Építsünk Holdbázist! – A felfújható Pneumo Planet lakópark és üvegház rendszer bemutatása, 2. rész

Kapcsolódó

Pakisztáni műhold indult kínai rakétán

Az ázsiai ország legújabb távközlési műholdját egy kínai hordozórakétával...

Úton van a Progressz MSz-27

Az idei év második Progressz teherűrhajója indult el a...

A nap képe #1484 – A Csilin-1 konstelláció felvétele

A Csilin-1 konstelláció április 28-i felvétele a Kujcsouban található...

Hivatalos sajtótájékoztatón is bemutatták Magyarország következő kutatóűrhajósát

Kapu Tibort és a tartalék kutatóűrhajóst, Cserényi Gyulát a...

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.

A sorozat 1. részében olyan kérdésekre kaphattunk választ, hogy egyáltalán miért van szükség állandóan lakott Holdbázisra, hol és milyen alapelvek alapján gondolták Gáborék felépíteni a bázist, ebben a részben pedig a mérnöki megoldásokról, újrahasznosítási lehetőségekről lesz szó.

Mérnöki megoldások

Az elektrosztatikus tükör

Mint azt láttuk, a bázis alapelemét jelentő növényházba egy magas toronyra felállított tükör vetíti be a Nap fényét. A Hold poláris vidékein a Nap a horizont mentén vándorol végig és egy teljes kört a Hold keringési periódusának megfelelő 29,5 nap alatt tesz meg. A tükörnek tehát mozgathatónak kell lennie és egy teljes fordulatot közel egy hónap alatt kell megtennie, hogy mindig a Nap irányába tudjon fordulni.

Első megoldásnak tükörtartóként egy felfújható szerkezetre gondoltunk, amely egy felfújható, gyűrű alakú keretből és a közé kifeszített két fóliából áll. Ha a fóliák közé gázt engedünk, akkor a fóliák kidomborodnak. Ha az elülső fólia átlátszó, a hátulsó pedig tükröző fémréteget tartalmaz, akkor a tükröző fóliát a homorú oldalával a Nap felé fordítva homorú, fókuszáló tükröt kapnánk. (Lásd a 4. ábrát)

Ezt a megoldást azonban hamar elvetettük, mert a nagy sebességgel száguldó bolygóközi porszemcsék, a Holdba csapódó mikrometeoritok igen hamar kilyuggatnák a fóliákat. A már láthatatlanul kicsi, csupán 10-15 g tömegű, századmilliméteres nagyságú részecskék igen gyakoriak a bolygóközi térben, de még elég energiájuk van a fólia átlyukasztásához. A számolásaink szerint ezért már egy hét alatt jelentős lenne a gázveszteség az állandóan keletkező mikroszkopikus lyukak miatt, a gázt pedig a légkör nélküli Holdon igen nehéz lenne pótolni. Egy hónap múlva pedig már olyan ütemű lenne a gázveszteség, hogy cserélni kellene a tükröt. Ezért másik – nem-felfújható – megoldást kerestünk.

20.ábra: A Föld és a Hold környezetében a mikrometeoritok tömeg és gyakoriság szerinti eloszlása. A leggyakoribbak a néhány milliomod grammnyi tömegű szemcsék. Óriási sebességük miatt azonban ezek a szemcsék is ki tudják lyukasztani a használt fóliákat, membránokat.

A jelenlegi elképzelésünk szerint a tükör egy elektromosan szigetelő anyagból álló keretre feszített két, nagyon vékony fémréteget tartalmazó fóliából állna. Ha a fóliákra nagy elektrosztatikus feszültséget kapcsolunk, akkor a két fólia vonzza egymást és egymás felé görbül. Így a fóliák homorú oldala ismét csak gyűjtőtükörként használható. Fontos azonban, hogy a Nap felé fordított fólia töltése pozitív legyen. A fotoelektromos hatás révén ugyanis a Napból jövő fény és egyéb sugárzások elektronokat löknek ki a felületből, így ha a negatív elektródát világítaná meg a fény, akkor az nagyon gyorsan elveszítené a töltését. A negatív töltést tehát a hátulsó, sötétben lévő fólia kapja és a Nap felé néző oldal lesz a pozitív. A töltések megtartását segítheti az is, ha a fólia szendvics-szerkezetű, vagyis a feltöltött, tükröző fémréteget mindkét oldalról szigetelő műanyag réteg veszi körül. Persze a töltések elvesztését nem lehet teljesen megakadályozni, de minél kisebb a veszteség, annál kisebb áramra és teljesítményre van szükség a fóliák homorú alakjának megtartásához.

