Inom en snar framtid kommer NASA, Europeiska rymdorganisationen (ESA), Kina och Roscosmos alla att åka besättningsuppdrag till månen. Detta kommer att vara första gången astronauter har gått på månens yta sedan Apollo-eran. Men till skillnad från "loppet till månen" är målet med dessa program inte att komma dit först och bara lämna några få experiment och landningsflygplan bakom sig (d.v.s. "footprints and flags"-uppdrag), utan att etablera en varaktig mänsklig närvaro på månens yta. Det innebär att skapa livsmiljöer på ytan och i omloppsbana som kan användas av roterande besättningar.

Medan NASA och andra rymdorganisationer har för avsikt att utnyttja lokala resurser så mycket som möjligt - en process som kallas in-situ resursanvändning (ISRU) - kommer att skapa månbaser fortfarande att kräva massor av material och maskiner för att skickas från jorden. I en nyligen genomförd studie granskade Philip Metzger och Greg Autry kostnaden och energiförbrukningen för att bygga landningsplattor på månens yta. Efter att ha övervägt olika konstruktionsmetoder kom de fram till att en kombination av additiv tillverkning och polymerinfusion var det mest effektiva och kostnadseffektiva sättet.

Philip Metzger är en associerad forskare med Florida Space Institute (FSI) vid University of Central Florida (UCF), en före detta senior forskningsfysiker vid NASA:s Kennedy Space Center (KSC) och en av grundarna av KSC Swamp Works. Greg Autry är en klinisk professor i rymdledarskap, policy och affärer vid Thunderbird School of Global Management vid Arizona State University (ASU) och ordförande för Commercial Space Transportation Advisory Committee (COMSTAC) Safety Working Group vid Federal Aviation Administration ( FAA).

För sin studie undersökte Metzger och Autry olika metoder för att bygga landningsplattor på månens yta. Varje metod utvärderades utifrån tre huvudfaktorer:behovet av att transportera stora mängder massa från jorden, nivån på energiförbrukningen på månens yta och tiden det skulle ta att slutföra konstruktionen. Var och en av dessa faktorer bidrar (direkt eller indirekt) till den totala kostnaden för månaktiviteter.

Bland deras resultat fastställde Metzger och Autry att två variabler är de viktigaste när man utvärderar byggmetoder i rymden:transportkostnader och förseningar som byggprocessen medför. Som Metzger förklarade för Universe Today via e-post:

"Jag blev förvånad över att komplexiteten och tillförlitligheten i byggprocessen inte spelade någon större roll. Ett komplext system kommer att behöva cirka 50 % mer förhandsinvesteringar för att göra det lika tillförlitligt som de enklare metoderna, och en kostnadsökning på 50 % låter. gillar mycket, men jämfört med kostnaden för måntransport och värdeförlusten om du dröjer med att göra saker på månen, visar det sig att 50 % mer utvecklingskostnad är helt oväsentligt.

"Så om du uppfinner en mer komplex metod för att göra saker, och den metoden är snabbare och mindre massa än tidigare metoder, så är det värt det. Det går emot vår naturliga tendens som rymdteknologer. Vi tycker att det är bättre att hålla saker enklare, och vi tror att när vi opererar långt borta på månen är det ännu viktigare att hålla saker och ting enkla. Men när vi ser på det ur ett ekonomiskt perspektiv visar sig den känslan inte vara sann. I månens ekonomiska miljö verksamhet, högre teknik är värt den större initiala investeringen."

De fann vidare att tjockleken på dynorna, den termiska miljön (som varierar mellan den inre och yttre dynan) och lanseringskadensen för månprogrammet också var viktiga faktorer för att fastställa praktiska begränsningar för byggtiden. Kort sagt, kostnadseffektiviteten för varje metod beror på kostnaden per kilo för att sjösätta nyttolaster och konstruktionshastigheten. De ansåg flera utifrån energikraven och hur detta skulle variera beroende på den termiska miljön.

De övervägde särskilt de senaste innovationerna inom additiv tillverkning (3D-utskrift) och ISRU, som har varit föremål för forskning av NASA och ESA i många år. När de är anpassade till månens yta inkluderar metoder att värma regolit med mikrovågor för att skapa en smält keramik (aka. "sintring") som sedan skrivs ut och stelnar vid kontakt med den luftlösa månmiljön, eller tillsätter ett bindemedel till regoliten (som cement). eller en polymer) för att skapa "lunarcrete."

"Vissa metoder kräver enorma mängder energi, vilket kräver tunga energisystem på månen. Andra metoder kräver många ton bindemedel som hämtas från jorden till stora kostnader. Ändå är andra väldigt, väldigt långsamma processer. Vi ville se hur dessa olika faktorer påverkar jämföra med varandra när vi ser det ur ett ekonomiskt perspektiv.

