Építsünk Holdbázist! – A felfújható Pneumo Planet lakópark és üvegház rendszer bemutatása, 1. rész

Kapcsolódó

Kiválasztották az európai Vigil űrszonda építőjét

Az Európai Űrügynökség május 22-én tartotta Brüsszelben azt az...

A nap képe #1481 – Tenacity kicsomagolás

A Dream Chaser Tenacity „kicsomagolása”, miután megérkezett a Kennedy...

Rendkívüli: kiválasztották a következő magyar űrhajóst!

Lezárult a HUNOR-Program kiválasztási szakasza, a végső felkészülés az...

44 éve indult első magyarként az űrbe Farkas Bertalan

1980. május 26-án kezdődött Farkas Bertalan űrrepülése a Szojuz-36...

Eddig jól muzsikálnak a Psyche űrszonda ionhajtóművei

A NASA a napokban számolt be arról a remek...

Bihari Gábor neve reméljük sok követőnknek ismerős, hiszen már több alkalommal készítettünk vele élő adást, többek között a most írásban is bemutatásra kerülő Holdbázis tervekről.

Bevezetés

A korábbi Marsbázis terv, amely részletesen a British Interplanetary Society lapjának (JBIS) 2021 januári számában jelent meg, igen pozitív visszhangot keltett a tudományos közéletben. Ezen felbuzdulva pályáztak Gáborék az ESA Open Space Innovation Platformján keresztül egy felfújható elemekből álló Holdbázis tervezésére. Olyan bázist szerettek volna tervezni, amely a marsihoz hasonlóan, könnyen odaszállítható és felépíthető, mert nagyrészt felfújható elemekből áll, mégis önellátó élelmiszer és oxigén vonatkozásában, mivel nagy méreteivel és az átlátszó falakon átjutó napfény segítségével lehetővé teszi a nagy léptékű mezőgazdasági termelést.
A csapatot korábban két fő alkotta: Bihari Gábor a Debreceni Egyetem kísérleti fizikusa, az oktatási kísérletek, illetve a nukleáris technológia szakértője, Thomas Herzig bécsi építész pedig a felfújható szerkezetek szakértője. Hozzájuk csatlakozott a Holdbázis tervezési munkájában Norbert Kömle, az ESA megvilágítási szakértője, többek közt a Csurjumov-Geraszimenko üstököst vizsgáló sikeres Rosetta-misszió egyik tervezője.

Az alábbiakban Gábor írását olvashatjátok!

De miért is van szükségünk állandóan lakott Holdbázisra?

Nyilvánvaló a kérdés, hiszen egy Holdon fenntartandó bázisnak horribilis költségei vannak. A 60-as 70-es évek fordulóján a Holdra eljutó néhány küldetés költsége jelentősen megterhelte a világ akkori legerősebb gazdaságát és csak a hidegháború versenyének volt köszönhető, hogy az Egyesült Államok bevállalta ezeket a költségeket.
Egy stabil holdi bázis felépítése még ma is nagyon jelentős összegbe kerülne, bár korántsem annyiba, mint a korábbi Apollo program. Így aztán bármennyire is kecsegtető a lehetőség, bármennyire is úgy gondoljuk, hogy ez a jövő útja, komoly indokoknak kell lennie, hogy egy állandó Holdbázis valóban meg is épüljön.
Az építésre az egyik legfontosabb indokot maga a gravitáció szolgáltatja. Mint az az 1. ábrán látszik, az emberiség a Föld felszínén egy eléggé mély gravitációs potenciálgödörben él. Érzékeltetésképpen feltüntettük a hidrogén-oxigén keverék és a víz energiáját is ehhez képest. Jól látszik, hogy a különbség négyszeres: 1 kg hidrogén-oxigén keverék elégetésekor 16 MJ energiát nyerünk, a Föld felszínéről egy végtelen távoli pontba eljutatott testnek viszont kilogrammonként 64 MJ mozgási energiát kell átadnunk.
Az ábra egyúttal jól érzékelteti, hogy miért van szükségünk több fokozatú rakétákra, hogy a Föld gravitációs terét el tudjuk hagyni. Az igen nagy energiatartalmú hidrogén-oxigén hajtóanyag-keverék energiája egyáltalán nem elegendő a Föld elhagyásához, még akkor sem, ha a hajtóműveink 100%-os hatékonysággal rendelkeznének. A valóságban pedig ennél sokkal rosszabb a hatásfok. Így aztán minden más részlet nélkül is sejthető, hogy egyetlen kilogramm anyag Föld körüli pályára juttatásához is sokkal nagyobb mennyiségű üzemanyagot kell elégetnünk.
(Nem mellesleg az is kiderül ebből az egyszerű összehasonlításból, hogy a Földnél valamivel nagyobb és erősebb gravitációjú bolygón kialakuló civilizáció sokkal nehezebben jutna el az űrbe, mint mi: kémiai hajtóanyagok ezt már nem teszik lehetővé, csak a sokkal fejlettebb és több energiát megmozgató nukleáris meghajtás. A miénkénél kisebb bolygókról induló civilizáció viszont nálunk sokkal könnyebben és egyszerűbben válik űrhajózó civilizációvá). 

1. ábra: A gravitációs potenciálgödör, amelyben a Föld és a Hold elhelyezkedik. Ha egy test a Föld-Hold rendszertől elég távoli helyről a Föld felszínére zuhan, kilogramonként 64 MJ energia szabadul fel. Ugyanennyi energiát kell befektetnünk, ha a testeket a Föld felszínéről a bolygóközi térbe akarjuk juttatni – vagyis többet, hiszen a rakétáink hatásfoka nem 100%-os.