21. ábra: Az elektrosztatikus tükör modellje. A tartórudakból álló torony elektromosan szigetelő, ahogy a fenti elliptikus keret is. A keretre két fólia van kifeszítve, amelyek vékony fémréteget tartalmaznak. Ha nagy feszültséget kapcsolunk a fóliákra, akkor azok egy kondenzátor két lemezét fogják alkotni, s a feltöltött fóliák vonzani fogják egymást. A vonzás miatt egymás felé hajló fóliák behomorodnak és a Nap fényét fókuszálva tükrözik lefelé a torony alatti kürtőbe.

A rendkívül könnyű tükröző fóliákat tartó szerkezet hasonló ahhoz, amelyek a modern sátrakat feszítik ki. Ott szénszálas műanyag kompozit anyagból készült vékony csöveket alkalmaznak. Ezeket a csöveket modulárisan, rövid darabokat egymásba csúsztatva lehet hosszú rudakká építeni. A 21. ábrán látható szerkezetet hasonló módon, rövid elemek egymásba dugásával lehet összeszerelni. Az eltérés csak annyi a sátortartó szerkezetektől, hogy a tükröt tartó állványnak szigetelő anyagból kell lennie. Így a szénszálas kompozit anyagok helyett bórszálas vagy kevlárszálas kompozit anyagokat kell használni a csövek gyártásához. Persze a kisebb elemekből történő építés egy 20 méter magas torony esetén nehézkes lehet, így megfontolandó a torony néhány nagyobb darabból történő összeszerelésének lehetősége is. Becsléseink szerint a tornyok a tükrökkel együtt így 300 kg tömegűek lennének, ami azt jelenti, hogy a holdi gravitációban 50kg-os földi tömegnek felelnének meg, vagyis ezeket két ember akár kézi erővel is mozgatni, építeni tudja.

A holdi gyenge gravitáció a szerkezet mozgatását is segíti. A torony kör alakú alapját úgy lehet a legegyszerűbben körbe forgatni, ha a torony mágneseken lebeg. A Hold felszínét beborító finom por ugyanis nagyon könnyen bejutna bármilyen csatlakozásba, és az éles szemcsék gyorsan tönkre tennék az érintkező alkatrészeket, a nagyobb szemcsék pedig megakadályoznák a mozgatást. Viszont ha a torony lebeg, vagy legalábbis a felső, a talajtól messzebb lévő része lebeg, akkor a forgást nem akadályozza semmi. Számításaink szerint ezer darab, 10 g tömegű erős neodímium permanens mágnesből álló sínpár – összesen csupán 10 kg tömeggel – már minden gond nélkül lebegésben tudná tartani a tornyot, így megkönnyítve a körbe forgatást. Egy léptető motor pedig körülbelül két óránként fordítana egy fokot a tornyot lebegtető mágnesgyűrűn, hogy a tükör kövesse a Nap mozgását.

