In den kommenden Jahren werden zum ersten Mal seit Schließung des Weltraums Astronauten zum Mond zurückkehren Apollo-Ära . Darüber hinaus planen die NASA und andere Weltraumbehörden, die notwendige Infrastruktur aufzubauen, um dort eine menschliche Präsenz aufrechtzuerhalten. Dies beinhaltet die Artemis-Gateway im Orbit (ehemals Lunar Gateway) und Basen auf der Oberfläche, wie die der NASA Artemis-Basislager und die ESAs Internationales Monddorf .
Dies bringt eine Reihe von Herausforderungen mit sich. Der Mond ist ein luftleerer Körper, er unterliegt extremen Temperaturschwankungen und seine Oberfläche ist viel mehr Strahlung ausgesetzt als wir hier auf der Erde erleben. Dazu kommt der Mondstaub (auch Regolith genannt), ein feines Pulver, das an allem haftet. Um dieses spezielle Problem anzugehen, hat ein Team von ESA-geführte Forscher entwickelt Materialien, die Mondforschern einen besseren Schutz bieten.
Während der Apollo-Missionen war Mondstaub das größte betriebliche Problem für die Astronauten. Innerhalb weniger Tage litten ihre Raumanzüge unter verdeckten Visieren, verstopften Mechanismen und Erosion in den Schichten ihrer Anzüge. Dies ergibt sich aus der besonderen Natur des Mondregoliths, der gezackt, extrem fein und elektrostatisch aufgeladen ist (was dazu führt, dass er an Oberflächen haftet).
Mikroskopische Nahaufnahme simulierter Mondstaubproben (a) EAC-1A, (b) LHS-1 und (c) LMS-1. Bildnachweis: ESA
Ursprünge des Mondstaubs
Da der Mond ein luftloser Körper ist und keinen Niederschlag erfährt, hat Regolith auf seiner Oberfläche nicht den Vorteil geologischer Prozesse (Wind- und Wassererosion), die ihn im Laufe der Zeit glätten würden. Infolgedessen haben Milliarden Jahre des Bombardements von Mikrometeoriten einen Großteil der Oberfläche in feine Partikel mit rasiermesserscharfen Kanten pulverisiert.
Währenddessen wird der Staub durch die Sonnenstrahlen (die nicht von einer Atmosphäre gefiltert werden) stark statisch aufgeladen. Wie ESA-Bauingenieur Shumit Das kürzlich in einer ESA Pressemitteilung :
„Je nach Herkunftsgebiet kann der Staub sehr unterschiedliche chemische und abrasive Eigenschaften aufweisen, wobei seine genauen Eigenschaften je nach gewähltem Landeplatz ein weiterer Grund zur Besorgnis sind.
„Eine der wichtigsten Erkenntnisse von Apollo war, dass die Abriebwirkung des Mondregoliths der größte limitierende Faktor bei der Rückkehr zum Mond sein würde. Wir wollen das überwinden und Raumanzüge ermöglichen, die für viel mehr Weltraumspaziergänge als die wenigen pro Apollo-Landung verwendet werden könnten – bis zu 2.500 Stunden Oberflächenaktivität ist unsere Annahme.“
Nachdem er das erste Stiefelabdruckfoto gemacht hatte, ging Aldrin näher an den kleinen Felsen heran und machte diese zweite Aufnahme. Der staubige, sandige Kiesboden wird auch als „Regolith“ des Mondes bezeichnet. Quelle: NASA
Gefahrgut
Als die Apollo-Missionen stattfanden, stellten Astronauten fest, dass Regolith bei außerfahrzeuglichen Aktivitäten (EVAs) ein ständiges Problem war und es auch sehr schwer war, es aus ihren Apollo-Mondlandefähren (ALMs) herauszuhalten. Mondregolith ist nicht nur gefährlich für die Anzüge und Ausrüstung von Astronauten, sondern stellt auch eine ernsthafte Gefahr für die Gesundheit der Astronauten dar.
In einem 2005 NASA-Studie , wurden Berichte von den sechs Apollo-Missionen untersucht, um die Gesamtwirkungen von Mondstaub auf EVA-Systeme zu bewerten. Am Ende kamen sie zu dem Schluss, dass die bedeutendsten Risiken „Verdunkelung des Sehvermögens, falsche Instrumentenmesswerte, Staubbeschichtung und Kontamination, Traktionsverlust, Verstopfung der Mechanismen, Abrieb, Probleme mit der thermischen Kontrolle, Versagen der Dichtung sowie Einatmen und Reizung“ waren.