Az is látszik azonban az ábrán, hogy a Hold sokkal magasabban helyezkedik el a gravitációs potenciálgödörben. A Holdon 1 liter víz energiája sokkal több, mint a hidrogén-oxigén üzemanyagé a Föld felszínén. Vagyis ha a holdi vizet „ledobnánk” a Föld felszínére, annak zuhanás közben keletkező mozgási energiája sokkal nagyobb energia-felszabadulást okozna, mintha ugyanez a víz hidrogén-oxigén keverék elégetése révén keletkezne.
Mindez azt jelenti, hogy ha a Holdon van víz, vagy bármilyen más anyag, amit rakétahajtóművekben hasznosítani lehet, az óriási előnyt jelentene a Naprendszer felfedezésében. A Holdon 1 kg hidrogén-oxigén keverék energiája elegendő ugyanennek az anyagnak az űrbe juttatásához, hogy az már ne hulljon vissza a Hold felszínére. Pontosabb számítások szerint egy Holdról induló rakéta esetében a hasznos teher és az üzemanyag aránya közel 1:1 lenne, míg a földfelszín indítás esetén a legjobb esetben is 1:70 az arány.
Mindaddig tehát, amíg a rakétáinkat kémiai hajtóanyagok hajtják, a Hold egyfajta benzinkútként óriási segítséget jelenthetne a Naprendszer többi bolygója felé vezető útjainkon. Ebben a vízen kívül más anyagok is a segítségünkre lehetnek, mégis a víz a legfontosabb. A víz ugyanis nem csak üzemanyagként használható, de az élet fenntartásához is a legnélkülözhetetlenebb anyag. Ha van elegendő víz a Holdon, akkor nem is lenne túl bonyolult olyan üvegházakat létrehozni, amelyekben nagyüzemi növénytermesztést folytathatnánk. A növények a fotoszintézis révén pedig nem csak az űrhajósok élelmiszerét biztosítanák, de egyúttal oxigént is termelnének. Ezért egyértelműen a víz a kulcs: inni és ennivalót, belélegezhető oxigént biztosítana az űrhajósoknak, ugyanakkor lehetővé tenné az egyik leghatékonyabb rakétahajtóanyag, a hidrogén-oxigén keverék előállítását a Holdon.
A Holdon elsőként vizet kereső Lunar Prospector szonda neutron visszaszórásos módszerrel figyelte a felszín néhány méter mély rétegében a hidrogén jelenlétét. A szonda adatai jól mutatják, hogy a hidrogén elsősorban a pólusok környékén koncentrálódik. Az egyenlítői területek környékén nehezen képzelhető el, hogy kémiailag tiszta víz jelenlétét jelzi a műszer. Itt inkább arra lehet számítani, hogy a napszélből származó protonok a felszíni kőzetekbe ágyazódva, az ott már meglévő oxigén atomokkal hidroxil (-OH) gyököket, esetleg újabb proton beépülésével az ásványokban kémiailag kötött kristályvizet hoznak létre. Ezzel szemben a pólusokon sokkal erőteljesebb a hidrogén jelenléte, holott a napszél oda sokkal kevesebb hidrogént szállít. Ezért sejthető, hogy a hidrogén itt jéggé fagyott illékony anyagok formájában van jelen. A neutron-visszaszórásos módszer persze nem túl pontos, a mérés révén csak több kilométer átmérőjű pixelekben térképezhető fel a terület, így nem látszik pontosan, hogy mely területek kecsegtetnek komoly készletekkel.

2. ábra: A Lunar Prospector neutron-visszaszórásos adataiból készült térkép azt mutatja, hol koncentrálódik a hidrogén a felszínen. A hidrogén atommagját alkotó egyetlen protont könnyen meglöki a nála nehezebb neutron, míg a nehezebb atommagokról inkább visszapattannak a neutronok, ezért minél több hidrogén van a felszín közelében, annál gyengébb lesz a visszaszórás, a „neutron-visszhang”.

Sajnos ezek az illékony jégkészletek meglehetősen sérülékenyek. Igaz, hogy a Hold és a Föld pályája stabil, dőlésszögük pedig nem változott sokat a keletkezésük óta, így biztosan tudhatjuk, hogy a Hold sarki tájain fekvő kráterek mélyét valóban nem érte napfény az elmúlt milliárd években. Ezeket a mélyen fekvő sarki területeket hívjuk PSR-nek (Permanently Shadowed Regions) Van azonban némi esélye, hogy ha a napfény nem is, egy közeli szupernóva robbanása olyan hőmérsékletemelkedést okozott a holdi sarkvidékeken, ami elpárologtatja az illékony anyagok nagy részét.
Számításokat végeztünk annak megítélésére, hogy mekkora esély van ilyen szupernóva robbanásra. Persze a szupernóvák energia-kibocsátására és gyakoriságára vonatkozó adataink nem pontosak, így az eredmény is csak becslésnek nevezhető. A leggyakoribb szupernóvák energia-kibocsátása meglehetősen pontosan 1044 Joule körüli érték és ennek nagy részét egyetlen hónap alatt sugározzák ki. Kiszámítható ebből, hogy egy ilyen szupernóvának körülbelül egy fényéves távolságból lesz akkora a sugárzási teljesítménye, mint a Napnak a Föld távolságából, tehát 1 AU távolságból. A szupernóvákká váló csillagok gyakoriságából és a megfigyelt szupernóva események gyakoriságából megbecsülhető ugyanakkor, hogy az elmúlt 4.6 milliárd év alatt a legközelebbi szupernóva robbanás a Naptól 3-5 fényévnyi sugarú gömbben történt.
Persze egy ilyen közeli szupernóva robbanás is csak akkor árthatott a pólusok illékony anyagainak, ha a pólus fölött egy bizonyos térszögben történt. Ez pedig tovább csökkenti az esemény valószínűségét. Becslésünk szerint így legfeljebb 30-40% esély van arra, hogy valamelyik póluson egy szupernóva robbanási esemény jelentősen csökkentette az illékony jegek mennyiségét. De csak 10% annak az esélye, hogy két viszonylag közeli robbanás révén ilyen besugárzási esemény mindkét pólus esetében megtörtént. Vagyis ha a Holdon a keletkezésekor voltak ilyen illékony anyagok, vagy az elmúlt milliárd évek üstökös-becsapódásai elég sok ilyen anyagot juttattak a Hold felszínére, akkor ennek az anyagnak nagy része megőrződhetett a sarki területeken fekvő árnyékos kráterek mélyén.