Tükrünknek így már csak egyetlen hibája marad: a látható fény mellett bevetíti az üvegházba a Napból jövő ultraibolya sugárzást is. Szerencsére erre is találtunk megoldást. Jelenleg az űrtechnológiában a leggyakrabban olyan Kapton fóliát használnak fényvisszaverő célokra, amelyben 10-20 mikron vastagságú alumínium réteg a tükröző felület. Az alumínium azonban jól visszaveri az UV sugárzást is, ezért alkalmatlan számunkra. Az ezüstnek ellenben sokkal kedvezőbb a reflexiós spektruma. A látható tartományban az ezüst nagyon magas, közel 100%-os visszaverő képességgel rendelkezik, viszont a közeli UV tartományban drasztikusan lecsökken ez az érték. Mivel az UV tartományban már csak 20%-os az ezüst reflexiója, ezért ha a toronyban álló tükröző fóliát és az alul, az üvegházban található másik, kúp alakú tükröt is ezüst réteggel készítjük, akkor a két visszaverődés után az UV fény intenzitása az eredetinek 4%-ára csökken. Ezért a két visszaverődés után az üvegházba érkező fény spekruma már nagyon fog hasonlítani a földfelszínihez és sem a felfújható membránszerkezet, sem a növények nem szenvednek károsodást.

22. ábra: Néhány fém fényvisszaverési spektruma. Az ezüst (Ag) kiváló ultraibolya szűrő, mivel a látható fényben még 95% körüli fényvisszaverése a közeli UV tartományban drasztikusan lecsökken. Két visszaverődés után a tükrök által továbbengedett UV fény intenzitása közel azonos less a földfelszíni értékkel.

Élő beszélgetésünk a Holdbázis bemutatásáról:


Az üvegházak hűtése

A bejövő nagy fényteljesítménnyel kapcsolatos másik megoldandó probléma a hűtés volt. Ahhoz, hogy a növények elő tudják állítani a szükséges oxigén és élelmiszer mennyiséget, igen nagy fényteljesítményt kell bevezetni a 250 m²-es üvegházba. Számításaink szerint olyan ellipszis alakú tükörre van szükség, amelynek kisebb tengelye 9 m, nagyobb tengelye 14 m. Így a tükör az UV komponenst csökkenését is figyelembe véve kb. 65 kW folyamatos fényteljesítményt vetít be az üvegházba.

A problémát az jelenti, hogy a holdi finom regolith, a holdpor nagyon jó hőszigetelő. Már az Apollo programban is végeztek hővezetési vizsgálatokat a holdporral az űrhajósok, így ez igazolást is nyert. Az éles felszínekkel határolt szemcsék nagyon kis felületen érintkeznek egymással, köztük pedig légmentes tér van. Így a hőátadás leginkább infravörös tartományú hősugárzással és elnyeléssel történik a szemcsék között, ami rendkívüli módon lelassítja a hő elvezetését a rengeteg apró szemcse közt.

23. ábra: Az üvegház hűtését olyan radiátorokkal lehet megoldani, amelyeket vízszintesen helyezünk az üvegházat borító dombra, így a napfény nem éri őket. A üvegházból jövő hűtőfolyadék átáramlik a radiátoron, felmelegítve azt, a nagy felület pedig kisugározza a hőt a világűr felé.

Az üvegházak nagyon gyorsan felforrósodnának tehát, ha nem vezetnénk el a felesleges hőt. A fotoszintézis sajnos nem túl jó hatásfokú folyamat, így a bejövő 65 kW-ból legalább 55 kW-ot nem használnak fel a növények és az csak melegíti az üvegházat, ezért azt ki is kell vezetni onnan. Ehhez olyan hőcserélő rendszert terveztünk, amelynek „hideg”, hőfelvevő pontja az üvegházakban van, az itt elpárolgó ammónia hűtőközeg pedig a felszínen vízszintesen elhelyezett radiátorokban csapódik le, és az űr felé kisugározva adja le a hőt. Hasonló, ammónia hűtőközegű termosztát berendezés működik a Nemzetközi Űrállomáson is, ahol szintén a Napnak élével fordított radiátorok adják le az állomás belsejében keletkező felesleges hőt.

