In Moon Camp Pioneers hat jedes Team die Aufgabe, ein komplettes Mondlager in 3D mit einer Software ihrer Wahl 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 in ihrem Mondlager beschreiben.
Erster Platz - ESA-Mitgliedstaaten
Gymnazium Nad Aleji Praha-Prag Tschechische Republik 13, 15 2 / Englisch
3D-Konstruktionssoftware: Fusion 360
https://www.osymo.com/moonbase
Einer der Beiträge der ESA zum Artemis-Programm könnte ein kleines Mondfahrzeug sein. Unterkunftdie später in eine Mondbasis umgewandelt werden soll. Wir stellen einen solchen Mondbunker für zwei Astronauten vor.
Das Hauptkriterium war, dass die Hülle mit dem EL3 zum Mond transportiert werden kann, der eine Nutzlast von 1,5 Tonnen zum Mond hat. Wir haben es nicht geschafft, diese Gewichtsgrenze vollständig einzuhalten, aber es ist nicht unrealistisch, dass die Grenze nach weiteren Modifikationen und der Entwicklung des Designs erreicht werden wird. In Anbetracht des geringen Gewichts ist die Ausstattung der Schutzhülle sehr einfach, aber sie kann ihren Zweck in den ersten Phasen der Monderkundung gut erfüllen.
Der Schutzraum besteht aus einem versiegelten Modul und eine nicht versiegelte Veranda. Das Modul beherbergt den größten Teil der Ausrüstung, und die Besatzung lebt und arbeitet darin. Über dem Modul befindet sich eine Veranda, die als Lager für Außengeräte, Proben, die nicht für die Analyse vor Ort bestimmt sind, usw. dient. Die Besatzung geht vom Modul zum Schutzraum und dann zur Oberfläche durch eine Luftschleuse, die unkonventionell an der Decke des Moduls angebracht ist. Dies erleichtert den Bau des Strahlenschutzes und vereinfacht die Gesamtkonstruktion.
Die Kolonisierung des Mondes wird uns viele Vorteile bringen. Sie wird zu einem Sprungbrett für die Erforschung des Sonnensystems. Die Entdeckungen und Technologien, die beim Bau der Basis auf dem Mond entwickelt werden, werden uns auch auf der Erde helfen.
Der Zweck unserer Unterkunft ist es, eine Basis auf dem Mond zu haben, um die herum weitere Siedlungen gebaut werden können. Alle notwendigen Technologien für den Bau anderer Module werden dort getestet.
In Zukunft wollen wir die Basis vor allem für wissenschaftliche und technische Zwecke nutzen. Dort sollen Technologien für die Reise zum Mars entwickelt werden. Mit ISRU können wir ganze Sonden auf dem Mond bauen und sie ins Sonnensystem schicken. Wir können an neuen fortschrittlichen Lebenserhaltungssystemen arbeiten oder Infrarotastronomie betreiben. Auch die kommerzielle Nutzung wird wichtig sein, um die Finanzierung der Basis in der Zukunft sicherzustellen.
Der Unterstand ist für maximal fünf Tage Dunkelheit ausgelegt, so dass die Möglichkeiten für den Standort der Basis auf einige wenige Gebiete am Südpol beschränkt sind, nämlich den Rand des Shackleton-Kraters. Wäre es länger als fünf Tage dunkel, würde es einfrieren. Mit einer Höhe von 18 m wird das Solarpanel noch länger beleuchtet sein als der Rest der Basis.
Die Beleuchtung ist das einzige einschränkende Kriterium für den Standort des Bunkers selbst, aber weitere Entwicklungen, die Zugang zu Wassereis in ständig beschatteten Regionen benötigen, müssen in Betracht gezogen werden. Glücklicherweise erfüllt der Rand des Shackleton-Kraters auch dieses Kriterium.
Der Schutzraum wird vollständig von der Erde aus transportiert werden. Der Start erfolgt mit Ariane 6 + EL3, oder besser mit Ariane NEXT + EL3 (oder einem Nachfolger von EL3). Nach dem Start und dem Vorbeiflug am Mond landet die EL3 mit der Schutzhülle und wird dann von der EL3 abgeladen. Wir haben den genauen Mechanismus zum Entladen des Shelters noch nicht entworfen, weil wir nicht wissen, wie der EL3 genau aussehen wird.