Es gibt auch viele anekdotische Beweise von den Apollo-Astronauten, die darauf hinweisen, dass Mondstaub bei Landungen eine große Gefahr darstellte. Nach seiner Rückkehr von der Apollo-11-Mission beschrieb Neil Armstrong, wie es war, das Eagle-Lander-Modul zu landen:
„In einer Entfernung von weniger als 30 Metern begannen wir, eine transparente Staubschicht zu sehen, die die Sicht ein wenig verdeckte. Als wir tiefer wurden, nahm die Sichtbarkeit weiter ab.“
Astronaut Buzz Aldrin läuft während der Apollo-11-Mission auf der Mondoberfläche in der Nähe des Beins der Mondlandefähre Eagle. Bildnachweis: NASA
Pete Conrad, der Kommandant der Apollo 12-Mission, charakterisierte den Mondstaub folgendermaßen:
„Ich denke, eine der ärgerlichsten und einschränkendsten Facetten der Mondoberflächenerkundung ist der Staub und seine Haftung an allem, egal welche Art von Material, sei es Haut, Anzugmaterial, Metall, egal was es ist, und seine einschränkende Reibung -ähnliche Aktion für alles, was passiert.“
„Die Anzugsintegrität ist gut geblieben, aber ich habe keinen Zweifel, dass mit ein paar weiteren EVAs etwas zum Stillstand gekommen wäre. In dem Bereich, in dem die Mondstiefel auf die Anzüge passten, trugen wir die Oberbekleidung durch und begannen, die Mylar zu tragen.“
Mondregolith ist auch für Maschinen gefährlich, wie der chinesische Rover Yutu-1 gezeigt hat, der während seiner zweiter Betriebstag (11. Januar 2014). Während die Situation gelöst wurde und der Rover noch mehrere Monate in Betrieb war, gaben die chinesischen Behörden an, dass der Rover „eine Fehlfunktion des Steuerkreises in seiner Antriebseinheit erlitten“ hatte, die vermutlich auf das Eindringen von Staub zurückzuführen war.
Dieses Bild zeigt viele Details des Yutu-Rovers. Quelle: CAS/CNSA/The Science and Application Center for Moon and Deep Space Exploration/Emily Lakdawalla.
Je nachdem, woher der Staub auf dem Mond kommt, kann er sehr unterschiedliche chemische und abrasive Eigenschaften haben. Die genaue Kenntnis der Eigenschaften von Mondstaub an einem bestimmten Ort ist daher für die Auswahl eines Landeplatzes unabdingbar. Als ESA-Konstrukteur Shumit Das erklärt :
„Eine der wichtigsten Erkenntnisse von Apollo war, dass die Abriebwirkung des Mondregoliths der größte limitierende Faktor bei der Rückkehr zum Mond sein würde. Wir wollen das überwinden und Raumanzüge ermöglichen, die für viel mehr Weltraumspaziergänge als die wenigen pro Apollo-Landung verwendet werden könnten – bis zu 2.500 Stunden Oberflächenaktivität ist unsere Annahme.“
Testen neuer Materialien
Inspiriert von den Apollo-Missionen ist die ESA eine Partnerschaft mit dem französischen Innovations- und Technologieentwickler eingegangen Comex , das Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung , und die Citizen-Science-Organisation the Österreichisches Weltraumforum neue Materialien zu entwickeln, die der Mondumgebung standhalten. Wie Malgorzata Holynska, eine Material- und Verfahrensingenieurin der ESA, kürzlich in einer ESA Pressemitteilung :
„Dabei entstand die Idee, dass wir bei der Rückkehr der ESA zum Mond die vielen Innovationen im Materialbereich seit der Entwicklung der Apollo-Raumanzüge vor mehr als einem halben Jahrhundert nutzen sollten.“
„Obwohl wir derzeit keinen neuen Raumanzug entwickeln, prüfen wir die Auswahl geeigneter Materialien für einen solchen Anzug – sowie Schutzhüllen für Rover oder ortsfeste Maschinen und Infrastruktur – und führen einige hochmoderne Maßnahmen durch Tests, um zu sehen, wie sie gegen simulierte Mondbedingungen, insbesondere Mondstaub, standhalten.“
Künstlerische Darstellung von Oberflächenoperationen auf dem Mond. Bildnachweis: NASA
Im vergangenen Jahr organisierte die ESA einen Workshop, bei dem verschiedene Materialanbieter zusammenkommen konnten, um mögliche Optionen basierend auf den neuesten Fortschritten zu diskutieren. Schließlich wurde entschieden, dass eine mehrschichtige Lösung gewählt werden musste, da kein Material die Aufgabe allein erfüllen kann. Bleibt nur noch die Frage, welche Kombination von Funktionsschichten am besten funktioniert und wie man sie am besten verbindet?