Számításaink szerint folyamatosan működő hűtőrendszer 200 m² felületű radiátorokkal gond nélkül képes a kellemes, 26°C állandó hőmérsékletet biztosítani az üvegházakban. A folyamatos működésre azonban nincs is szükség. Az emberi személyzet pihenését is segíti, ha időnként sötétségbe borul a bázis, másrészt a növényeknek is szükségük van a kikapcsolódásra. Ezért úgy terveztük a rendszert, hogy naponta körülbelül 5 órára sötétítő redőnyök gördülnek le az üvegház felfújt gyűrűjének központi kürtőjében, így mesterséges éjszakát hozva létre. Ez a pihenő időszak segít abban is, hogy a hűtőrendszert tehermentesítse naponta néhány órára. A sötétítő redőnyök szerepe ugyanakkor kettős. Nem csak a külső fényt zárják ki, de tükröző felületük a belső hőt is bent tartja az infravörös sugárzás visszaverésével. Erre főleg akkor van szükség, ha a téli időszakban a Nap több napra a horizont alá bukik és a bázis hosszabb időre sötétségbe borul. A redőnyök használatával ugyanis a számításaink szerint alig néhány Celsius fokot csökken a hőmérséklet az üvegházban például a déli pólus 4 napos sötétbe borulása alatt is.

24. ábra: Hőmérséklet eloszlás az üvegház keresztmetszete mentén, néhány napos teljes sötétség után. A talaj nagy hőkapacitásának és a redőnyöknek köszönhetően az üvegháznak csak nagyon lassan csökken a hőmérséklete akkor is, ha nem süt a Nap. Amikor újra besüt a nap az üvegházba, a talaj újra felmelegszik – ezzel csökkentve a hűtőrendszer terhelését – és melegen tartja az üvegházat.


Az anyagok körforgása, újrahasznosítása

Mint láttuk, reményeink szerint az állandóan árnyékban lévő kráterekben nagy mennyiségű kitermelhető vízjeget találunk, de az üvegházak működtetéséhez szükséges minden más anyagot valószínűleg magunknak kell a Holdra szállítanunk. Ennek nyilván jelentős költsége törvényszerűvé teszi, hogy az anyagok zárt ciklusban történő újrahasznosítása létfontosságú a bázis önfenntartó működéséhez.

A legegyszerűbb eset a nitrogéné. A nitrogénre leginkább semleges gázként, a levegő alkotórészeként van szükség: nem olyan reakcióképes mint az oxigén, de biztosítja a kellő nyomást a belső terekben. Ezen kívül a növények fehérjeszintéziséhez is szükséges némi nitrogén. Nitrogénhez azonban szinte biztosan nem férünk hozzá a Holdon, így a teljes mennyiséget oda kell szállítani. Hogy minél kevesebb legyen a szállítandó mennyiség ebből az anyagból, úgy döntöttünk, hogy a levegő összetételét a megszokott földi 78%-os nitrogén arányról lecsökkentjük. Ha a nitrogén részarányát 65%-ra csökkentjük és ezzel együtt az oxigén aránya 35% lesz, akkor kisebb nyomást is alkalmazhatunk. 1 bar helyett csak 0.5 bar nyomást alkalmazva a nitrogén üvegházankénti mennyisége több mint 1 tonnáról körülbelül 500 kg-ra csökken. A kisebb nyomás ellenére az oxigén parciális nyomása, 0.175 bar közel azonos a kb. 2 km magasságú hegyek tetején mérhető földi értékkel (0.168 bar), vagyis némi megszokás után zavartalan légzést tesz lehetővé, hasonlóan a magashegységi környezethez. A kisebb nyomás egyúttal csökkenti a felfújható membrán szerkezetek és tartóköteleik terhelését is, viszont még így is bőven elegendő a felfújt épületek tetejére halmozott, több méter vastag törmelékréteg megtartásához: a légnyomás ebben az esetben 5000 N/m² míg a törmelék súlya 4 méteres vastagság esetén is csak 1300-1500 N/m² a Holdon.

