På mindre än tre år, Astronauter kommer att återvända till månen för första gången sedan Apollo-eran. Som en del av Artemis-programmet, Syftet är inte bara att skicka besättningsuppdrag tillbaka till månens yta för att utforska och samla in prover. Vid den här tiden, det finns också målet att etablera vital infrastruktur (som Lunar Gateway och ett basläger) som kommer att möjliggöra "uthållig månutforskning."

Ett nyckelkrav för denna ambitiösa plan är tillhandahållandet av kraft, vilket kan vara svårt i regioner som Sydpolen-Aitken-bassängen – en kraterregion som är permanent skuggad. För att ta itu med detta, en forskare från NASA Langley Research Center vid namn Charles Taylor har föreslagit ett nytt koncept som kallas "Light Bender". Med hjälp av teleskopoptik, detta system skulle fånga och distribuera solljus på månen.

Light Bender-konceptet var ett av 16 förslag som valdes ut för Fas I av 2021 NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC)-programmet, som övervakas av NASA:s Space Technology Mission Directorate (STMD). Som med tidigare NIAC-inlämningar, de förslag som valdes ut representerar ett brett utbud av innovativa idéer som kan bidra till att främja NASA:s mål för rymdutforskning.

I detta fall, Light Bender-förslaget tar upp behoven hos astronauter som kommer att ingå i Artemis-uppdragen och den "långsiktiga mänskliga månens yta" som kommer att följa. Designen för Taylors koncept var inspirerad av heliostaten, en enhet som justerar för att kompensera för solens skenbara rörelse på himlen så att den fortsätter att reflektera solljus mot ett mål.

När det gäller Light Bender, Cassegrain-teleskopoptik används för att fånga, koncentrera, och fokusera solljus medan en Fresnel-lins används för att rikta in ljusstrålar för distribution till flera källor placerade på avstånd av 1 km (0,62 mi) eller mer. Detta ljus tas sedan emot av solcellspaneler som mäter 2 till 4 m (~6,5 till 13 fot) i diameter som omvandlar solljuset till elektricitet.

Förutom livsmiljöer, Light Bender kan ge kraft till kryokylningsenheter och mobila tillgångar som rovers. Denna typ av array kan också spela en viktig roll i skapandet av vital infrastruktur genom att tillhandahålla kraft till in-situ resursutnyttjande (ISRU) element, såsom fordon skördar lokal regolit för användning i 3D-skrivarmoduler för att bygga ytstrukturer. Som Taylor beskrev i sitt NIAC Fas I-förslag:

"Detta koncept är överlägset alternativ som mycket ineffektiv laserstrålning, eftersom den bara omvandlar ljus till elektricitet en gång, och till traditionella kraftdistributionsarkitekturer som förlitar sig på massintensiva kablar. Värdet för Light Bender är en massminskning på ~5 gånger jämfört med traditionella tekniska lösningar som laserstrålning eller ett distributionsnätverk baserat på högspänningskablar."

Men det kanske största draget med ett sådant system är hur det kan distribuera kraftsystem till permanent skuggade kratrar på månens yta, som är vanliga i månens södra polarområde. Under de kommande åren, flera rymdorganisationer, inklusive NASA, ESA, Roscomos, och China National Space Agency (CNSA) – hoppas kunna etablera långsiktiga livsmiljöer i området på grund av närvaron av vattenis och andra resurser.

Kraftnivån som systemet ger är också jämförbar med Kilopower-konceptet, ett föreslaget kärnklyvningskraftsystem utformat för att möjliggöra långvariga vistelser på månen och andra kroppar. Detta system ska enligt uppgift ge en effektkapacitet på 10 kilowatt-elektrisk (kWe) - motsvarande tusen watts elektrisk kapacitet.

"I den ursprungliga designen, primärspegeln fångar upp motsvarande nästan 48 kWe solljus, " skriver Taylor. "Slutanvändarens elektriska effekt är beroende av avståndet från den primära insamlingspunkten, men baksidan av kuvertet analyser tyder på att minst 9kWe kontinuerlig kraft kommer att vara tillgänglig inom 1 km."

Ovanpå allt det, Taylor betonar att den totala mängden ström som systemet kan generera är skalbar. I grund och botten, det kan ökas genom att helt enkelt ändra storleken på det primära samlingselementet, storleken på mottagarelementen, avståndet mellan noderna, eller genom att bara öka det totala antalet solfångare på ytan. Allt eftersom tiden går och mer infrastruktur läggs till i en region, systemet kan skalas för att anpassas.

Som med alla förslag som valdes ut för Fas I av 2021 NIAC-programmet, Taylors koncept kommer att få ett NASA-bidrag för upp till $125, 000. Alla Fas I-stipendiater befinner sig nu i en första nio månader lång förstudieperiod, där formgivarna kommer att utvärdera olika aspekter av sina konstruktioner och ta itu med förutsebara problem som kan påverka verksamheten på koncepten när de väl är verksamma i South Pole-Aitken Basin.

Särskilt, Taylor kommer att fokusera på hur den optiska linsen kan förbättras baserat på olika konstruktioner, material, och beläggningar som skulle resultera i acceptabla nivåer av ljusutbredning. Han kommer också att utvärdera hur linsen skulle kunna utformas på ett sådant sätt att den kan utlösas autonomt när den når månens yta. Möjliga metoder för autonomt utplacering kommer att bli föremål för efterföljande studier.

Efter design-/förstudien, en utvärdering av arkitektoniska alternativ för Light Bender kommer att utföras i samband med en månbas belägen nära månens sydpol under ihållande månytoperationer. Det primära meritvärdet kommer att vara minimeringen av landmassan. Jämförelser kommer att göras med kända kraftdistributionsteknologier såsom kablar och lasereffektstrålning.

Efter att dessa förstudier är klara, Light Bender och andra Phase I Fellows kommer att kunna ansöka om Fas II-priser. Sa Jenn Gustetic, chefen för innovationer och partnerskap i tidiga skeden inom NASA:s Space Technology Mission Directorate (STMD):

"NIAC Fellows är kända för att drömma stort, föreslår tekniker som kan tyckas gränsa till science fiction och som skiljer sig från forskning som finansieras av andra byråprogram. Vi förväntar oss inte att de alla kommer att förverkligas men inser att tillhandahållande av en liten del av såddfinansiering för tidig forskning kan gynna NASA mycket på lång sikt."