Das Einzige, was zum "Bau" des Schutzraums verwendet wird, ist der Mondregolith als Strahlungsschutz. Schließlich werden 16 Säcke mit Regolith um den Schutzraum herum platziert, die einen Strahlungsschutz von 0,5 Metern bieten. Die Säcke werden mit Hilfe des RASSOR-Baggers befüllt. Er transportiert bis zu 700 kg Regolith pro Tag. Jeder Sack enthält 1200 kg Regolith. Während der ersten Mission werden nur vier Säcke rund um die Schlafquartiere gefüllt, was 7 Tage dauern wird. RASSOR sammelt immer Regolith ein und fährt dann die Rampe hinauf zu den Oberseiten der Säcke, wo es das Regolith ablädt. Die Besatzung muss die Rampe nach jedem gefüllten Sack wieder zurückfahren. Der Rest findet im autonomen Modus statt.
Für die Konstruktion des Shelters haben wir hauptsächlich einen leichten, aber stabilen Karbonverbundstoff verwendet, wodurch wir das Gesamtgewicht reduzieren konnten.
Künftig werden die Beutel nicht mehr zur Strahlenabschirmung verwendet, sondern für den 3D-Druck von Regolith. Daraus lassen sich Garagen für Rover herstellen und ein Schutz für aufblasbare Lebensräume schaffen.
Auf dem Mond gibt es mehrere Arten von Strahlung, nämlich GCR, SPE und Sekundärstrahlung, die durch die Wechselwirkung von GCR oder SPE mit Materialien entsteht. In Anbetracht der kurzen Dauer der Mission (14 Tage) ist die vom GCR ausgehende Dosis akzeptabel (wie wir dank Apollo wissen). Problematisch wäre es, wenn die Besatzung im Inneren von der SPE getroffen würde. Obwohl die Wahrscheinlichkeit gering ist, könnte dies tödliche Folgen haben. Deshalb wird bei der ersten Mission eine 0,5 m dicke Regolithabschirmung um die Mannschaftsräume herum angebracht, die bei späteren Missionen um die gesamte Schutzhülle herum vervollständigt wird. Dies wird ausreichen, um vor kleineren Sonnenstürmen zu schützen. Mit zunehmender Dauer der Missionen müssen zusätzliche Abschirmungen gegen größere Stürme angebracht werden.
Mikrometeoroiden sind im Mondraum seltener und orbitaler Schrott ist überhaupt nicht vorhanden, so dass 3 mm Kohlefaserverbundstoff und MLI sie aufhalten. Eine zusätzliche Regolith-Abschirmung erhöht die Sicherheit noch weiter.
Eine Veranda dient als Schutz vor Staub. Ihr Inneres wird halbwegs sauber sein und dient unter anderem als Ablage für Dinge, die sich nicht im Modul befinden dürfen. Die Astronauten reinigen sich sorgfältig, bevor sie die Veranda betreten. Der Staub, der ins Innere gelangt, wird durch ein Atmosphärenbelebungssystem herausgefiltert, und zwar durch einen Filter, der sich in jedem Lithiumhydroxid-Kanister befindet. Der Ausgang des Atmosphärenbelebungssystems befindet sich in den Mannschaftsunterkünften.
Ein weiterer Aspekt ist die thermische Umgebung. Während des Aufenthalts der Besatzung in den Lichtern werden die Systeme des Schutzraums eine Eingangsleistung von 8 kW haben, die abgestrahlt werden muss. Wir werden einen 10 m langen Strahler verwenden, um die überschüssige Wärme abzustrahlen. Während der fünf Tage der Dunkelheit, an denen die Besatzung nicht anwesend ist, verliert die Hülle 48 kWh, die von Lithium-Ionen-Batterien geliefert werden müssen, damit die Systeme nicht einfrieren.
