EEN MAANBASIS BOUWEN: DEEL 3 - STRUCTUREEL ONTWERP

Send

Het bouwen van de eerste maanbasis wordt de grootste uitdaging die de mensheid ooit is aangegaan. We kunnen al speculeren over de gevaren, natuurlijk en door de mens veroorzaakt, in verband met een menselijke aanwezigheid op het maanoppervlak. Als reactie hierop hebben we al enkele habitatstructuren in gedachten - variërend van opblaasbare structuren tot ondergrondse holen in oude lavagaten. Nu wordt het tijd dat we serieus beginnen met het ontwerpen van onze eerste habitatstructuur, ons beschermen tegen micrometeorieten, de druk op het land in stand houden en lokaal gewonnen materialen gebruiken waar we kunnen ...

In deel 1 van deze serie "Een maanbasis bouwen" hebben we gekeken naar enkele van de meer voor de hand liggende gevaren die samenhangen met het bouwen van een basis op een andere planeet. In deel 2 hebben we enkele van de huidige ontwerpconcepten voor de eerste bemande habitat op de maan onderzocht. De ontwerpen varieerden van opblaasbare structuren, habitats die in een baan om de aarde konden worden gebouwd en naar het maanoppervlak werden gedreven, tot bases die waren uitgehold uit oude lavabuizen onder het oppervlak. Alle concepten hebben hun voordelen, maar de primaire functie moet zijn om de luchtdruk te handhaven en het risico op catastrofale schade te verkleinen, mocht het ergste gebeuren. Dit derde deel van de serie behandelt het basisontwerp van een mogelijke maanbasis die de ruimte optimaliseert, maximaal gebruik maakt van lokaal gewonnen materialen en bescherming biedt tegen de constante dreiging van micrometeorieten ...

"Building a Moon Base" is gebaseerd op onderzoek van Haym Benaroya en Leonhard Bernold ("Engineering van maanbasissen“)

De belangrijkste factoren die structurele ontwerpen van habitats op de maan beïnvloeden, zijn:

Een zesde aardse zwaartekracht.
Hoge interne luchtdruk (om de door mensen ademende atmosfeer te behouden).
Stralingsafscherming (van de zon en andere kosmische straling).
Afscherming van micrometeoriet.
Harde vacuümeffecten op bouwmaterialen (d.w.z. uitgassen).
Lunaire stofverontreiniging.
Ernstige temperatuurgradiënten.

Naast het aanpakken van deze problemen, moeten de maanstructuren gemakkelijk te onderhouden, goedkoop, gemakkelijk te bouwen en compatibel zijn met andere maanhabitats / modules / voertuigen. Om een goedkope constructie te bereiken, moet zoveel mogelijk lokaal materiaal worden gebruikt. De grondstof voor goedkope constructie kan de overvloedige hoeveelheid regoliet zijn die gemakkelijk toegankelijk is op het maanoppervlak.

Het blijkt dat maanregolith veel nuttige eigenschappen heeft voor constructie op de maan. Als aanvulling op maanbeton (zoals eerder geïntroduceerd in Deel 2), kunnen basisconstructies worden gevormd uit gegoten regoliet. Cast regolith zou erg lijken op terrestrial cast basalt. Gemaakt door regolith in een mal te smelten en het langzaam te laten afkoelen, zou een kristallijne structuur ontstaan, wat resulteert in zeer samendrukbare en matig trekbare bouwcomponenten. Het hoge vacuüm op de maan zou het fabricageproces van het materiaal aanzienlijk verbeteren. We hebben hier ook ervaring op aarde met het maken van gegoten basalt, dus dit is geen nieuwe en niet-geteste methode. Basale habitatvormen konden worden vervaardigd met weinig voorbereiding van de grondstoffen. Elementen zoals balken, kolommen, platen, schalen, boogsegmenten, blokken en cilinders kunnen worden vervaardigd, waarbij elk element tien keer de druk- en treksterkte van beton heeft.

Het gebruik van cast regolith heeft veel voordelen. In de eerste plaats is het zeer taai en bestand tegen erosie door maanstof. Het zou het ideale materiaal kunnen zijn om lanceerplaatsen voor maanraketten te plaveien en puinschilden rond landingsplatforms te bouwen. Het kan ook een ideale afscherming zijn tegen micrometeorieten en straling.

