In weniger als drei Jahren werden zum ersten Mal seit der Apollo-Ära Astronauten zum Mond zurückkehren. Als Teil des Artemis-Programms besteht der Zweck nicht nur darin, bemannte Missionen zurück zur Mondoberfläche zu schicken, um zu erforschen und Proben zu sammeln. Diesmal gibt es auch das Ziel, eine lebenswichtige Infrastruktur (wie die Mondtor und ein Basislager ), die eine „nachhaltige Monderkundung“ ermöglichen wird.
Eine wesentliche Voraussetzung für diesen ambitionierten Plan ist die Stromversorgung, die in Regionen wie der Südpol-Aitken-Becken – eine Kraterregion, die dauerhaft im Schatten liegt. Um dies anzugehen, hat ein Forscher des NASA Langley Research Center namens Charles Taylor ein neuartiges Konzept vorgeschlagen, das als „ Lichtbieger .“ Unter Verwendung einer Teleskopoptik würde dieses System das Sonnenlicht auf dem Mond einfangen und verteilen.
Das Light Bender-Konzept war einer von 16 Vorschlägen, die für Phase I des 2021 Innovative fortschrittliche Konzepte der NASA (NIAC)-Programm, das von der NASA überwacht wird Missionsdirektion Raumfahrttechnologie (STMD). Wie bei früheren NIAC-Einreichungen repräsentieren die ausgewählten Vorschläge ein breites Spektrum innovativer Ideen, die dazu beitragen könnten, die Ziele der Weltraumforschung der NASA zu erreichen.
Konzeptuelle Darstellung von dauerhaft beschatteten, flachen Eiskratern in der Nähe des Mondsüdpols. Credits: UCLA/NASA
In diesem Fall geht der Vorschlag von Light Bender auf die Bedürfnisse von Astronauten ein, die an den Artemis-Missionen teilnehmen werden, und die „ Langfristige Präsenz auf der menschlichen Mondoberfläche “, das wird folgen. Das Design für Taylors Konzept wurde vom Heliostat inspiriert, einem Gerät, das sich anpasst, um die scheinbare Bewegung der Sonne am Himmel zu kompensieren, sodass es das Sonnenlicht weiterhin auf ein Ziel reflektiert.
Im Fall des Light Bender wird eine Cassegrain-Teleskopoptik verwendet, um das Sonnenlicht einzufangen, zu konzentrieren und zu fokussieren, während eine Fresnel-Linse verwendet wird, um Lichtstrahlen zur Verteilung auf mehrere Quellen auszurichten, die sich in Entfernungen von 1 km (0,62 Meilen) oder mehr befinden. Dieses Licht wird dann von Photovoltaik-Arrays mit einem Durchmesser von 2 bis 4 m (~6,5 bis 13 ft) empfangen, die das Sonnenlicht in Strom umwandeln.
Zusätzlich zu Habitaten ist der Light Bender in der Lage, Kryo-Kühleinheiten und mobile Geräte wie Rover mit Strom zu versorgen. Diese Art von Array könnte auch eine wichtige Rolle bei der Schaffung einer lebenswichtigen Infrastruktur spielen, indem sie Elemente der In-Situ-Ressourcennutzung (ISRU) mit Strom versorgt, wie z Oberflächenstrukturen aufbauen). Wie Taylor in seiner NIAC-Phase-I-Vorschlagserklärung beschrieb:
„Dieses Konzept ist Alternativen wie dem hoch ineffizienten Laser Power Beaming überlegen, da es Licht nur einmal in Strom umwandelt, und traditionellen Stromverteilungsarchitekturen, die auf masseintensiven Kabeln beruhen. Das Wertversprechen von Light Bender ist eine ~5-fache Massenreduzierung gegenüber herkömmlichen technologischen Lösungen wie Laser Power Beaming oder einem Verteilungsnetz, das auf Hochspannungskabeln basiert.“
Illustration eines konzeptionellen Kernenergiesystems auf dem Mond. Credits: NASA
Aber der vielleicht größte Anziehungspunkt für ein solches System ist die Art und Weise, wie es Stromsysteme auf dauerhaft beschattete Krater der Mondoberfläche verteilen kann, die in der südlichen Polarregion des Mondes üblich sind. In den kommenden Jahren hoffen mehrere Weltraumbehörden – darunter NASA, ESA, Roscomos und die China National Space Agency (CNSA) – aufgrund des Vorhandenseins von Wassereis und anderen Ressourcen langfristige Lebensräume in der Region zu schaffen.
