Ingenieure und Architekten entwerfen bereits Mond-Siedlungen

Die Mondbesiedlungspläne der NASA und der Europäischen Weltraumorganisation erfordern fortschrittliche Lebenserhaltungssysteme und Schutz vor kosmischen Strahlen

Das Architekturbüro Skidmore, Owings & Merrill ist bekannt für die Planung und Entwicklung des Burj Khalifa Tower, des höchsten Gebäudes der Welt. Solche ikonischen Strukturen sind eine der Spezialisierungen des Unternehmens. In ihrem New Yorker Büro arbeiten Architekten an einem noch erstaunlicheren Projekt - Zeichnungen von außerirdischen Gebäuden, dem ersten derartigen Projekt für dieses Unternehmen. Das Unternehmen entwickelt zusammen mit der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und dem MIT eine Mondbasis.

Daniel Inocente , ein führender Designer, zeigt Zeichnungen und computergenerierte Bilder von weißen, geschwollenen Kokons, die über die Mondlandschaft verstreut sind, durch Übergangsrohre verbunden und von Robotern, Sonnenkollektoren und Astronauten umgeben sind. Ein bekannter blauer Ball beobachtet dies alles vom Himmel aus.

Diese Ideen mögen noch nicht verwirklicht sein, aber sie helfen der ESA, über mögliche Optionen für die Zukunft nachzudenken. Der Mond bietet viele Möglichkeiten. Planetologen wollen seine Zusammensetzung untersuchen, um mehr über das frühe Sonnensystem und den Ursprung der Erde zu erfahren. Astronomen wollen auf der anderen Seite Radioteleskope bauen. Medizinische Forscher wollen wissen, wie der menschliche Körper lange Zeit auf niedrige Schwerkraft reagiert. Space Scouts wollen Ausrüstung testen oder Treibstoff für Flüge zu Asteroiden, Mars und darüber hinaus produzieren.

Die Rede davon, Menschen zum Mond zu schicken - erstmals nach den Apollo-Missionen in den 1970er Jahren - hat in letzter Zeit an Dynamik gewonnen. 2016 kündigte der Leiter der ESA den Start des Moon Village- Programms an , einer absichtlich vagen Idee, die private und öffentliche Teilnehmer dazu inspiriert, gemeinsam an der Erforschung des Mondes durch Roboter und Menschen zu arbeiten. Letztes Jahr haben acht chinesische Freiwillige ihr Experiment abgeschlossen und ein ganzes Jahr an einer Basis verbracht, die einen Mondpalast namens Lunar Palace 1 simuliert, um lebenserhaltende Systeme zu testen.

Und obwohl private Unternehmen nicht vorhaben, in naher Zukunft Menschen zum Mond zu schicken, könnten Raketen von SpaceX und Blue Origin die Kosten eines solchen Projekts für Regierungen erheblich senken. Vor einigen Monaten versprach US-Vizepräsident Mike Pence, die Astronauten für fünf Jahre zum Mond zurückzubringen.

Um die Menschen auf dem Mond auszurüsten, müssen Experten jedoch einige, gelinde gesagt, Probleme lösen . Dies beinhaltet das Überleben unter rauen Bedingungen, das Bauen von Strukturen aus lokalen Materialien, das Perfektionieren von Lebenserhaltungssystemen und das Lösen des Problems mit einer möglicherweise tödlichen Komplikation, für die wir derzeit keine Lösung haben: mit Staub.

Die drei wichtigsten Faktoren für die Bestimmung des Standorts für eine Mondansiedlung sind, wie jeder Makler Ihnen sagen wird: Standort, Standort und Standort. Bei Skidmore, Owings & Merrill (SOM) entschieden sie, dass der attraktivste Ort am Rande des Shackleton-Kraters nahe dem Südpol des Mondes liegt.

Es gibt überzeugende Beweise dafür, dass Oberflächen im ständigen Schatten des Kraters Wassereis enthalten, das mit alten Kometen dorthin gelangt ist - es eignet sich zum Trinken, Kochen, Waschen, Erstellen von Beton und zum Trennen in Wasserstoff und Sauerstoff, um Raketentreibstoff zu erzeugen.