A terv

Amikor a Holdbázis megtervezésébe fogtunk, tisztáznunk kellett először is a legfontosabb irányelveket. Elsősorban azért, mert egy reálisan megvalósítható és fenntartható bázisnak viszonylag olcsón megépíthetőnek és olcsón működtethetőnek kell lennie. Máskülönben vagy meg sem fog épülni, vagy ha megépül is, nem fog sokáig létezni, mert a magas költségek miatt az űrügynökségek feladják a tervet.
Azért, hogy költséghatékonyan megvalósítható legyen, a terveink szerint a bázis szerkezetének nagyrészt felfújható elemeken kell alapulnia. Az építéskor az odaszállított felfújható elemek és a helybeli kőzetanyag kombinálásával kell felépítenünk a bázist. Viszont a felfújható elemek csak viszonylag kis terhet jelentenek a szállító űrhajóknak. Így azt is sikerülhet elérnünk, hogy szűk odúk helyett hatalmas lakható tereket sikerül kialakítanunk úgy, hogy mégsem terheljük meg nagyon az űrhajók rakterét és a költségvetést sem.
A fenntarthatóság megint csak alacsony költségeket és jórészt önellátást jelent. El kell érnünk, hogy a bázis minél kevésbé szoruljon rá a Földről érkező szállítmányokra, hiszen minden kilogrammnyi anyag, amit a Holdra szállítunk, hatalmas költséggel juttatható csak oda. De a személyzetnek minden pillanatban friss oxigénre és minden nap tiszta vízre és élelmiszerre van szüksége. A megoldás nyilván az önellátás, azon belül is leginkább a növénytermesztés, hiszen a növények a fotoszintézis révén oxigént állítanak elő és egyúttal az élelmiszert is előállítják. Vizet pedig kis szerencsével találhatunk a sötét holdi kráterekben, így az önellátás a holdi bázison elvileg rövid idő alatt megvalósítható lehetőség lesz és nem egy távoli, elérhetetlen vágyálom.
Persze a számok nem hazudnak: nem elegendő néhány fej salátát termeszteni LED lámpák fénye mellett egy mindentől elzárt állomáson. Fejenként tonnányi mennyiségű élő biomasszára van szükségünk, ha a személyzet minden tagjának biztosítani akarjuk a normális szükségletnek megfelelő napi 2-3 kg kalóriában gazdag élelmiszert és közel 1 kg oxigént. Ehhez pedig nem elegendő a mesterséges fény, hiszen ahhoz rengeteg áramot kellene termelni. A zárt üvegházhoz szükséges, megawattos teljesítményt viszont csak egy hatalmas napelem-park vagy egy nukleáris reaktor tudná biztosítani – ez utóbbinak a hűtése viszonyt csak óriási hűtőradiátorokkal lenne kivitelezhető, hiszen a Holdon nincs semmilyen anyag, amivel a reaktort folyamatosan hűteni lehetne. Ezért arra a következtetésre jutottunk, hogy önellátás kulcsa a Holdon a természetes napfény és a növényi fotoszintézis kihasználása.

3. ábra: A Foster and Partners tervén a felfújható elemet egy külső szilárd burkolat veszi körül. E burkolat megépítése jelentős költséggel járna, hiszen a kötőanyag egy részét mindenképpen oda kellene szállítani, és magát az építést is jelentős súlyú gépekkel, 3 D nyomtatással lehetne elvégezni. A szilárd héj azonban valójában funkciótlan és alkalmatlan a védőréteg feladatára.

A felfújható elemekkel kapcsolatban viszont sok téves koncepció látott már napvilágot. Illusztrációként lásd pl. a 3. ábrát a Foster and Partners egyik látványtervét. Megfigyelhetjük a terven a földi viszonyokhoz szokott tervező koncepcióját. A felfújható elem nem gömb, hanem kenyér alakú. Holott az űrbeli körülmények között az ember számára elfogadható, minimális 0.5 bar nyomás mellett is olyan hatalmas erők ébrednek egy ilyen felfújható elemben, hogy az szükségképpen a lehető legnagyobb térfogatú formára fúvódik fel. Így biztosan csak gömb, lineáris cső, toroid gyűrű, stb. alakkal számolhatunk, ha felfújható elemekből szeretnénk építkezni.
Megfigyelhető ugyanakkor a földi körülményekhez szokott tervező másik tévedése is a rajzon: a felfújható elemet védelemként szilárd burkolat fedi be. Ez persze a földi viszonyok között normális: a szilárd fal hordozza azt a nyomóerőt, amit a tető súlya fejt ki rá. A Holdon más a helyzet: a tető súlya igen csekély, egyhatoda a földi súlynak. Ellenben hatalmas erők keletkeznek a belső nyomás révén a külső nyomás hiánya miatt, amelyek felfelé nyomják a tetőt. A habarcsból és kőzetanyagból felépülő falak nagyon nagy nyomóerőt, súlyt el tudnak viselni, de a tetőre felfelé ható erőből a falakban olyan húzóerők keletkeznek, amikkel szemben a szilárd falak hamar megadják magukat. Ha a képen látható elemet kellően felfújnánk és a szilárd tetőburkolattal próbálnánk visszatartani attól, hogy gömb alakúvá fúvódjon fel, a felfújt „buborék” játszi könnyedséggel szaggatná szét és dobná le magáról a holdi betontetőt. Tehát a kép valójában egy irreális, soha meg nem valósítható állapotot mutat.
Korábbi számításaink azt igazolták, hogy a külső vákuum és a belső légnyomás különbsége okán fellépő erők miatt az űrbeli felfújható szerkezetek mérete erősen korlátozott. 4-5 méternél nagyobb átmérő esetén a kevlár kötelekkel megerősített membránok is veszélyesen meggyengülhetnek, megnyúlhatnak a belső nyomásból eredő hatalmas húzóerők hatására, így ezt tartjuk a maximumnak, amivel reálisan számolni lehet. Ennél nagyobb méret esetén a membránfalak vastagsága 5 mm-nél is nagyobb lenne, ami már nem reálisan megvalósítható és legyártható. Ilyen kis méret esetén viszont a gömb alak nem túl praktikus, sokkal nagyobb teret lehet létrehozni gyűrűk vagy csövek felhasználásával.
Elképzelésünk szerint a bázis alapeleme egy felfújható gyűrű lenne, amihez koncentrikusan másik gyűrű vagy több kisebb cső csatlakozhatna. A tér legnagyobb részét jelentő gyűrűben kapna helyet a növényház, az ehhez csatlakozó csövek pedig lakótérként és közlekedő folyosóként funkcionálnak. A napfény a gyűrű belső részéhez érkezne: egy nagyméretű tükröt állítanánk fel magas állványra a gyűrű fölé. A tükör a poláris vidékeken vízszintesen érkező napfényt függőlegesen lefelé vetíti a körtőbe. Innen egy másik, kúp alakú tükör vetíti be a gyűrű alakú üvegházba. Természetesen a felfújható szerkezet és a benne lévő élőlények, emberek és növények nem maradhatnak védtelenül: a szerkezetet több méter vastag rétegben az apró szemcsés holdi regolittal, holdporral takarnánk be.