Auch die Leistung des Systems ist vergleichbar mit der Kilopower Konzept, ein vorgeschlagenes Kernspaltungsenergiesystem, das langfristige Aufenthalte auf dem Mond und anderen Körpern ermöglichen soll. Dieses System wird Berichten zufolge eine Leistung von 10 Kilowatt-elektrisch (kWe) bereitstellen – das entspricht eintausend Watt elektrischer Leistung.
„Im ursprünglichen Design fängt der Hauptspiegel das Äquivalent von fast 48 kWe Sonnenlicht ein“, schreibt Taylor. „Die elektrische Leistung des Endverbrauchers hängt von der Entfernung vom primären Sammelpunkt ab, aber Analysen der Rückseite der Hülle deuten darauf hin, dass mindestens 9 kWe Dauerstrom innerhalb von 1 km verfügbar sind.“
Darüber hinaus betont Taylor, dass die Gesamtleistung, die das System erzeugen kann, skalierbar ist. Grundsätzlich kann sie durch einfaches Ändern der Größe des primären Sammelelements, der Größe der Empfängerelemente, des Abstands zwischen den Knoten oder einfach durch eine Erhöhung der Gesamtzahl der Sonnenkollektoren auf der Oberfläche erhöht werden. Mit der Zeit und dem Hinzufügen weiterer Infrastruktur zu einer Region kann das System skaliert werden, um sich anzupassen.
Illustration von NASA-Astronauten auf dem Mondsüdpol. Bildnachweis: NASA
Wie bei allen Vorschlägen, die für Phase I des NIAC-Programms 2021 ausgewählt wurden, erhält Taylors Konzept einen Zuschuss der NASA in Höhe von bis zu 125.000 US-Dollar. Alle Phase-I-Stipendiaten befinden sich jetzt in einer anfänglichen neunmonatigen Machbarkeitsstudie, in der die Designer verschiedene Aspekte ihrer Entwürfe bewerten und vorhersehbare Probleme angehen, die sich auf den Betrieb der Konzepte auswirken könnten, sobald sie im Südpol-Aitken-Becken tätig sind.
Taylor wird sich insbesondere darauf konzentrieren, wie die optische Linse basierend auf verschiedenen Designs, Materialien und Beschichtungen verbessert werden könnte, die zu akzeptablen Lichtausbreitungsniveaus führen würden. Außerdem wird er prüfen, wie die Linse so konstruiert werden könnte, dass sie sich beim Erreichen der Mondoberfläche autonom entfalten kann. Mögliche Methoden für den autonomen Einsatz werden Gegenstand weiterer Studien sein.
Im Anschluss an die Design-/Machbarkeitsstudie wird eine Bewertung architektonischer Alternativen für Light Bender im Kontext einer Mondbasis in der Nähe des Südpols des Mondes während anhaltender Mondoberflächenoperationen durchgeführt. Der wichtigste Verdienstfaktor wird die Minimierung der angelandeten Masse sein. Es werden Vergleiche mit bekannten Energieverteilungstechnologien wie Kabeln und Laserleistungsstrahlen angestellt.
Nach Abschluss dieser Machbarkeitsstudien können sich der Light Bender und andere Phase-I-Stipendiaten für Phase-II-Preise bewerben. Sagte Jenn Gustetic, Direktorin für Innovationen und Partnerschaften in der Frühphase innerhalb des Space Technology Mission Directorate (STMD) der NASA:
„NIAC-Stipendiaten sind dafür bekannt, große Träume zu haben und Technologien vorzuschlagen, die an Science-Fiction zu grenzen scheinen und sich von der Forschung unterscheiden, die von anderen Agenturprogrammen finanziert wird. Wir erwarten nicht, dass sie alle zum Tragen kommen, sind uns jedoch bewusst, dass die Bereitstellung eines kleinen Betrags an Startkapital für die frühe Forschung der NASA auf lange Sicht großen Nutzen bringen könnte.“