Überall dort, wo sie sich für die Errichtung von Gebäuden entscheiden, sind Raumfahrtarchitekten und Ingenieure mit Einschränkungen konfrontiert, die gewöhnliche Spezialisten auf diesem Gebiet nicht betreffen. Auf dem Mond gibt es natürlich fast keine Luft, daher sollte jedes Haus geschlossen und luftdicht sein. Und wenn die meisten kosmischen Steine ​​in der Erdatmosphäre brennen, wird die Mondoberfläche ständig mit Mikrometeoriten bombardiert. In dieser Hinsicht sollten Strukturen für solche Angriffe entworfen werden.

Die Schwerkraft ist etwa sechsmal schwächer als die Erde. Dies ermöglicht Ihnen den Bau länglicher Strukturen, erfordert jedoch auch mehr Stützpunkte. Aufgrund der schwachen Schwerkraft ist es schwer zu graben: Sie drücken nach unten und drücken Sie nach oben. Die Temperaturen sind dort extrem, so dass in den Wohnungen leistungsstarke Heiz- und Kühlsysteme erforderlich sind und die Materialien, aus denen sie bestehen, einer erheblichen Kompression und Expansion standhalten müssen.

Es gibt auch das Problem der Strahlung. Die Sonne sendet ständig einen Strom von Hochgeschwindigkeitsprotonen und Elektronen aus - den Sonnenwind. Und wenn das Erdmagnetfeld uns vor dem größten Teil schützt, hat der Mond kein Magnetfeld, sodass alle Partikel mit der Oberfläche kollidieren. Noch gefährlicher sind die koronalen Massenauswürfe der Sonne. Während dieser Ereignisse brechen Gruppen energiereicher Protonen und Elektronen in den Weltraum aus. Ein starker Ausbruch kann mehreren Sievert (Sievert - eine Strahlungseinheit) auf der Mondoberfläche entsprechen, was ausreicht, damit eine Person stirbt, wenn sie nicht zur Knochenmarktransplantation auf die Erde zurückkehren kann. Und als ob diese Gefahren nicht genug wären, werden Astronauten auf dem Mond ständig mit kosmischen Strahlen bombardiert, die wahrscheinlich das Krebsrisiko erhöhen.


Von SOM entworfene vormontierte Wohnmodule werden in Raketenverkleidungen eingeschlossen

Im New Yorker Büro von SOM Inocent spricht er über das Angebot seines Unternehmens, Wände um die Kokons von Mondhäusern auf 3D-Druckern zu drucken und sich so vor tödlicher Strahlung zu schützen. Bewohner, die lange Zeit an der Basis sind, benötigen Wände mit einer Dicke von bis zu drei Metern, um sich vor galaktischen kosmischen Strahlen zu schützen. Es wird sinnlos sein, Tonnen Zement von der Erde zu liefern, also werden Astronauten lokale Ressourcen nutzen - das heißt, das nutzen, was bereits vorhanden ist.

Im SOM-Konzept werden Wände aus Mondboden gebaut, der als Regolith bezeichnet wird , da keine organische Substanz vorhanden ist. Eine Möglichkeit ist der 3D-Druck der Wände, entweder sofort in einem Stück vor Ort oder auf Ziegeln, die sich während des Baus aneinander haken. Einige Weltraumarchitekten schlagen vor, Regolithzement mithilfe einer Roboterdüse in Schichten zu platzieren.

Was aber, wenn die Flüssigkeit in der Zementmischung verdunstet oder gefriert, bevor der Zement in der Wand oder in den Ziegeln aushärtet? Europäische Forscher untersuchten zusammen mit dem Architekturbüro Foster + Partners die Möglichkeit , Flüssigkeiten zu binden und zu injizieren, um diesen Effekt zu verhindern, und druckten einen Wandabschnitt mit einem Regolith-Simulator. Dann müssen die Auftragnehmer jedoch noch ein flüssigkeitsbindendes Material oder ein spezielles Zementpulver zum Mond schicken.