4. ábra: A bázis alapelemének egy lehetséges felépítése. A horizonton körbejáró nap fényét egy lassan forgó tükör vetíti be a föld alá. Egy második, kúp alakú tükröző fólia továbbítja a fényt a gyűrű alakú üvegházba. Ezen a korai változaton a legénység lakó és dolgozó tere egy koncentrikusan elhelyezkedő másik gyűrű, a tükör pedig felfújható elemekből áll. Ezeket a részleteket később praktikus okokból megváltoztattuk.

Mivel szerettük volna maximalizálni az elérhető teret, de a stabilitás megőrzésével, így a gyűrű csövének átmérője kicsit több mint 5 méteres. A gyűrű belső üregének kb. 10 méter az átmérője, a gyűrű külső átmérője pedig így 21-22 méter. Így a növénytermesztés számára elérhető terület kb. 250 m2, a térfogat pedig kb. 1000 m3. Megfelelően hatékony gazdálkodás mellett egy ekkora üvegház elegendő oxigént és élelmiszert tudna termelni két fő folyamatos ellátásához. Ehhez a gyűrűhöz elvileg csatlakozhatna egy másik gyűrű, de ennek megvilágítása már viszonylag gyenge lenne a központi tükör által, így csak lakóhelynek lenne alkalmas, mezőgazdasági művelésre nem. Viszont ha a belső üvegház csak két főt tud eltartani, a második gyűrű, ami nagyobb mint a belső, már feleslegesen nagynak tűnik. Az első üvegház megépítésénél még praktikus lehet a jelentős számú személyzet elhelyezésére egy ilyen második gyűrűben, de amikor a bázis az önellátó fázisba lép, akkor elegendő, ha csak kisebb modulok csatlakoznak a belső gyűrűhöz.

5. ábra: Az önellátó Holdbázis alapeleme az élelmiszert és oxigént termelő üvegház. A gyűrű alakú szerkezethez több oldalról folyosó kapcsolódik. Az egyéb függelékek a személyzet lakó és dolgozó tereit hozzák létre.

A bázis alapeleme ezért inkább egy olyan toroid gyűrű lenne, amelyhez oldalról kisebb csövek, gömbök csatlakoznak. Ilyen gyűrűs alapelemeket elvileg tetszőleges számban kapcsolhatnánk egymáshoz. De nem szabad elfelejtenünk, hogy a napfényt a növényházba vetítő tükrök eltakarhatják egymás elől a Napot. Többféle elrendezést kipróbálva, majd a megvilágítási viszonyokat elemezve arra a következtetésre jutottunk, hogy az egyetlen elrendezés, amiben a tükrök nem zavarják egymást jelentősen, a lineáris. Ebben az esetben ugyanis a havonta a horizont mentén egy teljes kört megtevő Nap csak két pozícióban kerül takarásba, amikor a tükrök egyenese mentén az egyik vagy másik irányban van a horizonton.
Amint azt a 7. kép mutatja, a lineáris elrendezésnek nem kell nagyon pontosan egyenesnek lennie, mivel a távoli tükrök által vetett árnyék hatása már nem jelentős. Vagyis a vonal lehet görbe, de semmiképp nem ágazhat el. Viszont két különböző magasságú tükörtartó torony használatával megduplázható a növényházak száma: a 10 és 20 méteres magasságba elhelyezett tükrök nem vetnek árnyékot egymásra. Így végül azt mondhatjuk, hogy a leghatékonyabb elrendezés, amelyben az üvegházak tükrei a legkevésbé zavarják egymást, a kettős vonal mentén körülbelül 50 méterenként elhelyezett modulok sora.

6. ábra: Az üvegház modulok egyenes mentén történő elhelyezése azért fontos, hogy a tornyok tetején lévő tükrök minél ritkábban vessenek árnyékot egymásra. A távolabb lévő tükrök hatása ilyen szempontból sokkal kisebb, mint a közelebbieké, ezért az üvegházak sora kissé el is hajolhat, ha a terepviszonyok miatt erre szükség van. Ha kétféle, 10 és 20 méteres magasságú tornyokat alkalmazunk, akkor az üvegházak két párhozamos sorát tudjuk kialakítani, anélkül, hogy a tükrök leárnyékolnák egymást.

 

7. ábra: Felfújható elemekből álló, önellátó bázis a Holdon. A gyűrű alakú üvegházak egy-egy kis mesterséges domb belsejében foglalnak helyet. A fényt a 10 és 20 méter magas állványokra helyezett tükrök vetítik be a belső terekbe. A bázis elrendezése lineáris, az üvegházak két sorban sorakoznak, úgy, hogy a tükrök ne árnyékolják egymást hosszú időre. A dombok oldalán körbefutó fekete gyűrű a hűtést szolgáló radiátor.

 

Az első élő adásunk, melyben a Holdbázis került ismertetésre:

A helyszín kiválasztása

A Hold felszínén a jövőben megépítendő bázis kialakításánál figyelembe kell venni a környezeti viszonyokat. Bizonyos helyek alkalmatlanok lehetnek hosszabb ideig működő bázis kialakítására, máshol viszont kedvezőbbek a feltételek. Ezért igen fontos, hogy a célok megfogalmazása után alaposan megvizsgáljuk, hogy a céljainkat mely helyek szolgálják a leghatékonyabban.

Mivel a Holdnak nincs légköre, nincs időjárása, nincsenek éghajlati övei, viszont a forgása kötött, mindig ugyanazt az oldalát mutatja a Föld felé, három fő területre osztható fel: a mindig Föld felé néző oldal, a Földtől távolabbi oldal és a sarkvidéki területek. Az Apolló küldetések mindegyike a Föld felőli oldalon szállt le, hiszen ez teszi lehetővé a közvetlen kommunikációt a legénység és a Föld között. A Hold túlsó oldalán sokáig űrszonda sem landolt, de mostanában már ez is megtörtént, ilyen volt a kínai Chang’e 4 küldetés. A poláris területek azonban egyelőre kimaradtak a landoló egységek célpontjai közül.

