Hur kan framtida månutforskning kommunicera från månens bortre sida trots att den aldrig är i linje med jorden? Detta är vad en nyligen genomförd studie lämnade in till IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems hoppas kunna ta itu med ett par forskare från Polytechnique Montréal undersökte potentialen för en trådlös kraftöverföringsmetod (WPT) som består av allt från en till tre satelliter placerade vid Earth-moon Lagrange Point 2 (EMLP-2) och en soldriven mottagare på bortre sidan av månen.
Denna studie, tillgänglig på arXiv preprint-server, har potentialen att hjälpa forskare och framtida månastronauter att upprätthålla konstant kommunikation mellan jorden och månen eftersom månens bortre sida alltid är vänd bort från jorden från att månens rotation nästan helt synkroniseras med dess omloppsbana runt jorden.
Här diskuterar Universe Today denna forskning med Dr Gunes Karabulut Kurt, som är docent vid IEEE Polytechnique Montréal och studiens medförfattare, angående motivationen bakom studien, betydande resultat, uppföljningsforskning och implikationer för WPT. Så, vad var motivationen bakom denna studie?
"Denna forskning är motiverad av målet att övervinna de logistiska och tekniska utmaningarna som är förknippade med att använda traditionella kablar på månens yta", säger Dr. Kurt till Universe Today. "Att lägga kablar på månens grova, dammiga yta skulle leda till pågående underhålls- och slitageproblem, eftersom måndamm är mycket nötande. Å andra sidan kräver transport av stora mängder kablar till månen en betydande mängd bränsle, vilket bidrar avsevärt till uppdragets kostnader."
För studien använde forskarna en myriad av beräkningar och datormodeller för att fastställa om en, två eller tre satelliter är tillräckliga inom en EMLP-2-halobana för att upprätthålla både konstant täckning av månens bortre sida (LFS) och siktlinje med jorden. För sammanhanget är EMLP-2 belägen på månens bortre sida med gloriabanan vinkelrät – eller i sidled – mot månens omloppsbana. Beräkningarna i studien inkluderade avstånden mellan varje satellit, antennvinklarna mellan satelliterna och ytmottagaren, mängden LFS-yttäckning och mängden sänd effekt mellan satelliterna och LFS-ytantenner. Så, vilka var de viktigaste resultaten från denna studie?
Dr. Kurt berättar för Universe Today att deras modeller drog slutsatsen att tre satelliter i en EMLP-2 haloomloppsbana och som arbetar på lika avstånd från varandra kunde "uppnå kontinuerlig kraftstrålning till en optisk mottagarantenn var som helst på månens bortre sida" samtidigt som de bibehåller 100 procent LFS täckning och siktlinje med jorden. "Bortsett från trippelsatellitschema som ger kontinuerlig LFS full täckning, ger även en tvåsatellitkonfiguration full täckning under 88,60 % av en hel cykel runt EMLP-2-halobanan," tillägger Dr. Kurt.
När det gäller uppföljande forskning, säger Dr. Kurt till Universe Today, "Våra framtida studier kommer att fokusera på mer komplexa skörde- och överföringsmodeller för att komma närmare verkligheten. Å andra sidan, ett tillvägagångssätt som tar hänsyn till den oregelbundna naturen hos måndamm och variationen i dess densitet på grund av miljöfaktorer såsom subsolar vinkel och andra. I framtiden, om forskningen på detta område fortsätter, utforska detta experimentellt med måndammsimulatorer och lasrar."
Denna studie kommer när NASA förbereder sig för att skicka astronauter till månen för första gången sedan 1972 med Artemis-programmet, vars mål kommer att vara att landa den första kvinnan och personen med färg på månens yta. Med framgången med Artemis 1-uppdraget i november 2022 som bestod av en obemannad Orion-kapsel som kretsade runt månen, siktar NASA för närvarande på september 2025 för deras Artemis 2-uppdrag, som är planerat att vara ett 10-dagars, 4-personers besättningsuppdrag med Orion-kapseln för en förbiflygning på månen, vars mål kommer att vara att genomföra en fullständig systemutcheckning av Orion-kapseln. Därför, vilka konsekvenser kan den här studien ha för de kommande Artemis-uppdragen, eller någon framtida mänsklig utforskning av månen?
"Fynden har konsekvenser för utformningen av energiöverföringssystem på månen," säger Dr. Kurt till Universe Today. "En bättre förståelse för de trådlösa överföringsstörande ämnen som måndamm kan leda till utvecklingen av mer effektiva och pålitliga system för att driva månuppdrag och infrastruktur, inklusive de som är relaterade till Artemis-programmet och framtida mänskliga utforskningsinsatser."
Om det lyckas kommer Artemis 2 att följas av Artemis 3 i september 2026, som också kommer att bestå av en besättning på 4 personer med två besättningsmedlemmar som landar på månens yta och en ungefärlig uppdragslängd på 30 dagar. Detta kommer att följas av Artemis 4, Artemis 5 och Artemis 6, som för närvarande är planerade till september 2028, september 2029 respektive september 2030, där varje uppdrag ökar i både antalet astronauter som landar på månens yta tillsammans med förväntade leveranser av månhabitatmoduler och månrovers också.
"Dessutom är Artemis-uppdraget inriktat på månens sydpol för dess landningsplatser", säger Dr. Kurt till Universe Today. "Denna region är av särskilt intresse på grund av närvaron av toppar av evigt ljus (PEL), som får nästan kontinuerligt solljus och permanent skuggade regioner (PSR), som är potentiella platser för resurser som vattenis. Dessa kontrasterande förhållanden är idealiska för tillämpningen av trådlös energiöverföring (laserkraftstrålningsteknik), som skulle kunna ge en kontinuerlig strömförsörjning i skuggade områden genom att överföra energi trådlöst från upplysta områden."
Anledningen till att dessa PSR existerar är på grund av månens låga snedställning, eller axiella lutning, som studien noterar är 6,68 grader. För sammanhanget är jordens snedställning 23,44 grader. Det betyder att det finns områden, och specifikt kratrar, vid både nord- och sydpolen på månen som inte får solljus, därav namnet "permanent skuggade regioner". Som påpekats av Dr. Kurt kan dessa PSR:er vara hem för avlagringar av vattenis i dessa djupa, mörka kratrar som astronauter kan använda för vatten, bränsle och andra behov.
Artemis-uppdragen planerar att leverera inte bara astronauter till månens yta, utan en livsmiljö och månrovers med målet att etablera en permanent mänsklig närvaro på månen. Detta kommer att ge möjligheter att demonstrera ny rymdteknik som kan användas för både månutforskning och framtida mänskliga uppdrag till Mars, som är en del av NASA:s måne till Mars-arkitektur.
"Nuvarande uppdrag planerar att återanvända jordbeprövad teknologi", säger Dr. Kurt till Universe Today. "Det här tänkesättet kan undergräva designmetoden för blå himmel, där forskare uppmuntras att tänka fritt, utforska kreativa idéer och tänja på gränserna för vad som är möjligt utan att begränsas av begränsningar som specifika projektkrav eller bakåtkompatibilitet. I vårt arbete strävar vi efter att inkludera multifunktionalitetsaspekter, som inte är en nödvändighet för markbaserade applikationer men som kan visa sig vara väsentliga för framtida rymduppdrag."
Mer information: Baris Donmez et al, Continuous Power Beaming to Lunar Far Side from EMLP-2 Halo Orbit, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2402.16320
Journalinformation: arXiv
Tillhandahålls av Universe Today
