Naukowcy modelują i testują warunki gruntowe na Księżycu

W latach 1967-1972 amerykańska agencja kosmiczna NASA przeprowadziła serię misji kosmicznych na Księżyc. Na Ziemię przetransportowano prawie 400 kilogramów próbek gleby. NGI — Norweski Instytut Geotechniczny wykorzystuje teraz tomografię komputerową 10 000 cząstek księżycowych z misji Apollo, aby zbadać, jak zachowuje się księżycowa gleba, gdy ludzie zaczynają konstruować struktury na powierzchnię Księżyca.

W niedalekiej przyszłości misje NASA Artemis planują ponownie wysłać ludzi na Księżyc po raz pierwszy od 50 lat. Tym razem astronauci prawdopodobnie będą pracować i mieszkać na Księżycu przez dłuższy czas. Ale jak zbudować nadającą się do zamieszkania bazę na Księżycu? Jakie siły Ziemia może przenosić na Księżyc? A w warunkach panujących na Księżycu, jak zachowują się materiały, takie jak ziarno księżycowej ziemi?

„Selenotechnika, równolegle do geotechnologii tutaj na Ziemi, to badanie zachowania księżycowej gleby, zwanej także regolitem. Zrozumienie podstawowych zachowań księżycowej gleby, takich jak jej wytrzymałość i kształt ziarna, ma kluczowe znaczenie dla uzyskania realistycznej i poprawnej wiedzy o Ziemi na Ziemi Księżyc W NGI tworzymy teraz zaktualizowaną bazę wiedzy na temat podstawowych właściwości księżycowej gleby, mówi Dylan Mixel, starszy geofizyk i główny badacz.

Zaktualizowana baza wiedzy, którą NGI rozwija na temat właściwości materiałów księżycowych, będzie ważna w przygotowaniach do przyszłych misji kosmicznych oraz dla podmiotów, które stworzą infrastrukturę lub zapewnią sprzęt – na przykład łazik-robot.

Pył księżycowy i ekstremalne temperatury

Kiedy Neil Armstrong stawiał pierwsze kroki ludzkości na powierzchni Księżyca 21 lipca 1969 r., niewiele wiedział o tym, co go i innych spotka podczas misji Apollo 11. Kiedy wyszedł ze statku kosmicznego, zastał krajobraz pokryty tak zwany regolit. Ta księżycowa gleba, będąca mieszaniną pyłu, dużych cząstek i fragmentów, może mieć grubość do 10 metrów. Na Księżycu nie ma atmosfery, a grawitacja jest bardzo niska w porównaniu z Ziemią. I jak mało wody istnieje w postaci zamarzniętego lodu między tymi cząstkami gleby.

Bez ruchu wiatru i wody nic nie ściera ostrych krawędzi materiału geologicznego, tak jak dzieje się to na Ziemi. Dlatego na powierzchni Księżyca ziarnko księżycowej gleby może być bardzo ostre i może być niebezpieczne dla sprzętu takiego jak skafandry kosmiczne. Dodajmy do tego fakt, że różnice temperatur na Księżycu są ekstremalne i mogą wahać się od minus 130 stopni Celsjusza do ponad 120 stopni Celsjusza. Promieniowanie słoneczne może być ponad 200 razy większe niż ziemskie, a cząsteczki w atmosferze spadają na krajobraz, ponieważ Księżyc, w przeciwieństwie do Ziemi, nie ma ochronnego pola magnetycznego.

Innym przykładem tego, jak Ziemia na Księżycu różni się od Ziemi, jest to, jak elektryczność statyczna na Księżycu pomaga utrzymać razem dwa ziarna gleby. Tutaj, na Ziemi, woda odgrywa dominującą rolę w utrzymywaniu cząstek. Ta różnica wpływa na wytrzymałość masy gruntowej.

Naśladowanie warunków panujących na Księżycu

„W końcu nie możemy podróżować na Księżyc, aby służyć jako inżynierowie geotechniczni na powierzchni Księżyca. Jednak w NGI mamy zaawansowane metody testowania warunków gruntowych na Ziemi. Wykorzystujemy je jako punkt wyjścia do analizy warunków gruntowych na księżyca” — mówi Luke Griffiths, starszy badacz w NGI.

10 000 cząstek z lotów Apollo zostało zeskanowanych CT, a dane wysłane do NGI. Tutaj cząstki księżyca są wydobywane ze skanów CT i wykorzystywane do budowy katalogu ziarna 3D. Modele symulacji komputerowych można następnie skalibrować z laboratoryjnymi testami Ziemi przeprowadzonymi przez firmę NGI. Ale jak odtworzyć specjalne warunki na Księżycu – takie jak niska grawitacja – aby można było zidentyfikować i przetestować właściwości materiału?

„Przesuwając instrumenty tak nisko, jak to możliwe w naszym laboratorium, możemy symulować warunki na powierzchni Księżyca pięć metrów pod ziemią. Jednak nie jesteśmy w stanie zepchnąć instrumentów tak nisko, jak to możliwe, aby symulować powierzchnię Księżyca. Następnie instrumenty zatrzymują się „Musimy więc modelować tę lukę w wiedzy za pomocą symulacji komputerowych. To jedyny sposób, dopóki nie zaczniemy przeprowadzać eksperymentów na Księżycu” – mówi Alex X. Jerves, doktor habilitowany w NGI.

Odległość od Ziemi do Księżyca wynosi 384 400 km. Gdyby ludzie żyli i pracowali na Księżycu przez dłuższy czas, nie byłoby możliwe przeniesienie wszystkich niezbędnych zasobów, takich jak woda i energia, z Ziemi na Księżyc.

Dlatego ważna jest wiedza o tym, jakie zasoby znajdują się na Księżycu i jak można je najlepiej wykorzystać — tak zwane wykorzystanie zasobów lokalizacyjnych (ISRU). Na przykład, w jaki sposób słońce będzie wykorzystywane jako źródło energii na Księżycu? Jaka jest nasza wiedza na temat krajobrazu księżycowego oraz minerałów i minerałów występujących w regolicie, górach i skałach? Gdzie potrzebujemy więcej wiedzy, aby skorzystać z zasobów Księżyca? I w jakim stopniu norweskie doświadczenia mogą przyczynić się do rozwiązania tych wyzwań?

„W swojej strategii do 2030 r. Europejska Agencja Kosmiczna wzywa europejskie społeczności wiedzy i przemysłu do przyjęcia wiodącej roli w rozwoju krytycznej technologii ISRU. W imieniu Norweskiej Agencji Kosmicznej NGI określiła wiedzę specjalistyczną w ramach ISRU, którą norwescy aktorzy mogą przyczynić się do dalszego rozwoju – zarówno w zakresie badań i rozwoju, jak i na poziomie komercyjnym, mówi Sean Salazar, starszy badacz w NGI.

Z badania wynika, że ​​Norwegia ma duże doświadczenie w gromadzeniu, przetwarzaniu i przechowywaniu zasobów naturalnych z przemysłu energetycznego i wydobywczego, a także specjalistyczny wkład w wielu obszarach technologicznych – od czujników poszukiwawczych, przez opracowywanie reaktorów energetycznych, po wystrzeliwanie satelitów.

„Norwegia jest w doskonałej pozycji, aby przyczynić się do przyszłego rozwoju, w jaki sposób możemy zmaksymalizować zasoby Księżyca” – mówi Salazar.