemis-III-Mission.“