A Hold két oldala – a sarki területeket kivéve – az emberi missziók szempontjából hasonló kihívásokat tartogat: ezeken a területeken a nappalok és az éjszakák egyaránt két hétig tartanak. A nappal két hete alatt akár +120 oC környékére is emelkedhet a hőmérséklet, majd a bekövetkező két hetes sötétségben a hőfok -180 oC alá is süllyedhet. Ilyen extrém hőmérsékleti különbségek mellett a felszínen megtelepedni szinte lehetetlen, így ezeken a területeken bármilyen stabil bázis csak mélyen a föld alatt, több méter vastag törmelékréteggel befedve képzelhető el.

De ahogy haladunk az egyenlítőtől a pólusok irányába, a hőmérsékleti különbségek úgy csökkennek. A napfény beesési szöge egyre kisebb, így egyre kevesebb energia éri a felszínt, ami a hőmérséklet általános csökkenését eredményezi. A poláris területeken így már ritkán emelkedik a hőmérséklet 0 oC fölé. Itt a hőmérséklet szinte pontról pontra változik, annak megfelelően, hogy a napfény mennyi ideig világítja meg az adott területet. A jobban megvilágított és ezért elfogadható hőmérsékletű részek mellett vannak olyan területek, ahova soha nem süt be a nap, így a hőmérséklet ott megközelítheti a -220 to -240 oC-ot is.

Ezek az örökké árnyékban maradó részek általában a mélyebben fekvő területeken, kisebb-nagyobb kráterek mélyén fekszenek. Lehetnek kisebb, akár csak 10 méter átmérőjű foltok, jól megvilágított területek közelében, de lehetnek több kilométer mély hatalmas kráterek is. Talán legismertebb képviselőjük a Shackleton kráter, amelynek peremén maga a Hold déli pólusa is elhelyezkedik. A magas perem egy kiválóan megvilágított terület, míg a kráter mélye maga a fagyos pokol: a több milliárd éve tartó állandó sötétség és elképesztő hideg birodalma.

Mint azt céljaink megfogalmazásakor láttuk, ezek a hideg, árnyékos területek (PSR-ok) azonban a Hold legértékesebb kincseit hordozhatják: olyan illékony anyagokat, vizet, ammóniát vagy szénhidrogéneket, amelyek révén sokkal könnyebbé válhat a Naprendszer felfedezése. A vízjég kibányászása révén az élet fenntartásához legfontosabb anyaghoz jutnánk hozzá, s lehetővé válna a növénytermesztés a Holdon. A víz elektrolízisével pedig hidrogénhez és oxigénhez jutunk, vagyis rakéta hajtóanyagunk akkor is lesz, ha más kibányászható anyagot nem is találunk. A leendő holdbázis helyének kiválasztásánál tehát a poláris területek elsőséget élveznek. Ez a jövőben nem feltétlenül lesz így. Ha az emberiségnek sikerül szolgálatába állítani a magfúzió energiáját, az egyik legjobb fúziós üzemanyag, a He-3 izotóp lesz. Ez az izotóp a földi héliumban rendkívül kis arányban fordul elő, a napszélből a Hold felszíni anyagába ágyazódott héliumban viszont sokkal nagyobb arányban. Vagyis ha sikerül a kémiai hajtóművektől a fúziós hajtóművekig eljutnunk, akkor a legfontosabb holdi alapanyag, a He-3 bányászata az egyenlítő környékén fog zajlani.

A konkrét helyszín kiválasztásánál persze több más szempontot is figyelembe kell venni. Ezek a következők:

  • A terület geológiailag stabil legyen. A Hold felszínét borító finom por instabil formációkat is létrehozhat. Emiatt landolt az Apollo missziók mindegyike sík területen. Még itt is kérdéses volt azonban, hogy a talaj mennyire stabil, ezért voltak tányérok a holdkompok leszálló lábain, hogy a laza homok ne nyelje el őket. Szerencsére a viszonylag kis gravitációs erő hatására a port alkotó éles szemcsék nehezen mozdulnak el egymáson, így kiderült, nem kell számítanunk arra, hogy futóhomok nyeli el a bázisunkat.
  • Legyen a közelben jól megközelíthető PSR (állandóan árnyékban lévő terület). Mivel az asztronauták szinte biztosan használni fognak járműveket a közlekedéshez, ezért a közeli PSR 20-30 km-es távolságon belüli helyet jelent. Emiatt elsősorban nem kisméretű kráterekben kell gondolkozni, amit gyalogosan megközelíthetnek az űrhajósok, hanem olyan nagyobb és mélyebb régiókra, ahol nagy mennyiségben számíthatunk kibányászható jégre.
  • A hely megvilágítása jó legyen. A jövendőbeli Holdbázis megfelelő működésében fontos szerepe lesz a napenergiának. Mivel a Hold sarki területein egy hónap alatt jár körbe a Nap a horizont közelében, a függőlegesen felállított és lassan forgatott, mindig a Nap irányába néző napelemek hatékonyan tudnak energiát termelni. Emellett a növénytermesztéshez is használható a bőségesen rendelkezésre álló napenergia, hiszen a legénység teljes élelmiszer és oxigén ellátásához nagy üvegházakra és rengeteg fényre van szükség.
  • Az építés feltételei adottak legyenek. Ez alatt azt kell érteni, hogy a helyszín és néhány száz méteres környéke viszonylag sík terület legyen, ahol gond nélkül felépíthető a bázis. A helyszín viszonylag kis emelkedésű lejtőkön megközelíthető legyen, hogy a hely ne szigetelődjön el a környezetétől és a környezet nagy távolságban is felfedezhető legyen járművekkel.
  • Legyen egy nagyobb sík terület az építési hely közelében, amely alkalmas űrkikötőnek. Ideálisan ez a hely nincs túl közel az építési területhez, hogy a hajtóművek által felkavart törmelék ne érje el a bázist, de nincs is túl messze, hogy a távolság megnehezítse a kirakodást. Az ideális leszállóhely néhány száz méterre lehet az építési területtől, lehetőleg egy néhány tíz méterrel alacsonyabban fekvő és kis lejtésű úton megközelíthető területen.

