Före slutet av detta decennium planerar NASA att återvända astronauter till månen för första gången sedan Apollo-eran. Men den här gången, genom Artemis-programmet, kommer det inte att vara en "footprints and flags"-affär.

Med andra rymdorganisationer och kommersiella partners är det långsiktiga målet att skapa den infrastruktur som kommer att möjliggöra ett "uthålligt program för månutforskning och utveckling." Om allt går enligt planerna kommer flera rymdorganisationer att ha etablerade baser runt Sydpolen-Aitken-bassängen, vilket kommer att bana väg för månindustri och turism.

För att människor ska kunna leva, arbeta och utföra olika aktiviteter på månen, behövs strategier för att hantera alla faror – inte minst av dessa är månregoliten (eller "måndamm"). Som Apollo-astronauterna lärde sig är måndammet taggigt, fastnar på allt och kan orsaka betydande slitage på astronautdräkter, utrustning, fordon och hälsa.

I en ny studie av ett team av Texas A&M-ingenjörer utgör regolith också en kollisionsrisk när den sparkas upp av raketplymer. Med tanke på de många rymdfarkoster och landare som kommer att leverera besättningar och last till månen inom en snar framtid, är detta en fara som förtjänar noggrann uppmärksamhet.

Studien genomfördes av Shah Akib Sarwar och Zohaib Hasnain, en Ph.D. Student och biträdande professor (respektive) vid J. Mike Walker '66 Department of Mechanical Engineering vid Texas A&M University. För sin studie undersökte Sarwar och Hasnain partikel-partikelkollisioner för månregolit med den "mjuka sfären"-metoden, där Newtons rörelseekvationer och en kontaktkraftsmodell integreras för att studera hur partiklar kommer att kollidera och överlappa.

Detta skiljer den från metoden "hårda sfärer", som modellerar partiklar i samband med vätskor och fasta ämnen.

Medan månregoliten sträcker sig från små partiklar till stora stenar, är huvudkomponenten i "måndamm" fina silikatmineraler med en genomsnittlig storlek på 70 mikron. Dessa skapades under miljarder år när den luftlösa månens luftlösa yta träffades av meteorer och asteroider som slog mycket av månskorpan till ett fint pulver.

Frånvaron av en atmosfär innebar också att erosion av vind och vatten (vanligt här på jorden) uteblev. Slutligen har konstant exponering för solvind lämnat månregoliten elektrostatiskt laddad, vilket betyder att den fäster vid allt den vidrör.

När Apollo-astronauterna vågade sig till månen, rapporterade de att de hade problem med regoliter som skulle hålla sig till deras dräkter och spåras tillbaka till deras månmoduler. Väl inne i deras fordon häftade den vid allt och blev en hälsorisk, vilket orsakade ögonirritation och andningssvårigheter.

Men med Artemis-uppdragen vid horisonten och den planerade infrastrukturen det kommer att innebära, är det frågan om hur rymdfarkoster (under start och landning) kommer att få regolith att sparkas upp i stora mängder och accelereras till höga hastigheter.

Eftersom Sarwar relaterade till Universe Today via e-post, är detta ett av de viktigaste sätten att månregolit kommer att vara en stor utmaning för vanliga mänskliga aktiviteter på månen:

"Under en retrodrivande mjuklandning på månen kan överljuds/hypersoniska raketavgasplymer spruta ut en stor mängd (108–1015 partiklar/m ³ ses i Apollo-uppdrag) av lös regolit från det övre jordlagret."

"På grund av plymgenererade krafter—drag, lyft etc.—kan utmatningen färdas med mycket höga hastigheter (upp till 2 km/s). Sprayen kan skada rymdfarkosten och närliggande utrustning. Den kan också blockera sikten över landningsområde, stör sensorer, täpper igen mekaniska element och försämrar optiska ytor eller solpaneler genom kontaminering."

Data som inhämtats från Apollo-uppdragen fungerade som en prövosten för Sarwar och Hasnain, vilket inkluderade hur utstötning från avgasplymen från Apollo 12 Lunar Module (LM) skadade rymdfarkosten Surveyor 3, belägen 160 meter bort. Detta obemannade fordon hade skickats för att utforska Mare Cognitum-regionen 1967 och karakterisera månens jord innan besättningsuppdrag.

Surveyor 3 användes också som landningsplats för Apollo 12 och besöktes av astronauterna Pete Conrad och Alan Bean i november 1969.

Skadan mildrades av att Surveyor 3 satt i en krater nedanför landningsplatsen för Apollo 12 LM. Ett annat exempel är Apollo 15-uppdraget som landade i Hadley–Apennine-regionen 1971. Under LM:s nedstigning kunde astronauterna David R. Scott och James B. Irwin inte se landningsplatsen eftersom deras avgasplym hade skapat ett tjockt moln av regolit. ovanför den.

Detta tvingade besättningen att välja en ny landningsplats på kanten av Béla, en långsträckt krater öster om regionen. LM kunde inte uppnå en balanserad fot på den här platsen och lutade bakåt 11 grader innan den stabiliserade sig.

