Micro-ondes la lune peut aider notre avance dans l'espace

Nasa

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Avec le lancement des missions Artemis de la NASA et les efforts lunaires croissants d'autres pays, le retour de l'humanité sur la Lune semble proche. Mais rester sur la Lune pour de bon nécessitera de nouvelles approches et technologies qui sont encore en cours de développement. Un domaine de recherche se concentre sur les spécificités de la création d'une base lunaire, avec un nouvel article examinant en détail comment nous pouvons construire des aires d'atterrissage économiquement réalisables pour notre vaisseau spatial.

L'étude financée par la NASA, intitulée "The Cost of Lunar Landing Pads with a Trade Study of Construction Methods", publiée récemment dans la revue New Space, a analysé les défis de la construction dans des conditions où la poussière lunaire tourbillonnerait à grande vitesse lors des lancements ou des atterrissages, car il n'y a pas d'air pour ralentir le panache de la fusée. Une autre difficulté de construire sur la Lune est d'y acheminer les matériaux et les équipements nécessaires, compte tenu des frais de transport exorbitants.

L'étude, menée par la société de fabrication de défense et d'espace Cislune avec des chercheurs de l'Université de Floride (UCF) et de l'Université d'État de l'Arizona, a conclu que le moyen le plus simple et le plus économique de construire les aires d'atterrissage lunaires pourrait être d'utiliser le frittage - une méthode qui utilise des micro-ondes pour faire fondre le sol, tout en faisant appel à la technologie d'enrichissement ou de tri.

Pour arriver à cette approche, les chercheurs ont étudié quatre méthodes de construction, se penchant sur diverses combinaisons d'anneaux de patins d'atterrissage intérieurs et extérieurs. Si le coût du transport vers la Lune reste supérieur à 100 000 dollars le kilogramme (ou environ 45 000 dollars la livre), le frittage s'est avéré être la méthode la moins chère. Selon l'étude, les économies augmenteraient encore plus si la technologie d'enrichissement développée par l'UCF était également utilisée, car elle peut utiliser des champs magnétiques pour faire remonter à la surface les minéraux les plus micro-ondables. L'enrichissement fonctionne en utilisant le fait que les scientifiques de l'UCF ont découvert que bon nombre des minéraux les plus micro-ondables se trouvent être les plus magnétiques. Le tri des particules basé sur la "susceptibilité magnétique" pourrait améliorer l'absorption des micro-ondes de 70 à 80%, a partagé le Dr Philip Metzger, co-auteur du document de recherche et scientifique planétaire au Florida Space Institute de l'UCF, dans un communiqué de presse.

Le processus de construction impliquerait que des rovers creusent le sol lunaire, le trient à l'aide de champs magnétiques, puis remettent le sol à la surface et le fassent fondre avec des micro-ondes.

Intéressant Engineering (IE) a contacté le Dr Metzger pour plus de détails sur leur travail. La conversation suivante a été légèrement modifiée pour plus de clarté et de fluidité.

Professeur Metzger : Pour le frittage par micro-ondes, vous devez d'abord être capable de préparer le site, y compris le bulldozer et le nivellement de la surface. Deuxièmement, vous avez besoin d'un équipement de production d'électricité afin d'avoir suffisamment de puissance pour le processus de micro-ondes. Vous pouvez obtenir de l'énergie à partir de systèmes solaires ou nucléaires livrés sur la Lune. Troisièmement, pour un frittage très efficace, vous devez d'abord enrichir le sol à la surface lunaire, en utilisant des champs magnétiques pour trier les grains de sable en fonction de leur degré magnétique.

Le tri magnétique du sol avant le micro-ondes est une invention brevetée que nous avons innovée ici à l'Université de Floride centrale. Il peut réduire les besoins énergétiques de 70 à 80 %, ce qui est énorme. L'appareil qui effectue ce processus devrait ramasser une couche de sol, peut-être de 20 cm d'épaisseur, et la faire passer sur un gros aimant, de sorte que les grains de sol tombent dans différents bacs en fonction de leur susceptibilité magnétique. Ensuite, les grains refluent et se déposent sur la surface lunaire, les grains les moins magnétiques descendant en premier et les plus magnétiques passant par-dessus. Cela garantit que la majeure partie de l'énergie des micro-ondes sera absorbée dans la couche supérieure que nous essayons de fritter.