OK, nu hebben we basis bouwmaterialen, van lokaal materiaal, die een minimale voorbereiding vereisen. Het is niet zo moeilijk voor te stellen dat het fabricageproces van regolith kan worden geautomatiseerd. Voordat een mens zelfs maar een voet op de maan zette, kon een basale, onder druk staande habitatschelp worden gecreëerd, wachtend op bezetting.

Maar hoe groot moet de leefomgeving zijn? Dit is een zeer moeilijke vraag om te beantwoorden, maar het resultaat is dat als een maanhabitat gedurende lange perioden wordt bewoond, het comfortabel moet zijn. In feite zijn er NASA-richtlijnen die stellen dat, voor missies van meer dan vier maanden, de minimum volume vereist door elk individu moet minimaal 20m zijn³ (van NASA Man Systems Integration
Standaarden, NASA STD3000, voor het geval je je dit afvroeg). Vergelijk de behoeften van langdurige bewoning op de maan met de korte termijn Gemini-missies halverwege de jaren zestig (afgebeeld). Het bewoonbare volume per bemanningslid in Tweelingen was een gezellige 0,57 m³... gelukkig waren deze vroege verkenningen in de ruimte kort. Ondanks de NASA-voorschriften is het aanbevolen volume per bemanningslid 120 m³, ongeveer hetzelfde als de leefruimte op het International Space Station. In toekomstige habitats op de maan zal een vergelijkbare ruimte nodig zijn voor het welzijn van de bemanning en het succes van de missie.

Vanuit deze richtlijnen kunnen habitatontwerpers werken aan hoe ze dit levende volume het beste kunnen creëren. Het is duidelijk dat vloeroppervlak, hoogte en functionaliteit van leefgebieden moeten worden geoptimaliseerd, en dat ruimte voor uitrusting, levensondersteuning en opslag in aanmerking moet worden genomen. In een basisontwerp voor leefgebieden door F. Ruess, J. SchÃ¤nzlin en H. Benaroya uit een publicatie getiteld "Structureel ontwerp van een maanhabitat"(Journal of Aerospace Engineering, 2006), wordt een halfcirkelvormige" hangar "-vorm overwogen (afgebeeld).

De vorm van een dragende boog is een nauwe bondgenoot voor bouwkundig ingenieurs, en van bogen wordt verwacht dat ze een belangrijk onderdeel zijn voor het ontwerp van habitats, omdat structurele spanningen gelijkmatig kunnen worden verdeeld. Natuurlijk moeten architectonische beslissingen zoals de stabiliteit van het onderliggende materiaal en de hellingshoek worden genomen bij het bouwen van de habitatfunderingen, maar dit ontwerp zal naar verwachting veel van de problemen in verband met maanconstructie aanpakken.

De grootste druk op het "hangar" -ontwerp zal komen van interne druk die naar buiten werkt en niet van de zwaartekracht die naar beneden werkt. Aangezien het interieur van de leefomgeving bij terrestrische druk moet worden vastgehouden, zou de drukgradiënt van binnen naar het vacuüm van de buitenkant een enorme druk op de constructie uitoefenen. Hier wordt de boog van de hangar essentieel, er zijn geen hoeken en daarom kunnen geen zwakke plekken de integriteit aantasten.

Er worden nog veel meer factoren overwogen, waaronder een aantal complexe spannings- en rekberekeningen, maar de bovenstaande beschrijving geeft een voorproefje van wat constructeurs moeten overwegen. Door uit rigide regolith een starre habitat te construeren, kunnen de bouwstenen voor een stabiele constructie worden gebouwd. Voor extra bescherming tegen zonnestraling en micrometeorieten konden deze gebogen habitats naast elkaar worden gebouwd, onderling verbonden. Zodra een reeks kamers is gebouwd, kan er een losse regoliet bovenop worden gelegd. De dikte van de gegoten regoliet wordt ook geoptimaliseerd, zodat de dichtheid van het gefabriceerde materiaal extra bescherming kan bieden. Misschien kunnen grote platen gegoten regoliet er bovenop worden gelaagd.

Zodra de basis habitatmodules zijn gebouwd, kan de lay-out van de nederzetting beginnen. Lunaire "stadsplanning" zal een andere complexe taak zijn en er moeten veel moduleconfiguraties worden overwogen. Vijf hoofdmoduleconfiguraties zijn gemarkeerd: Lineair, Binnenplaats, Radiaal, Vertakking en Cluster.

De infrastructuur van de toekomstige maanregeling is echter afhankelijk van vele factoren en zal in de volgende tranche worden voortgezet.