Die saubere Luft wird durch das Atmosphären-Kontrollsystem bereitgestellt. Der Sauerstoff wird aus Drucktanks mit einem Druck von 40 MPa geliefert. Für die Mission werden 23 kg Sauerstoff benötigt, mit einer Reserve befinden sich 35 kg Sauerstoff in den Tanks. Dieser wird in die Luftbelebungssektion dosiert, so dass die Konzentration in der Atmosphäre 21% beträgt. Das CO2 wird mit LiOH entfernt. Die Besatzung produziert pro Mission 29 kg CO2, für dessen Abscheidung 32 kg LiOH benötigt werden, nachdem eine Reserve von 48 kg hinzugefügt wurde.
Stickstoff muss aufgrund von 10% Schleusenlecks pro Zyklus nachgefüllt werden. In der Abdeckung befindet sich ein Vorrat von 20 kg.
Die Lebensmittel werden von der Erde importiert. Für jeden Tag werden 3 Mahlzeiten zubereitet, also insgesamt 84 Mahlzeiten pro Mission. Jede Mahlzeit wiegt 0,8 kg.
Wasser ist das einzige Gut, das recycelt wird. Jedes Besatzungsmitglied verbraucht 4,4 kg Wasser pro Tag. Es wird mehr Wasser produziert als verbraucht, da es bei der Reaktion von LiOH mit CO2 und bei der Atmung gebildet wird. Pro Tag werden 8,8 kg sauberes Wasser benötigt und 12,7 kg produziert. Das Wasser, das gereinigt werden soll, stammt aus der Toilette (Urin) oder aus dem Wärmetauscher (atmosphärisches Kondensat). Das Kondensat hat eine so geringe Konzentration an Stoffen, dass es direkt durch Vorwärtsosmose gereinigt werden kann. Der Urin wird zunächst unter Vakuum destilliert. Was nach der Vorwärtsosmose übrig bleibt, wird erneut durch Vakuumdestillation gereinigt. Der Wirkungsgrad des Systems liegt über 80%, es wird also immer mehr Wasser produziert als verbraucht.
Die Leistung der Basissysteme beträgt 8 kW, was der Hälfte dessen entspricht, was IROSA leisten kann. Bei teilweiser Schwerkraft kann es nicht ohne Modifikation verwendet werden, sondern dient als Referenz.
Abfall auf dem Mond ist eine heikle Angelegenheit, weil wir ihn nicht wie bei der ISS in der Atmosphäre verglühen lassen können. Außerdem ist es teurer, Dinge auf den Mond zu bringen, so dass man mit ihnen vernünftig umgehen muss. Die Besatzung produziert pro Mission etwa 20 kg Abfall mit einem Volumen von 0,2 m3. Obwohl die derzeitige Unterkunft keine Möglichkeit bietet, diese Abfälle zu recyceln, lagern wir sie in Containern und stellen sie in der Veranda zur weiteren Verwendung bereit. Bei den Abfällen handelt es sich hauptsächlich um Papier- und Kunststoffverpackungen oder um Essensreste, aus denen der auf dem Mond seltene Kohlenstoff gewonnen werden kann. Wir können Kunststoff verwenden, der später recycelt und für den 3D-Druck verwendet werden kann. Auf die gleiche Weise werden feste Abfälle aus der Toilette gespeichert, die in Zukunft für den Anbau von Pflanzen wertvoll sein werden. Urin wird zu Trinkwasser recycelt.
Wir werden die Moonlight-Konstellation für die Kommunikation nutzen, über die hauptsächlich Daten aus dem Schutzraum gesendet werden. Trotzdem wird der Schild in einem begrenzten Modus direkt mit der Erde kommunizieren können. Wir werden das Mondlicht auch zur Bestimmung der Position nutzen. Es wird immer die Möglichkeit geben, dass ein Astronaut oder ein Rover direkt mit dem Schutzschild kommuniziert, aber die grundsätzliche Wahl ist das Mondlicht, auch weil der Horizont aus menschlicher Höhe auf dem Mond nur 2,4 km entfernt ist.