Helyszín a Déli sarkon

Mindezen feltételek tulajdonképpen nagyon erősen korlátozzák a leghasznosabb területek számát. A napfény beesési szöge a pólusokon alig változik, hiszen a Hold forgástengelye csak 1.5 fokkal tér el az ekliptika síkjáról: vagyis a Holdon sokkal kevésbé hangsúlyosak az évszakok, mint a Földön, ahol a forgástengely dőlése 23.5 fokos. Ezért a Hold poláris területein állva a Napot szinte vízszintesen látjuk körbemenni a horizonton. De ahogy távolodunk a pólusoktól, úgy emelkedik egyre magasabbra és süllyed egyre mélyebbre a Nap, ahogy körbejár. A pólusoktól néhány fokkal eltávolodva ez az ingadozás már erősen érzékelhető: például a pólustól 4 fokos távolságban a Nap magasságának ingadozása akár (4+1.5 ) x 2 = 11 fokos lehet.

8. ábra: A Hold déli sarkvidékének domborzati térképe.

 

9. ábra: A térképen a Holdnak a Shackleton kráter peremén fekvő déli pólusa és a Haworth kráteren túli Malapert Massif közötti területe látható. A Malapert Massif csúcsa 4 km-nél is magasabban helyezkedik el, a környező kráterek mélye pedig 3-4 km mély. A Malapert Massiftól jobbra látható a még magasabb Euler Massif, amelynek csúcsa közel 7 ezer méter magas. A Malaperttől jobbra a mély Cabeus kráter a NASA vizsgálatainak korábbi helyszíne, szinte biztosan rejt vízjeget.

A NASA egyik potenciális Holdbázis helyszíne például a Malapert-Euler Massif. Ez a holdi hegység 4 fok távolságra fekszik a Hold déli pólusától. Itt a megvilágítási viszonyok egészen jók, hiszen a több kilométer magas hegység csúcsain szinte folyamatos a megvilágítás: ahogy a Nap körbejár a horizonton, szinte folyamatosan látható, havonta csak néhány napra bukik a horizont alá a déli sark irányában. Viszont a Nap magassága erősen változik, ami bizonyos szempontból megnehezítheti a napfény begyűjtését. Másik jelentős hátránya ennek a helynek, hogy a terepviszonyok nem túl ideálisak. A közelben van ugyan több nagyobb kráter is, amelyek mélye értékes anyagokat rejthet, de a Malapert Massif teteje és a kráterek mélye között óriási a szintkülönbség. A 4-6 km magas hegyek és a 3-4 km mély kráterek között 8-10 km a szintkülönbség. És bár a távolság csak 50-70 km, valószínűleg csak hosszabb úton, kevésbé meredek lejtőkön lehetne megközelíteni a kráter mélyét. Látható ugyanakkor a 8. képen, hogy a Malapert hegység a Holdnak a Föld felé néző oldalán helyezkedik el, tehát a hegytető mindig látszik a Földről, ami folyamatos kommunikációt tesz lehetővé, műholdak használata nélkül is.

10. ábra: A Hold poláris területeinek megvilágítási térképei. Sötétkék szín mutatja a szinte folyamatosan vagy mindig árnyékban lévő területeket. A sárga szín kb. 50%-os megvilágítást jelent, a kisebb piros foltok pedig a szinte folyamatosan megvilágított hegycsúcsok, az Örök Napfény Hegyei.

Mivel az elképzelésünk szerint a növénytermesztés természetes napfény segítségével történne, olyan helyszínt próbáltunk választani, amely minél közelebb van az északi vagy déli pólushoz, hogy a Nap magassága az égen ne nagyon változzon. A pólusokhoz közeli megvilágítási viszonyokat már korábban elemezték. Mint azt a 10. ábra mutatja, a déli és az északi pólusok környékén is vannak olyan helyszínek, ahol a megvilágítási viszonyok kiválóak. A déli póluson a Shackleton kráter peremének magasabban fekvő része és a Shackleton krátert a de Gerlache kráterrel összekötő Connecting Ridge két magaslata a legjobban megvilágított helyszín. Szóba jöhet még a de Gerlache kráter nyugati pereme és a Slater fennsík is, bár ezek már 1 foknál távolabb vannak a pólustól, így a Nap magassága is erősebben ingadozik, emiatt időnként eltűnik a horizont alatt.

Elsőként a Shackleton kráter peremét vettük vizsgálat alá. A tudományos és sci-fi irodalomban ez a helyszín szerepel gyakran, mint a leendő Holdbázis helye. A részletes vizsgálat után azonban meg kellett állapítanunk, hogy a Shackleton perem nem szolgál rá a hírnevére, alkalmatlan arra, hogy ott bármi épüljön. Egyrészt a kráter pereme elég keskeny. Néhol csupán 100 méter széles és mindkét oldalon meredek lejtő kezdődik. Kérdéses, hogy egy ilyen keskeny területen épületek és biztonságos közlekedési folyosó is elférjen egymás mellett. A Lunar Reconnaissance Orbiter részletes képén ugyanakkor az is látszik, hogy a perem korántsem sík: szélessége abból ered, hogy általában két-három kiemelkedő gerincből áll. Ráadásul, a Shackleton belső oldalán lévő lejtő szinte teljesen sima. Megfigyelhető ugyan néhány erodálódott krátermaradvány a belső lejtőn, de ezek még jobban mutatják a valóságot: a kráterperem teljesen instabil. A több élű perem és a belső oldal kráterezettségének hiánya mutatja, hogy a perem homokkal fedett részén rendszeresen földcsuszamlások fordultak elő. Ez pedig azt jelenti, hogy a Shackleton pereme valószínűleg az egyik legveszélyesebb hely a Holdon. Bárki, aki odalép, azt kockáztatja, hogy egy megcsúszó homokréteg magával sodorja a kráter aljának több kilométer mély, -200°C-os örök sötétségébe.

