Mond_Lager

Moon Camp Pioneers-Galerie 2021-2022

In Moon Camp Pioneers hat jedes Team die Aufgabe, mit Fusion 360 ein komplettes Mondlager in 3D zu entwerfen. Sie müssen auch erklären, wie sie die lokalen Ressourcen nutzen, die Astronauten vor den Gefahren des Weltraums schützen und die Wohn- und Arbeitseinrichtungen beschreiben.

Team: Moon Croissant

Lycée Joffre  Montpellier    Frankreich 16, 15   4 / 0


Externer Viewer für 3d-Projekt

Beschreibung des Projekts

Unsere Basis Cartier I versucht, ein genaues Modell für eine realistische Mondsiedlung zu präsentieren. Der erste Schritt in unserer Herangehensweise an diese Herausforderung bestand darin, alle Probleme aufzulisten, die gelöst werden müssten. Wir fanden die folgenden: Konstruktion, Standort, lebenswichtige Bedürfnisse (Nahrung, Wasser, Luft), Energie, Sicherheit (Strahlung, Hitze, Gesundheitsmängel) und Nutzen. Was unsere Lösung auszeichnet, ist die hohe Erweiterbarkeit, die einfache Installation und die Autonomie, die Cartier I haben würde.

Die erste Expedition würde von vier Astronauten geleitet werden, die alle Baumaterialien mitbringen würden.

  • Während der Eingewöhnungsphase (2-4 Wochen für die Hauptstrukturen, 6-8 Wochen für die Nahrungsautonomie) werden die Astronauten die Basis errichten (siehe unten) und die wichtigsten Infrastrukturen wie Wassergewinnung und Energieerzeugung einrichten.
  • Sobald die Pioniere sich niedergelassen haben und die Basis autonom ist, können weitere Operationen durchgeführt werden, um die Basis weiter auszubauen. Es ist denkbar, dass sich die Basis zu einer groß angelegten Siedlung entwickelt, die von einem Dutzend Astronauten gleichzeitig bewohnt wird, da die Module speziell dafür ausgelegt sind, die Expansion zu erleichtern.

Wir haben ein CAD-Modell erstellt, das die Grundzüge unseres Mondlagers schematisch darstellt; es besteht aus den vier bewohnbaren Modulen und den meisten externen Infrastrukturen (Wassergewinnung/-lagerung und Energieerzeugung), die Cartier I während der 1. Expedition haben würde. Die nachstehenden Schemata erläutern im Detail die Konfiguration der Basis und aller einzelnen Module sowie der Wasser- und Stromerzeugungssysteme.

2.1 Wo wollen Sie Ihr Moon Camp errichten?

Wir haben uns dafür entschieden, die Siedlung direkt am Boden eines Kraters zu errichten, dessen Wände als wirksamer Sonnenschutz dienen würden (damit entfällt auch die Herausforderung des Eistransports). Bei der Wahl des Kraters müssen viele Kriterien übereinstimmen: ewiger Schatten am Boden, starke und häufige Beleuchtung am Rand und gute Konzentrationen von Wassereis. Weitere Vorteile könnten die Größe des Kraters (beeinflusst die Reisezeit), seine Nähe zu anderen interessanten Orten und seine Ausrichtung auf potenziell unerforschte Regionen des Weltraums sein.

Nach den Daten der Chandrayaan-1-Expedition ist das Wasser an den Polen des Mondes am stärksten vertreten, so dass unsere Basis dort am wahrscheinlichsten zu finden ist. Da keine genauen Daten für bestimmte Krater vorliegen, können wir keine endgültige Antwort geben, aber mögliche Kandidaten sind der Shackleton-Krater (dessen Gipfel ~94% des Jahres beleuchtet sind), der Whipple-Krater (für den eine dicke Eisschicht vorhergesagt wird) oder der Peary-Krater (der recht flach ist).

2.2 Wie wollen Sie Ihr Mondlager bauen? Beschreiben Sie die Techniken, die Materialien und die von Ihnen gewählte Konstruktion.

Wir planen, den Rumpf der Rakete als Hauptskelett für die Basis zu verwenden. Sobald die Rakete die Mondumlaufbahn erreicht, wird sie in vier Teile zerlegt, die unabhängig voneinander landen. Diese vier zylindrischen Teile werden die vier Wohnmodule bilden, die die Astronauten für diese erste Expedition benötigen: ein Wohnmodul, ein Gemeinschafts- (und Sport-) Modul, ein Gewächshausmodul und ein Forschungsmodul (siehe Schema unten).