„Wir testen diese verschiedenen Stacks dann anhand von Kriterien, die von unseren Kollegen von der ESA-Direktion für Roboter- und Humanforschung beigesteuert wurden“, fügte Holynska hinzu. „Die Herausforderung hier besteht darin, die Tests so robust wie möglich zu gestalten, um glaubwürdige Ergebnisse zu erzielen, die unsere Wahl der Kompromisse und der Daunenauswahl leiten.“
Die DITF führt den Großteil der Projekttests durch. Dazu gehören Abriebtests, bei denen eine Probe des Materials in einen Becher mit Steinen aus simuliertem Mondregolith gelegt wird, um zu sehen, wie es mit den physikalischen und chemischen Wechselwirkungen umgeht. Der simulierte Regolith (genannt EAC-1A ) wurde aus vulkanischem Boden geschaffen und von der ESA bereitgestellt Europäisches Astronautenzentrum in Deutschland.
Als nächstes gibt es die üblichen Permeabilitätstests, bei denen Materialproben mit Hochdruckflüssigkeit beaufschlagt werden, um zu sehen, ob sie die Fasern durchdringt. In der Entwicklung befindet sich auch eine Temperaturwechselprüfkammer, die das Material extremen Temperatur- und Vakuumbedingungen aussetzt. Das Testprogramm ist vielfältig, sodass der gesamte Lebenszyklus zukünftiger Raumanzüge von der Lagerung bis zur Verwendung für Weltraumspaziergänge untersucht werden kann. Shumit erklärt:
„Zukünftige Anzüge würden normalerweise auf der Gateway in der Mondumlaufbahn zwischen Oberflächen-EVAs. Wir müssen wissen, dass Anzugdichtungen, Gummi oder andere Elemente durch die Lagerzeit nicht abgebaut werden, also auch beschleunigte Alterungstests, einschließlich Feuchtigkeits- und Strahlenbelastung.“
Künstlerische Darstellung des Gateways im Orbit um den Mond, im Hintergrund die Erde hängend. Bildnachweis: NASA
Im Jahr 2024 schickt die NASA Astronauten mit demArtemis IIIMission. Bis 2028 wollen sie die Montage des Artemis Gateway im Orbit und des Artemis Base Camp an der Oberfläche abgeschlossen haben, um ein „Programm für nachhaltige Monderkundung“ zu schaffen. Die ESA ist dabei ein wichtiger Partner und plant auch den Bau einer Mondbasis als „Nachfolger der ISS“.
Um längere Zeit mit Leben, Arbeiten und Erkunden verbringen zu können, benötigen Astronauten die gesamte Technologie, Ausrüstung und Infrastruktur, die sie benötigen, um unter Mondbedingungen sicher zu bleiben. Ein Schlüsselelement bei all dem sind die Raumanzüge, die Astronauten während EVAs tragen werden, die ihren einzigen Schutz vor den Elementen und allen Naturgefahren des Mondes darstellen.
Dieses Projekt wird von der ESA unterstützt Technologieentwicklungselement (TDE), ein Pflichtprogramm, das alle Tätigkeitsfelder der ESA unterstützt. Es war auch Gegenstand einer Studie von Comex-Forschern, die in der Zeitschrift vorgestellt wurde Fortschrittliche Materialtechnologien – mit dem Titel „ Fortschrittliche Materialien für den zukünftigen Mond-Raumanzug für extravehiculare Aktivitäten '
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