11. kép: A Shackleton kráter napfényben fürdő magas pereme a Lunar Reconnaissance Orbiter képeiből készült mozaik felvételen. Sajnos a kráterperem redőzöttsége és a belső oldal lejtőjén a kisebb kráterek hiánya egyértelműen mutatja, hogy a peremet fedő porréteg erősen instabil és a legkisebb külső hatásra megcsúszik. A földcsuszamlás veszélye miatt viszont a Shackleton kráter pereme alkalmatlan az építkezésre.

Pontosan ugyanezen okokból sejthető, hogy a Shackleton mélyén fekvő potenciális jégkészletek talán soha nem lesznek elérhetők. A fiatal kráter meredek oldalán több kilométeres mélységbe kellene leereszkedni, hogy a mély fagy birodalmába jussunk el. A 40 fokos lejtőn szabadon mozgó járművel leereszkedni lehetetlen. Csak valamiféle drótkötélpályán lenne ez lehetséges, de ilyet kiépíteni igen nagy feladat lenne. Odalent pedig valószínűleg nem találnánk mást, mint a korábbi földcsuszamlások törmelékét. Egyáltalán nem lenne meglepő, ha a kráter alján nyugvó hasznos fagyott anyagokat vastag törmelékréteg fedné. Ezzel szemben az idősebb, erodálódott kráterekbe jóval könnyebben, kis lejtésű útvonalakon, járművekkel bejuthatunk, s ha a bányászat itt sem bizonyul könnyűnek, legalább a megfelelő gépeket könnyebben el tudjuk juttatni a célterületre. Végül tehát a Shackleton kráter peremét több ok miatt is ki kellett zárnunk a jelöltek közül.

12. kép: A dél-koreai Danuri űrszonda Shadowcam műszerének felvétele a Shackleton-kráter alját mutatja. Bár a kráter mélye gyakorlatilag teljes sötétségbe burkolózik, a kráterperemről visszaverődő gyenge fényt kihasználva készített a Shadowcam felvételt a területről. A nagyobb kráterek lágy görbületű formái jól mutatják, hogy a kráter alját vastag törmelékréteg borítja, ami valószínűleg a kráter pereméről és oldaláról csúszott le. A nyíl egy nagyobb sziklatömb gurulásának nyomát jelzi.

A Connecting Ridge két fennsíkja szerencsére sokkal kedvezőbbnek tűnik, mint a Shackleton pereme. Mindkettő viszonylag lapos, sík terület, ami nem túl meredek lejtőkkel kapcsolódik a környező tájhoz, és az építésre jelentős előkészítés nélkül is alkalmas. A felső laza regolit réteg minden jel szerint geológiailag stabil. A két terület közül azonban a C1 jelzésű kb. kétszer nagyobb, mint a C2, ezért az előbbit jelöltük ki elsődleges építési területnek.

13. kép: A Connecting Ridge C1-es területének domborzati viszonyai. A kép az LRO lézeres altimétere (magasságmérője), a LOLA adatainak felhasználásával készült. A terület középső részén átlósan húzódik a bázis építési területe, ahol az üvegházak két sorban fognak sorakozni. A gerinc jobb felső sarokba eső, kissé alacsonyabban fekvő része lehetne a landolási terület.

A megvilágítással korábban foglalkozó szakértőkkel felvettük a kapcsolatot és részletesen megvizsgáltuk a C1 helyszín tartogatta lehetőségeket. A LRO műhold adatait használtuk a részletes elemzéshez. Az LRO lézeres magasságnérője, a LOLA által szolgáltatott adatok révén lehetett megrajzolni a terület domborzati képét. Ez sokkal hasznosabbnak bizonyult, mint az LRO kameráival készült részletes fénykép. A környezet domborzati viszonyait betáplálva, számítógépes program számolta ki a terület megvilágítási viszonyait, 0m, 10m és 20 m magasságban.

14. kép: A Connecting Ridge C1-es területének megvilágítási viszonyai, a fent zölddel jelölt ponton. Közvetlenül a felszínen még viszonylag gyenge a megvilágítás. De 10 m magasságban már több mint 90%-os a megvilágítási idő, 20 m magasságban pedig még jobb a helyzet. A déli sark telén, június-augusztusig előfordulhat néhány sötétebb időszak, ezek közül azonban a leghosszabb is csak 4 napos. Minden más esetben szinte folyamatos a megvilágítás.

Mint azt a 10. és 14. ábra mutatja, a Connecting Ridge C1-es területe kiváló megvilágítással bír. A felszíntől 10 vagy 20 méteres magasságban, ahova a tükrök kerülnek, a Nap az idő több mint 90%-ában folyamatosan megvilágítja a helyet. Sötétebb időszakok csak a déli félteke telén, június-augusztus között vannak. Ekkor időnként a láthatár alá bukik a nap. De ilyenkor is csak rövid időre teszi: a leghosszabb ilyen időszak alig 4 nap hosszú, minden más alkalommal rövidebb ideig tart a sötétség. Nyáron, január környékén pedig több hónapon keresztül folyamatos a megvilágítás.
Úgy tűnik tehát, hogy a C1 terület lenne az ideális hely a Holdbázis komplexumunk megépítéséhez. A megvilágítási viszonyok kiválóak, ezért a növénytermesztés és az energiatermelés szinte folyamatos lehet egész évben. A téli időszakban előforduló pár napos sötétséget a növények át tudják vészelni még akár mesterséges világítás nélkül is. A C1 fennsík lejtése minimális, hossza több mint egy kilométer, s ezen a távon szinte teljesen vízszintes, szélessége pedig mindenütt 2-300 méter. Van ugyan a területen néhány kisebb kráter, de ezek nem feltétlenül zavarják az építkezést, illetve akár be is temethetők, ha a fennsíkon szükség lenne még több helyre. A fennsík Shackleton kráter felé elnyúló része pedig ideális leszállóhely: kissé alacsonyabban fekvő, de mégis sík terület, amely könnyen megközelíthető. Néhány ígéretes PSR is könnyen megközelíthető a C1-es helyszínről: a de Gerlache kráter alja és a 11. képen tőle lefelé (valójában kelet felé) lévő Sverdrup kráter is ígéretes helyszín a jég kitermelése szempontjából.

15. kép: A déli pólus közvetlen környékének hegyei. A kiválasztott C1 hegytetőről könnyen megközelíthető az erodálódott de Gerlache és a Sverdrup kráterek mélye.