SOM bevorzugt das Extrudieren von geschmolzenem Regolith durch eine Düse in der Art eines Schmelzklebstoffs . Ein anderer Ansatz ist das Sintern oder Erhitzen des Regolithen über den Schmelzpunkt, so dass er dann schmilzt und sich verfestigt. In einem ESA-Projekt namens RegoLight konzentrierten die Forscher das Sonnenlicht zu einem starken Strahl und trieben es über die Oberfläche eines Regolith-Simulators, wobei sie Steine ​​Schicht für Schicht sinterten . Der Prozess war langsam und die Teststeine ​​waren schwach, so dass viele Forscher glauben, dass das Mikrowellensintern mit Mikrowellenöfen oder -strahlen zum Binden des Staubes eine erfolgreiche Strategie sein wird. Bisher untersucht SOM eine Sinteroption.



Bei relativ niedrigen Wohnungen kann Regolith einfach auf Metallstrukturen gegossen werden (und Raum für Wartung lassen). Eine andere, theoretischere Option besteht darin, Wohnmodule in den Lavaröhren des Mondes zu platzieren - große leere Tunnel, durch die einst geschmolzener Stein floss.

Regolith wird nicht nur zum Schutz von Gebäuden, sondern auch zum Bau von Startplätzen und Straßen eingesetzt. Brent Sherwood , Vorsitzender des Technischen Komitees für Weltraumarchitektur des American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA), schlägt vor, regolithische Fliesen in Mikrowellenöfen zu backen. Eine Raumschifflandung auf Plattformen oder Fahrzeuge, die sich auf mit solchen Kacheln gepflasterten Straßen bewegen, verursachen weniger Staub. Straßen erleichtern Robotern auch die Bewegung auf der Oberfläche. „Im Wesentlichen möchte ich die Oberfläche des Mondes in eine vorhersehbare Fabrikhalle verwandeln, wie in einem Amazon-Lagerhaus“, sagt er.

Hannah Luck , eine ESA-Raumarchitektin mit Erfahrung in Architektur und Textildesign, bietet eine unkonventionellere Verwendung von Regolith an. Er und seine Kollegen haben es geschafft, den Regolith-Simulator zu schmelzen und in Fäden zu ziehen, mit denen Roboter Metallfarmen verdrehen und faserige Kokons erhalten können. Das durch dieses Herstellungsverfahren erhaltene Gehäuse kann in einen Krater gelegt werden, über den eine Bahn gespannt wird, um dem darauf gestapelten Regolithen standzuhalten. Sie verwendeten auch einen Roboter, um eine Miniaturversion einer solchen Beschichtung herzustellen. Infolgedessen werden wahrscheinlich viele Techniken zur Verwendung von Regolith in zukünftigen Mondkolonien angewendet.

Und wie werden die Mondwohnmodule hinter diesen Regolithwänden des Mondes aussehen? Die aktuellen Arbeitsprojekte von SOM sind aus Vorschlägen entstanden, die Ingenieure seit Jahrzehnten machen, normalerweise für Kuppeln oder Zylinder, die manchmal vollständig oder halb in den Boden eingetaucht sind.

Weltraumarchitekten und Ingenieure glauben im Allgemeinen, dass die ersten Wohnungen auf dem Mond Modulen der internationalen Raumstation (ISS) ähneln werden. „Technologie der ersten Generation ist im Vergleich zu Science-Fiction-Bildern etwas weniger sexy“, sagt Jaime Benaroya , Ingenieur für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der Rutgers University, Autor von The Moon Housing Construction: Technische Ansätze für Mondansiedlungen . Die erste Wohnung wird ein unter Druck stehendes, geschlossenes Gehäuse sein, das zum Schutz vor Strahlung mit Regolith bedeckt ist - tatsächlich in einer Blechdose vergraben.

Laut Sherwood, der mit Boeing am Bau von Modulen für die ISS arbeitete, wissen Ingenieure bereits, wie man ein solches Modul herstellt, testet, betreibt und repariert. "Wir haben eine enorme Menge an Wissen durch die Raumstation", sagt er.