Da der Wärmezufluss durch Strahlung vernachlässigt werden kann, ist nur eine Wärmedämmung für den Wärmeverlust durch Strahlung (vom Boden nach außen) und durch Wärmeleitung durch den Boden erforderlich. Dies kann durch eine mehrschichtige Isolierung - mit Kapton oder Mylar - erreicht werden, um die Strahlung abzudämpfen, und durch eine Verdickung des Teils der Hülle, der mit dem Boden in Berührung kommt. Auch aufblasbare Module sind denkbar, sofern ihre erdberührte Basis ebenfalls aus dickem Isoliermaterial besteht.

Durch die Verwendung des Raketenrahmens wird die Bauzeit drastisch verkürzt, da nur die Verbindungen zwischen den Modulen, die Außeninfrastrukturen und die Inneneinrichtung gebaut werden müssen. Die Infrastrukturen werden aus kleinen oder mittelgroßen Teilen zusammengebaut, die auf der Erde konstruiert wurden; die geringe Schwerkraft wird den Transport der größeren Teile erleichtern.

Kurz nach der Ankunft wird sich das Team an die Außenseite des Kraters begeben, um Solardeflektoren und die Kommunikationsantenne zu installieren. Dies wird eine der wenigen Gelegenheiten sein, bei denen das Team große Entfernungen zurücklegen muss (außer für gelegentliche Wartungsarbeiten), da das Lager ansonsten sehr kompakt ist.

2.3 Die Umgebung auf dem Mond ist für die Astronauten sehr gefährlich. Erläutern Sie, wie Ihr Moon Camp sie schützen wird. (maximal 150 Wörter)

Die Gefahren, denen die Astronauten ausgesetzt sein könnten, lassen sich in drei Kategorien einteilen.

Erstens, Umweltfragen: Wie bereits erläutert, wird die normalerweise schädliche Strahlung aus dem Weltraum die Astronauten am Boden des Kraters nie erreichen, so dass dieses Problem ausgeschlossen werden kann. Meteoriten hingegen könnten möglicherweise das Lager erreichen; schnelle Berechnungen (im Vergleich zu der Menge, die die Erdatmosphäre erreicht) zeigen jedoch, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein Meteorit ein Modul oder einen Astronauten beschädigt, vernachlässigbar ist.

Zweitens, gesundheitliche Defizite: Die Astronauten werden nur ein Sechstel der Schwerkraft der Erde erfahren, was zu einem Muskelabbau führt. Um dem entgegenzuwirken, werden die Astronauten ein tägliches Trainingsprogramm mit Geräten absolvieren, die an die geringe Schwerkraft angepasst sind (Gummibänder, die die Person nach unten ziehen, magnetischer Widerstand usw.).

Drittens: technische Probleme oder Unfälle. Alle Module sind durch luftdichte Türen verschlossen und werden nicht beeinträchtigt, wenn eines davon kaputt geht; Parameter wie Temperatur oder Luftzusammensetzung werden ständig überwacht, um Unfälle zu vermeiden.

2.4 Erläutern Sie, wie Ihr Mondlager den Astronauten zur Verfügung stehen wird:

Wasser
Lebensmittel
Strom
Luft

Während der Eingewöhnungsphase werden die Astronauten auf einen kleinen Wasservorrat von der Erde angewiesen sein. Sobald die Hauptinfrastrukturen installiert sind, wird das Wasser in einem dreistufigen Verfahren aus dem Regolith gewonnen.
Der erste Schritt ist die Ausgrabung: Ein Rover baut Stücke des Regoliths ab und bringt sie in eine Wärmekammer.
Der zweite Schritt ist die Extraktion: Mithilfe von Sonnenenergie wird die Kammer auf etwa 600 K erhitzt, wodurch das Wasser sublimiert und der Druck im Tank aufgebaut wird.
Der dritte und letzte Schritt ist der Transport: Nach dem Durchlaufen einer Turbine (siehe Abschnitt Elektrizität) kondensiert der Wasserdampf in einem Rohrsystem, das zur Wasserzisterne führt. Ein Regler überwacht die Reinheit des Wassers, um sicherzustellen, dass es trinkbar ist; bei Bedarf kann es weiter gereinigt werden.
Um Abfall zu vermeiden, wird das Wasser ähnlich wie auf der ISS recycelt: aus der Transpiration der Astronauten/Pflanzen, dem Urin, der Dusche und dem Abfluss der Waschbecken.