Az északi pólus környéke

Hasonlóan kedvező helyszínt próbáltunk találni az északi póluson is, függetlenül attól, hogy a megfigyelési adatok szerint itt kisebb az esély a könnyen kitermelhető vízjég jelenlétére. A megvilágítási viszonyokat itt is elemezte már előttünk néhány szakember. A három legjobban megvilágított területet mutatja a 10.ábra bal oldali képe. A három terület közül a Whipple kráter W-vel jelzett részét hasonló módon kizártuk a lehetőségek közül, mint a Shackleton krátert. Bár nem sikerült olyan részletes fotókat találnunk a helyszínről, mint a Shackleton kráter esetében, feltételeztük, hogy a fiatal, meredek lejtőkkel határolt Whipple kráter hasonló problémákat tartogat, mint déli sarki megfelelője.

16. ábra: A Hold északi sarki területeinek megvilágítása. A kompozit kép az LRO által egy év eltelte alatt készített felvételekből készült. A fényesség az éves megvilágítással arányos. A legjobb megvilágítású területeket a W (Whipple kráter), P (Peary kráter) és H (Hinshelwood kráter) betűk jelölik.

A másik jó megvilágítású terület a hatalmas Peary kráter hosszan elnyúló, erodálódott pereme. A fiatal Whipple peremmel ellentétben ez szinte egyenes, lapos hegyhát. Maga az északi pólus is ezen a hegyháton helyezkedik el. Elvileg megfelelne a terület az építkezésre, mégsem ezt részesítettük előnyben a választásnál, mivel a viszonylag keskenyen elnyúló területet mélyedések szakítják meg, ami nem csak az építést, de a közlekedést, szállítást is akadályozhatja. Igazán ígéretes, nagy méretű PSR sincs a közelben, ami kellően mély és hideg lenne ahhoz, hogy nagy mennyiségű vízjeget tároljon. Így aztán továbbléptünk az öreg, erodálódott és széles Hinshelwood kráterperem felé.

17. ábra: A H-val jelzett, kiváló megvilágítású terület a Hinshelwood kráter peremén. A három négyzet a leghosszabb ideig megvilágított helyszíneket jelzi. A terepviszonyok vizsgálata alapján a H0 és a H2 területeket egyaránt alkalmasnak találtuk holdi bázis építésére.

Itt két terület is ígéretesnek tűnt, a H0 és H2 jelű területek. Bár mindkettő alkalmas lehet az építkezésre, a H0 jelűt választottuk az elemzésekhez. A megvilágítási viszonyokat részletesen számolva azt találtuk, hogy a téli hónapokban sajnos viszonylag hosszú sötét időszakok is előfordulhatnak. Bár nyáron itt is folyamatos a megvilágítás, télen akár 11 nap hosszúságú sötét időszakok is előfordulnak. Ez elsősorban azért van, mert az északi sark terepe sokkal alacsonyabban fekszik, mint a déli sark. Ott a Connecting Ridge fennsíkjai 1500 méternél magasabban helyezkednek el, míg az északi sark hegyvonulatai alig néhány száz méter magasak: vagyis a Nap könnyebben eltűnik a látóhatár mögött. Megpróbáltuk megvizsgálni, hogy a tükröt tartó torony magasságát extrém méretűvé növelve javul-e a helyzet. Sajnos azonban 100 méter magas tükörtorony esetén sem javulna sokat a megvilágítás. Így aztán bele kellett törődnünk, hogy az északi sark telén sajnos lesznek hosszabb, 11 napos megvilágítatlan időszakok is, bármelyik helyszínt választjuk is.
Maga a H0 jelű terület egy kisebb erodálódott kráter a nagyobb, erősen erodálódott Hinshelwood kráter peremén. Mint az látszik a LOLA adataiból készült domborzati képen, a kráterperem északi oldala viszonylag hosszú, lapos terület. Ez a hely felelne meg a legjobban az építkezésre. A 18. ábra bal felső sarkában ugyanakkor van egy kissé alacsonyabban fekvő sík terület, ami körülbelül 200m x 200m nagyságú – ez alkalmas lenne leszállási zónának. Déli irányban haladva enyhe lejtőkön lehet megközelíteni a Hinshelwood kráter mély, örökké sötét alját, ahol várhatóan fagyott illékony anyagokat, vízjeget találhatnánk bányászatra alkalmas mennyiségben.

18. ábra: A H0 terület domborzati térképe a Hinshelwood kráter pereménél. A szintvonalak 1 m-es szintkülönbséget jeleznek. Az erodálódott kráternek a kép jobb felső sarka felé néző, északi oldala alkalmas építésre, hiszen a több száz méter hosszan elnyúló fennsíkon alig néhány méteres a szintkülönbség. A kráter belseje ugyanakkor alig kap megvilágítást, így takarással alkalmas lehet kriogén tartályok (oxigén, hidrogén, széndioxid) elhelyezésére. A kép bal felső sarkában lévő terület pedig alkalmas lenne leszállópályának.

 

19. ábra: Megvilágítási viszonyok a korábbi képen H0-al jelölt területen. A grafikon a topografikus térkép sárgával jelölt pontjában kapott értékeket ábrázolja. Közvetlenül a felszínen már egészen kis tereptárgyak is le tudják árnyékolni a fényt (legfelső csík), de 10 méteres magasságban már szinte folyamatos a megvilágítás, a napkorong az egy év alatt eltelt 8760 óra közel 90%-ában látható (középső csík) – a sötétség csak 857 órára borítja be a tájat mindösszesen. 20 méteres magasságban a megvilágítás javul kissé, habár nem jelentősen, és hosszabb-rövidebb sötét időszakok ilyen magasságban is előfordulnak az Északi Sark telén. Sajnos ez általános probléma a Hold északi pólusánál, hiszen itt csak alacsony dombok húzódnak végig a tájon és nincs olyan magasra kiemelkedő terület errefelé, mint a deli póluson a Connecting Ridge.

 

 


A mérnöki megoldásokról a cikksorozat 2. részében olvashattok majd!

Ads Blocker Image Powered by Code Help Pro

Kérjük engedélyezd a reklámokat

Így tudod a Spacejunkie csapatát támogatni, hogy minél több friss hírt hozhassunk Nektek az űrutazás, űrkutatás világából!
Dark mode powered by Night Eye