Forskning utförd sedan dessa uppdrag ägde rum ledde till slutsatsen att kollisioner mellan regolitpartiklar sannolikt orsakade spridningen. Som Sarwar antydde illustrerar dessa exempel hur störd regolit kan bli en fara, särskilt där andra rymdskepp och anläggningar är placerade i närheten:

"Ovanstående två exempel från Apollo-eran var inte tillräckligt allvarliga för att äventyra uppdragets framgång. Men framtida Artemis (och CLPS) uppdrag kommer att äga rum på månens sydpol, där jorden antas vara betydligt mer porös/svag än den ekvatoriala och Apollo-landningsregioner på mitten av latitud."

"Dessutom förväntas Artemis-landare leverera mycket större nyttolaster än Apollo och kräver därför mer dragkraft för att bromsa farten. Som ett resultat kan djupa kraterbildningar inträffa (se inte i Apollo) på grund av raketavgasplymer och blåsa regoliten i mycket högre vinklar än de som setts tidigare (~1-3 grader över marken)."

I enlighet med de långsiktiga målen för Artemis-programmet planerar NASA att bygga infrastruktur runt den södra polarregionen för att möjliggöra ett "uthålligt program för månutforskning och utveckling." Detta inkluderar Artemis Base Camp, som består av en grundyta, en beboelig mobilitetsplattform, ett månterrängfordon (LTV) och Lunar Gateway i omloppsbana.

"Som sådan är det av största vikt att skydda människor, strukturer eller närliggande rymdfarkoster från farorna med månregolitpartiklar," sade Sarwar.

Liknande forskning har visat hur moln av regolit orsakade av landning och start också kan utgöra en fara för en säker drift av Lunar Gateway och månbanor. Dessa hot har drivit avsevärd forskning om hur måndamm kan mildras under framtida uppdrag. Som nämnts använde Sarwar och Hasnain den mjuka sfärmetoden för att utvärdera riskerna med partikel-partikelkollisioner:

"I den här metoden tillåts intilliggande partiklar överlappa varandra med en liten mängd, vilket tas som ett indirekt mått på den deformation som förväntas vid en verklig partikel-partikelkollision. Detta överlappningsvärde, tillsammans med relevanta materialegenskaper hos månregoliten, används sedan i en fjäder-dashpot-friktionsrepresentation för att beräkna krafter i varje kollisionshändelse. Oelasticiteten som är involverad i en kollision varieras från helt oelastisk till mycket elastisk."

"Våra resultat visar att mycket elastiska kollisioner mellan relativt stora regolitkorn (~100 mikron) gör att en betydande del av dem stöter ut i stora vinklar (vissa kan flyga ut i ~90 grader). Resten av kornen är dock inneslutna i ett område med liten vinkel (<3 grader) längs marken – vilket är i linje med det synliga regolitplåt som observerades under Apollo-uppdragen."

När det gäller skyddsåtgärder, föreslår Sarwar och Hasnain att bergsvallar eller staket runt en landningszon är ett sätt att mildra ejecta-sprayer. Men som deras forskning antyder kan en viss procentandel av regolitpartiklar spridas i stora vinklar på grund av kollisioner, vilket gör berner eller stängsel otillräckliga.

"En bättre lösning för framtida Artemis-uppdrag skulle vara att bygga en landningsplatta", sa Sarwar. "I detta avseende arbetar ett team med flera organisationer med personal från både den akademiska världen (inklusive Dr. Hasnain) och industrin på att utveckla Alumina Spray Technique under flygning, eller FAST landningsplattor."

FAST-metoden föreställer sig månlandare utrustade med aluminiumoxidpartiklar som stöts ut under landningsmanövrar. De blir sedan flytande av motorplymer för att skapa smält aluminium på månens yta, som kyls och stelnar för att skapa en stabil landningsyta. NASA har också undersökt hur landningsplattor kan byggas med sintringsteknik, där regolit blästras med mikrovågor för att skapa smält keramik som härdar vid kontakt med rymden.

En annan idé är att bygga landningsplattor med sprängväggar för att innehålla utskjuten regolit, som det Texas-baserade byggföretaget ICON inkluderade i sitt Lunar Lantern-habitatkoncept.

Tyvärr är experimentella undersökningar om månens regolit mycket svåra eftersom månens förhållanden är mycket annorlunda än de på jorden. Detta inkluderar den lägre gravitationen (ungefär 16,5 % av jordens), vakuummiljön och de extrema temperaturvariationerna. Därför tvingas forskare att förlita sig starkt på numerisk modellering, som vanligtvis fokuserar på plymkrafter och till stor del ignorerar rollen av partikelkollisioner. Men som Sanwar noterade ger deras forskning värdefull insikt och illustrerar varför det är viktigt att beakta detta ofta förbisedda fenomen när man planerar framtida månuppdrag:

"[Men] vår forskning om partikelkollisioner har visat att detta är ett mycket viktigt fenomen att överväga för exakt regolitbana och därför måste inkluderas. Det finns fortfarande många utmaningar kvar inom detta område, som en brist kunskap om regolitpartikelrestitutionskoefficient (som bestämmer energiförlust vid en kollision), effekter av regolitstorleksfördelning, implikationer av turbulenta plymer, etc."

"Vi hoppas kunna belysa några av dessa osäkerheter i framtiden och bidra till en mer omfattande mån-PSI-modell för säkrare Artemis-månlandningar."

Resultaten publiceras i Acta Astronautica .

Mer information: Shah Akib Sarwar et al, Undersöker kollisionseffekter på månens jordpartiklar som kastas ut under raketplymer, Acta Astronautica (2024). DOI:10.1016/j.actaastro.2024.02.014

Tillhandahålls av Universe Today