Die Lebensmittel werden im Gewächshausmodul produziert (siehe Schema unten).
Das Gemüse wird in aeroponischen und hydroponischen Systemen angebaut, die nährstoffangereichertes Wasser verwenden (die Nährstoffe können aus extrahiertem KREEP oder aus konzentrierten, von der Erde stammenden Vorräten synthetisiert werden). Im aeroponischen System werden die Wurzeln der Pflanzen mit einem Nebel besprüht, der alle benötigten Nährstoffe enthält; im hydroponischen System baden die Wurzelspitzen in der Lösung (als Nährboden kann Rockwool oder Perlite verwendet werden). Die Pflanzen werden nach Ertrag, Wachstumszeit und Nährwert ausgewählt (zu den schnell wachsenden Pflanzen gehören Grünkohl, Bohnen, Salat, Tomaten, Beeren usw.). Sie werden in einer kontrollierten Umgebung wachsen, um die ideale Lichtintensität/Wellenlänge und Temperatur zu erhalten.
Künstliches Fleisch wird "gezüchtet", indem Stammzellen in einem Nährmedium gebadet werden, um Proteine zu erzeugen.
Andere nicht verderbliche Nahrungsergänzungsmittel werden in ausreichender Menge von der Erde mitgebracht.

Während der Eingewöhnungsphase wird die Basis mit einem thermoelektrischen Radioisotopengenerator betrieben, der in sicherer Entfernung von der Basis entsorgt wird, sobald er nicht mehr benötigt wird.
In Verbindung mit dem Wasser wird dann in einem Concentrated Solar Power (CSP)-System Strom erzeugt:
Zweiachsig nachgeführte Reflektoren werden auf den Gipfeln außerhalb des Kraters angebracht und reflektieren das Sonnenlicht auf denselben Punkt in der Nähe des Camps. Die dortige Heizkammer wird Hochdruckdampf erzeugen, der eine Turbine durchläuft und deren Schaufeln in Drehung versetzt; diese Drehbewegung wird von einem Generator in Strom umgewandelt (siehe Schema unten).
Alternativ könnten auch Solarzellen verwendet werden, um die Komplexität des Systems zu verringern, doch würde dies den Ertrag verringern (nur ~20% Wirkungsgrad gegenüber ~50% Wirkungsgrad bei Turbinen) und eine größere Fläche erfordern.

Beim Atmen gibt es zwei wesentliche Prozesse, die durchgeführt werden müssen: die Erzeugung von O2 und die Abscheidung von CO2. Der benötigte Stickstoff (80% der Luft) kann von der Erde mitgebracht werden und wird nicht verbraucht, da er ein inertes Gas ist.
Sauerstoff wird durch Elektrolyse von Wasser hergestellt. Durch Anlegen einer Spannungsdifferenz an zwei Elektroden können wir die H20-Moleküle spalten, um Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen (ein Elektrolyt muss hinzugefügt werden, um die Leitfähigkeit des Wassers zu erhöhen). Der Wasserstoff kann gespeichert und später als Raketentreibstoff verwendet werden.
Die Kohlendioxidwäsche kann mit Lithiumhydroxid (LiOH) erfolgen, das mit dem CO2 zu Wasser reagiert, oder mit magerem Amin (MEA), das das CO2 absorbiert und zu reichem MEA wird (das dann gekocht werden kann, um das CO2 loszuwerden, wodurch es wieder mager wird).
Während der Absetzphase und wenn ein Problem mit dem Elektrolyseprozess auftritt, werden Sauerstoffkerzen eingesetzt, um den O2-Gehalt auf einem stabilen Wert von 20% zu halten.