Wie bereits eingangs erwähnt, besteht das Hauptziel dieser Unterkunft darin, eine Grundlage zu schaffen, auf der man weiter aufbauen kann, weshalb die wissenschaftliche Ausrüstung eher minimalistisch ist. Das Hauptinteresse gilt daher der Geologie und den Möglichkeiten der Nutzung lokaler Ressourcen. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen bei der weiteren Besiedlung genutzt werden.
Der Bunker beherbergt ein Labor mit einer Glovebox zur Untersuchung von Oberflächenproben und deren Vorbereitung für weitere Experimente. Die Glovebox enthält ein Fluoreszenzmikroskop zur Untersuchung der Proben. Die Glovebox ist so konstruiert, dass die Proben nicht mit dem Inneren des Shelters in Berührung kommen. Ein weiterer Teil des Labors ist die Wachstumskammer, in der die Kultivierung von Pflanzen in der lunaren Umgebung untersucht wird. So kann zum Beispiel die Kultivierung im Regolith erforscht werden. Das Labor verfügt auch über einen kleinen Ofen und eine Presse, mit denen die Sinterung des Regoliths unter verschiedenen Bedingungen und seine anschließende Festigkeit getestet werden sollen. Dies wird wertvolle Daten liefern, die für die Entwicklung des 3D-Drucks aus Regolith weiter genutzt werden können.
Zu den für EVA entwickelten Werkzeugen gehören Hämmer, Zangen, Siebe, Kernbohrer und andere geologische Explorationsgeräte. Spektrometer für die schnelle Gesteinsanalyse werden ebenfalls zur Verfügung stehen. Instrumente zur Messung des Weltraumwetters oder von Mikrometeoriteneinschlägen können sich im Außenbereich der Basis befinden.
In Zukunft werden medizinische Geräte, andere Instrumente zur Untersuchung von Gesteinen wie das Elektronenmikroskop und Instrumente zur Untersuchung von Physik und Chemie in der Schwerelosigkeit hinzukommen. Später wird auch die Astronomie auf unserer Basis Einzug halten.
Bei der Ausbildung geht es in erster Linie darum, mit den einzelnen Systemen des Tierheims vertraut zu werden. Man muss lernen, wie man sich im Falle einer Störung verhält und wie man sie behebt. Anschließend werden die einzelnen Operationen trainiert. Zu den Hauptzielen der ersten Mission gehört die Schaffung eines Strahlenschutzes aus dem Regolith, so dass die Arbeit im Außenbereich des Mondes und die Arbeit mit RASSOR geübt wird. Der letzte Bereich der Ausbildung wird die Wissenschaft sein. Die Besatzung muss einen umfangreichen geologischen Kurs absolvieren (falls kein Geologe an Bord ist), um die begrenzte Zeit, die der Wissenschaft gewidmet ist, optimal nutzen zu können. Die Ausbildung kann auch in vulkanischen Regionen auf der Erde stattfinden. Ein Teil des Trainings wird auch bei Parabelflügen durchgeführt, um die reduzierte Schwerkraft zu simulieren.
Der Schutzraum wird mit dem europäischen Großlogistik-Render, der mit der Ariane 6 gestartet wird, an die Oberfläche transportiert. Es ist möglich, dass die Ariane NEXT zu dem Zeitpunkt, zu dem die Schutzhülle vorbereitet wird, bereits verfügbar ist. Die Besatzung wird vom Boden aus in der Orion starten, die von der SLS gestartet wird. Auf dem Mond wird sie in das Raumschiff HLS umsteigen, das sie dann zur Landung benutzt. Die Unterkunft wird mehrere Dutzend Kilometer vom Starship HLS und dem Artemis Base Camp entfernt sein, um den Radius der Monderkundung und der menschlichen Besiedlung des Mondes zu vergrößern. Die Besatzung wird sich mit Hilfe eines hermetischen (im Notfall auch nicht-hermetischen) Rovers fortbewegen. Am Ende der Mission wird die Besatzung mit dem Rover zum Artemis Base Camp zurückkehren und mit dem Raumschiff HLS und Orion zur Erde zurückkehren.
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