Infolgedessen können wir zu aufblasbaren Modulen übergehen, die sich zu großen Volumina erweitern lassen, nachdem wir verstanden haben, wie man sie in starre Strukturen integriert und sie so verpackt, dass sie korrekt angeordnet werden können. Bigelow Aerospace aus Las Vegas verkaufte NASA-Lizenzen für Patente für den Bau eines aufblasbaren Moduls , das 2016 zum Testen an die ISS andockte . Und obwohl es jetzt nur noch als Lager genutzt wird , sammelt Bigelow weiterhin Daten darüber, wie es auf Temperaturänderungen, Strahlung und Kollisionen mit Weltraummüll reagiert.

In seiner Arbeit mit der ESA entschied sich SOM für eine Kreuzung zwischen einer Blechdose und einem Ballon. Das in der Entwicklung befindliche Modul ist ungefähr zylindrisch und 9,5 Meter hoch. Es hat drei Stockwerke und einen vertikalen Kern, so dass sich die Bewohner zwischen ihnen bewegen können. Drei aufblasbare Teile fallen mit dem Modul zusammen und fügen sich auf jeder Etage des Wohnraums hinzu. Auf der unteren Ebene befinden sich drei Türen, die es mit benachbarten Modulen verbinden.





SOM hat noch keine Technologien für Klimasysteme, Lebensgrundlagen, Lebensmittel- und Erholungsgebiete für Mitarbeiter ausgewählt. Die übliche Architekturpraxis, Benutzer in die frühen Entwicklungsstadien einzubeziehen, sollte jedoch sicherstellen, dass das Haus für den Wohnungsbau komfortabel ist. Larry Tups, ein NASA-Weltraumarchitekt, der die Verträge für Weltraumwohnungen überwacht, sagt, dass Ingenieure manchmal an die Benutzererfahrung ihres Produkts erinnert werden müssen: Beispielsweise sollte Abfall nicht in die Nähe der Kombüse gelangen.

Darüber musste sich SOM bei der Entwicklung des Burj Khalifa nie Gedanken machen, es geht um die Urinverarbeitung. Das erste lebenserhaltende Mondsystem kann "offen" sein, wie es bei den Apollo-Missionen verwendet wurde: Sauerstoff, Nahrung und Wasser gelangen in das System, und Abfälle werden vor Ort entsorgt. Schätzungen zufolge wird jede Person 5 bis 15 Tonnen Verbrauchsmaterialien - hauptsächlich Luft, Lebensmittel und Wasser - pro Jahr benötigen.

Mit größerer Wahrscheinlichkeit wird jedoch das physikalisch-chemische System der Abfallverarbeitung, wie es auf der ISS verwendet wird, in der ersten Stufe implementiert. Die Raumstation sammelt Urin, Abwasser und Kondensat aus dem Schweiß von Astronauten und der Atmung, filtert alles und wandelt es in Trinkwasser um. Mehrere Siebe auf molekularer Ebene (unter Verwendung von Siliciumdioxid- und Aluminiumoxidkristallen) werden durch CO ₂ aus der Luft entfernt und Wasser wird elektrolysiert, um Sauerstoff zu erzeugen .

Das NASA-Projekt „Next Generation Life Support System“ arbeitet an neuen Ansätzen, aber „oft versuchen wir nicht, neue Chemie zu erfinden“, sagt Molly Anderson , Chief Technology Officer. Grundsätzlich versucht die NASA, die Effizienz bestehender Systeme zu steigern. Die Agentur muss auch die Ausrüstung vereinfachen, zuverlässiger und wartbarer machen. Bei neuen Spielzeugen testet das Team Kompressorprototypen zum Aufladen von Sauerstoffflaschen von Raumanzügen, ein Pyrolysesystem, das mithilfe von Wärme festen Abfall in nützliche Elemente zersetzt, und tragbare DNA-Sequenzer, um das Vorhandensein von Mikroben auf Oberflächen und im Wasser zu verfolgen.

Anderson sagt, es sei einfacher, ein Lebenserhaltungssystem auf dem Mond als auf der ISS zu organisieren, zumindest weil die Schwerkraft es Ihnen ermöglicht, eine normale Dusche und Toilette mit Abstieg zu schaffen.