2.5 Erläutern Sie, was der Hauptzweck Ihres Mooncamps sein wird.

Zuallererst, Cartier IDer Zweck des Camps ist wissenschaftlicher Natur. Das Camp wird den Astronauten die Möglichkeit geben, Experimente und Forschungsarbeiten durchzuführen, die auf der Erde nicht möglich sind, wie z. B. das Verhalten verschiedener Objekte in geringer Schwerkraft oder im Nichts. Dies wird auch eine hervorragende Gelegenheit sein, die Zusammensetzung des Regoliths in Mondkratern eingehend zu analysieren. Das Camp wird auch für die Astrophysik von Bedeutung sein: Der Aussichtspunkt wird es den Astronauten ermöglichen, Sterne zu beobachten, die von der Erde aus nicht zu sehen sind.

Unser Mondlager wird auch als Ausgangspunkt für die Besiedlung des Weltraums dienen. Raumschiffe werden nämlich mit dem durch Elektrolyse erzeugten Wasserstoffgas betankt werden können, was zum Beispiel eine Reise zum Mars erleichtern könnte.

In einer möglichen Zukunft könnte die Basis auch ein lukrativeres Ziel verfolgen, etwa den Verkauf von Seltenen Erden, die auf dem Mond leicht zu finden sind, oder die Entwicklung des Weltraumtourismus.

3.1 Beschreiben Sie einen Tag auf dem Mond für Ihre Moon Camp Astronautencrew.

Die Astronauten wachen um 7.00 Uhr auf und haben eine halbe Stunde Zeit, um sich um ihre Hygiene und ihre persönlichen Interessen zu kümmern.

Um 7:30 Uhr frühstückt die Besatzung gemeinsam im Wohnmodul, wo sie sowohl auf dem Mond hergestellte als auch von der Erde mitgebrachte Produkte isst, um eine ausgewogene Ernährung zu gewährleisten. Eine Gruppe von zwei Astronauten überwacht dann den Rover bei der Gewinnung von Regolith (zur späteren Wassergewinnung), während die beiden anderen Astronauten sich um den Garten im Gewächshausmodul kümmern und das Wachstum des künstlichen Fleisches überwachen.

Um 9:00 Uhr verlassen zwei der Astronauten die Basis, um die Rover und die Infrastrukturen zu warten. Dabei kann es sich um verschiedene Aufgaben handeln, wie die Reinigung einiger Instrumente, die Überprüfung der Produktivität der Generatoren oder die Überprüfung der Integrität des Leitungssystems. Die anderen beiden Astronauten bleiben in der Basis und erledigen einige Aufgaben, um das Wohlbefinden der Besatzung zu gewährleisten.

Um 10:30 Uhr versammeln sich alle Astronauten im Gemeinschaftsmodul, um einige Übungen zu machen, da die geringe Schwerkraft auf der Mondoberfläche ihre Muskeln schwächen kann. Nach einer Stunde Training und einer dreißigminütigen Ruhepause gibt es Mittagessen, bei dem sie die in der Basis produzierten Lebensmittel genießen können.

Um 13:00 Uhr verlässt die Besatzung das Lager, um die Sterne zu beobachten, die dank der fehlenden Lichtverschmutzung deutlich sichtbar sind. Die Beobachtungen werden dann zur Erde geschickt, wo sie von Wissenschaftlern genauer analysiert werden können. Während des restlichen "Nachmittags" sammeln die Astronauten Proben des Regoliths und analysieren deren Zusammensetzung im Forschungsmodul, um Parameter wie die Wasserkonzentration zu überprüfen und verschiedene andere Experimente durchzuführen. Auch diese Ergebnisse werden gegen 18:30 Uhr zur Erde geschickt, und danach haben die Astronauten Zeit, sich auszuruhen.

Um 19:00 Uhr versammelt sich die Mannschaft im Wohnmodul und bereitet das Programm für den nächsten Tag vor. Um 20:00 Uhr gibt es dann Abendessen und eine Stunde Freizeit, in der sie normalerweise Karten spielen, gute Musik hören oder Bücher lesen. Diese Freizeit ist wichtig, um ihr geistiges Wohlbefinden zu gewährleisten und den Stress abzubauen, der sich beim Leben im Weltraum ansammelt.

Der Rest des Abends ist dann der Hygiene und dem Austausch mit der Erde gewidmet. Die Astronauten gehen gegen 22:30 Uhr zu Bett, um eine Nacht lang zu schlafen und von der Unermesslichkeit des Weltraums und den Möglichkeiten von morgen zu träumen.

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