Quatrièmement, vous devrez probablement faire rouler un appareil sur le sol pour le compacter davantage, mais des recherches supplémentaires sont nécessaires pour voir si cette étape est nécessaire. Cinquièmement, vous utilisez un simple appareil à micro-ondes, qui pourrait être très similaire à celui que vous avez dans votre cuisine, pour diriger les micro-ondes vers le sol jusqu'à ce qu'il fonde légèrement. Et c'est tout !

La taille d'une piste d'atterrissage dépend de la taille du vaisseau spatial sur lequel vous prévoyez d'atterrir. Les engins spatiaux plus lourds nécessitent plus de poussée pendant la descente pour contrer la gravité lunaire, et la quantité de poussée détermine la densité de l'échappement de la fusée lorsqu'elle souffle à travers le coussin, sur le bord du coussin et sur le sol lunaire non traité entourant le coussin. Si le tampon n'est pas assez large, ce gaz pourra toujours soulever la terre autour des bords du tampon et la souffler à grande vitesse sur le matériel environnant. C'est ce que nous essayons d'empêcher car le sol et la poussière soufflés peuvent se déplacer beaucoup plus rapidement qu'une balle et peuvent endommager le matériel environnant. Nous avons donc besoin que le coussin soit suffisamment large pour que tout le gaz qui s'écoule au-delà du bord du coussin se soit suffisamment répandu dans le vide lunaire pour ne plus être capable de soulever et d'entraîner les particules de sol. Nous estimons qu'un atterrisseur lunaire de 40 tonnes nécessiterait une plate-forme d'environ 27 mètres du centre au bord.

Nous développons toujours la technologie, nous sollicitons donc des subventions auprès de la NASA et d'autres agences gouvernementales, et notre partenaire sur ce projet, la société Cislune, recherche des fonds pour faire progresser la technologie. Finalement, une plate-forme d'atterrissage grandeur nature devrait être construite dans un désert ici sur Terre afin que nous puissions démontrer l'opération complète et ensuite faire atterrir une petite fusée dessus comme démonstration finale. Nous devrions également envoyer une charge utile plus petite sur la surface lunaire pour tester les processus d'enrichissement et de micro-ondes en utilisant un sol lunaire réel dans l'environnement lunaire. Ces tests devraient être suffisants pour que nous puissions ensuite construire les versions à grande échelle pour aller sur la Lune.

Cette étude estime le coût de la construction d'atterrisseurs lunaires et examine si certaines méthodes de construction sont économiquement supérieures aux autres. Certaines méthodes proposées nécessitent de grandes quantités de masse transportées depuis la Terre, d'autres nécessitent une consommation d'énergie élevée sur la surface lunaire, et d'autres ont un long temps de construction. Chacun de ces facteurs contribue aux coûts directs et indirects des activités lunaires. Les variables économiques les plus importantes s'avèrent être le coût de transport jusqu'à la surface lunaire et l'ampleur du coût de retard du programme imposé par une méthode de construction. Le coût d'une piste d'atterrissage dépend sensiblement de l'optimisation de la masse et de la vitesse de l'équipement de construction, de sorte qu'un ensemble d'équipements à coût minimum existe pour chaque méthode de construction dans un scénario économique spécifié. Plusieurs scénarios ont été analysés à travers une gamme de coûts de transport avec des coûts de retard de programme élevés et faibles. Il s'avère que le frittage par micro-ondes est actuellement la méthode la plus favorable pour construire la zone intérieure à haute température d'une aire d'atterrissage lunaire, bien que d'autres méthodes soient dans la plage d'incertitude. La méthode la plus favorable pour construire la zone extérieure à basse température de la plate-forme d'atterrissage est également le frittage lorsque les coûts de transport sont élevés, mais elle passe à l'infusion de polymère lorsque les coûts de transport tombent en dessous d'environ 110 000 $/kg jusqu'à la surface lunaire. On estime que l'Artemis Basecamp pourrait construire une aire d'atterrissage avec un coût budgété de 229 millions de dollars en supposant que les coûts de transport seront légèrement réduits du taux actuel de 1 million de dollars/kg à la surface lunaire à 300 000 dollars/kg. Une aire d'atterrissage chute à 130 M$ lorsque le coût de transport chute à 100 000 $/kg, ou à 47 M$ si les coûts de transport tombent en dessous de 10 000 $/kg. En fin de compte, des aires d'atterrissage peuvent être construites autour de la Lune à très faible coût, grâce aux économies d'échelle.