Der nächste Schritt bei der Entwicklung von lebenserhaltenden Mondsystemen wird die Schaffung eines bioregenerativen Systems sein, in dem Organismen im Gehäuse das Personal mit Nahrung, sauberer Luft und Wasser versorgen und Abfälle zersetzen. Im Rahmen des MELiSSA- Programms (Alternative Microecological Life Support System) der ESA wird ein Experiment durchgeführt, bei dem drei Ratten und Algen sechs aufeinanderfolgende Monate zusammenleben. Ratten wandeln Sauerstoff in CO ₂ und Algen um - umgekehrt.

Die Biologie kann uns sogar beim Bauen helfen. Das Glück ließ Ziegel aus Myzel und Pflanzenmaterial wachsen und zeigte, dass der Pilz sowohl die simulierte Schwerelosigkeit als auch die Strahlung, die er auf dem Mond trifft, überlebt. Lokal angebautes Baumaterial kann möglicherweise den Regolith ersetzen.

Wir werden wahrscheinlich ein Hybridsystem sehen, in dem ein Teil der Nahrung von der Erde gebracht wird. Selbst wenn Wissenschaftler alle Pflanzen genetisch verändern können, um alle notwendigen Nährstoffe abzugeben, benötigen Astronauten möglicherweise eine Vielzahl von Nahrungsmitteln, um ein gesundes Verdauungssystem aufrechtzuerhalten. Die Menschen werden nicht täglich dasselbe essen wollen, aber es erfordert viel Mühe, Pflanzen oder Algen in Nahrung umzuwandeln. "Wir wollen keine Astronauten als Bauern dorthin schicken", sagt Anderson.

AIAA Sherwood stimmt der Notwendigkeit von Vielfalt zu - insbesondere wenn Weltraumtouristen zum Mond reisen. "Sie werden das Hotel erst öffnen, wenn Sie Martini mischen oder ein Omelett daraus machen können", sagt er. Wir wissen jedoch wenig über das Kochen unter Bedingungen mit geringer Schwerkraft.

Damit die Menschen auf dem Mond leben können, plant SOM die Anwesenheit einer Roboter-Belegschaft. "Geodätische Vermessung, Regolithbewegung, Bau, Rohstoffgewinnung und routinemäßige Wartung sind nicht das Beste, was Menschen tun können", sagt Sherwood. SOM erwartet, dass Roboter Wohnungen und möglicherweise ein Produktherstellungsmodul bauen und Regolithwände bauen, bevor die ersten Bewohner eintreffen.

Eine Schwierigkeit kann sich jedoch sowohl für Menschen als auch für Maschinen als tödlich erweisen: Staub. Milliarden von Jahren zerquetschte ein Mikrometeoritenbeschuss die Oberflächenschicht des Mondes und erzeugte Staub, der aus scharfen und glatten Fragmenten bestand, an einem Ort, an dem weder Luft noch Wasser ihre Kanten glätten können. Etwa 10-20% der Masse der oberen Schicht des Regolithen des Mondes bestehen aus Partikeln mit einer Größe von weniger als 20 Mikrometern, was mit feinem Talk vergleichbar ist.

Diese Partikel werden vom Sonnenwind elektrostatisch aufgeladen , bilden also eine gewogene Mischung und haften an allem. Sie sind zu klein, um bemerkt zu werden. Während der Apollo-Missionen verstopfte der Staub in nur wenigen Stunden auf dem Mond die Schutzvorrichtungen der Stiefel, löschte die Raumanzüge aus, kratzte die Linsen, zerstörte die Autos, verstopfte die Luftfilter und irritierte die Augen und Nasen der Astronauten. Wenn es eingeatmet wird, kann es sogar Krebs verursachen.

SOM schlägt vor, Räume zu organisieren, um Staub an den Eingängen der Wohnungen zu entfernen. Selbst wenn es ihnen gelingt, die Innenräume absolut sauber zu machen, wird dies die Verschlechterung der externen Ausrüstung nicht verhindern. "Wir wissen, woraus Regolith besteht und warum es das ist, was es ist", sagt Sherwood, "aber niemand hat die geringste Ahnung, wie man unter solchen Bedingungen ein zuverlässiges System entwirft."

Es ist schwer, zum Mond zu gelangen, und es ist noch schwieriger, dort zu bleiben. Wenn Ingenieure und Architekten jedoch alle Hindernisse überwinden können, haben wir eine ganze Welt neuer Möglichkeiten.