"Vi omvandlade allt till en verklig kostnad:kostnaden för att transportera massa från jorden; kostnaden för energi som levereras på månen; förlusten av ekonomiskt värde om vi tar lång tid att bygga. Om vi ​​satte ihop allt kunde vi se vilken konstruktion metoder ger det bästa värdet för månoperationer."

De fann att mikrovågssintring gav den bästa kombinationen av låg massa och hög hastighet jämfört med andra metoder. Detta gällde särskilt för att bygga den inre, högtemperaturzonen av månlandningsplattan (där start- och landningsraketbrännor inträffar). Denna metod är också den mest fördelaktiga för att bygga den yttre lågtemperaturzonen om och när transportkostnaderna är höga.

Men i händelse av att transportkostnaderna till månens ansikte kan hållas på $110 per kg (cirka $50 per lb), bytte den mest kostnadseffektiva metoden till polymerinfusion. De producerade också uppskattningar av den totala kostnaden för att bygga Artemis Base Camp (229 miljoner USD) - den yta som NASA har för avsikt att bygga runt Sydpolen-Aitken Basin. Dessa var baserade på förbehållet att transportkostnaderna kommer att sjunka från deras nuvarande hastighet på 1 miljon USD per kg (454 545 USD per lbs) till 300 000 USD per kg (~ 136 360 USD per lbs).

Metzger sa:"Vi fann att kostnaden för att bygga en landningsplatta under NASA:s Artemis-program är ganska överkomlig - ungefär samma kostnad som en NASA Discovery-klass rymdfarkost ($300 miljoner). Det är en liten kostnad jämfört med många andra delar av en program för mänskliga rymdfärder. För den kostnaden kommer programmet att skapa den första permanenta anläggningen byggd på en annan värld, och det kommer också att leverera byggrobotarna till månen, så att de kan börja utföra andra uppgifter som att bygga mänskliga livsmiljöer."

Dessa uppskattningar sjunker till 130 miljoner USD om transportkostnaderna kan sänkas ytterligare till 100 000 USD per kg (45 455 USD per lbs) eller till 47 MUSD om de faller under 10 000 USD per kg (4 545 USD per lb). I slutändan visade Metzger och Autry att en månbas kunde byggas överkomligt, och prislappen kommer att bero på i vilken utsträckning lanseringskostnaderna fortsätter att minska under de kommande åren. Dessa fynd är av särskild betydelse med tanke på antalet rymdorganisationer som vill bygga utposter i Sydpolen-Aitken-bassängen under detta decennium och nästa.

Utöver Artemis Base Camp planerar ESA att skapa en permanent bas känd som International Moon Village. Som en andlig efterträdare till den internationella rymdstationen (ISS), skulle denna bas rymma roterande besättningar av astronauter, långvariga vistelser och vetenskapsoperationer på månen. För inte så länge sedan samlades representanter för de kinesiska och ryska rymdprogrammen för att tillkännage en gemensam vision för en månbas – International Lunar Research Station (ILRS).

I väntan på den kommande månens utforskningsålder fortsätter NASA och andra rymdorganisationer att forska om teknologier som möjliggör kostnadseffektiv konstruktion på månen. Detta inkluderar en ISRU-tillverkningsprocess känd som Regolith Adaptive Modification System (RAM) som pionjärer av forskare vid Texas A&M University. Denna process är fokuserad på att tillhandahålla infrastruktur i ett tidigt skede som skulle underlätta transporten av sintrings- eller polymerisationsutrustning.

Det finns också ett månlandarkoncept under utveckling av Masten Space Systems med stöd från Institute for Advanced Concepts (NIAC), Honeybee Robotics, Texas A&M och University of Central Florida (UCF). Det här konceptet innehåller en process som kallas in-Flight Alumina Spray Technique (FAST), där en landare injicerar aluminiumpartiklar i sina landningspropellermunstycken för att skapa sin egen landningsplatta, vilket också minskar problemet med att måndamm sparkas upp.

Under detta decennium och nästa kommer mänskligheten att återvända till månen, denna gång för att stanna. Inte bara kommer flera rymdorganisationer att skicka astronauter, utan kommersiella partners kommer att anlitas för att tillhandahålla nyttolast och besättningstransporttjänster. Månturister och till och med bosättare kan så småningom följa efter, vilket leder till en permanent mänsklig närvaro och den första generationen "Lunites" (eller "Loonies").

Denna multinationella ansträngning främjar innovation inom flera sektorer och leder till tillämpningar för liv här på jorden. När allt kommer omkring, om vi ska se till att människor kan övervinna det ekologiska problem vi står inför på jorden och leva i rymden, kräver det att vi är uppfinningsrika.