Természetesen a belélegezhető levegőhöz a növényházankénti 500 kg nitrogénhez körülbelül fele annyi oxigént is adni kell, így jutunk a fentiekben említett magas oxigéntartalmú levegőhöz. Hosszú távon elképzelhető, hogy az oxigént a kibányászott vízjég elektrolízisével elő tudnánk állítani, de az első üvegházakat valószínűleg a Földről transzportált oxigénnel kell megtöltenünk. Mivel nem külön nitrogénre és oxigénre, hanem a keverékükre van szükség, könnyebb szállítást tesz lehetővé, ha a levegőt nitrogén-monoxid (N2O) formájában szállítjuk a Holdra. A kriogén, közel -200°C hőmérsékletet igénylő folyékony oxigén és nitrogén helyett a nitrogén-monoxid 5 bar nyomáson -60 és -90°C között szállítható. Nagyobb sűrűsége miatt a helykihasználása is eredményesebb, mint külön-külön az összetevőké. Maga a nitrogén-monoxid nem mérgező – hétköznapi neve nevetőgáz és érzéstelenítésre használják – levegőre bontása pedig egy kisméretű katalizátoros eszközzel is megoldható.

Mivel a bázis működésének megkezdésekor nagy mennyiségű vízre is szükség van, egy érdekes kémiai megoldás lehetővé teszi a víz és a levegő együttes szállítását ammónium-nitrát formájában. A szilárd formában robbanásveszélyes és rakéták hajtására is használt anyag vizes oldatban veszélytelenül szállítható. Exoterm bomlásakor pedig a szükséges 2:1 nitrogén-oxigén arányú levegőre és vízre bomlik:

2 NH4NO3 = 4 H2O + 2 N2 + O

A szállításnak ez a formája egyrészt azért előnyös, mert az oldat jóval nagyobb sűrűségű, mint a víz, vagy a kriogén nitrogén és oxigén. Másrészt viszonylag tág hőmérsékleti határok közt biztonságosan tárolható, nem igényel sem hűtést, sem műszaki felügyeletet, így fontos tartalékot képezhet olyan időszakokban is, amikor a bázison nincs emberi személyzet.

A víz és a levegő mellett a harmadik legfontosabb összetevő a szerves élet alapeleme, a szén. Mivel a Holdon tudomásunk szerint nemigen vannak szénvegyületek, az üvegházakban növekedő biomasszát a Földről származó szerves anyaggal kell táplálni. Ennek legegyszerűbb módja, ha a bázist elsőként benépesítő személyzet számára odaszállított élelmiszert alakítjuk át biomasszává. A személyzet által kilélegzett szén-dioxid táplálja a növények légzését, a biológiai hulladékok pedig komposztált talajként kerülnek be a biológiai körforgásba. A szerves anyagok egy része akár aquapóniás vagy aeropóniás növénytermesztés működtetésére is felhasználható.

Számításaink szerint egy két főt eltartani tudó üvegház biomasszájának kialakításához a két fős személyzet körülbelül egy évnyi élelmiszerkészlete szükséges, fejenként 800 kg élelmiszer, összesen 1.6 tonna. Ennek széntartalma a kilégezett szén-dioxid révén és a biológiai hulladékkal válik a biomassza részévé. Gondolnunk kell azonban arra is, hogy az élelmiszer szén-dioxiddá és hulladékká alakulása egyenletes folyamat, a felhasználás azonban nem az. A csírázási fázisban a növények CO2 fogyasztása nagyon alacsony, a teljesen kifejlett és termő fázisban viszont nagyon magas. Mivel az üvegház 1000 m² levegőjében a szén-dioxid minimálisan szükséges 0.04% arányát egyetlen nap alatt biztosítja két fő légzése, a túlzott felhalmozódást elkerülendő szén-dioxid kivonó és tároló egységet kell biztosítani minden üvegház számára.

A szén-dioxid kivonására fizikai és kémiai módszereket is lehetne használni, de az alacsony, 1%-nál kisebb koncentráció miatt a fizikai módszerek nagyon alacsony hőmérsékletet és nagy nyomást igényelnének, s még úgy sem lennének hatékonyak. Ezért arra jutottunk, hogy a legegyszerűbb és legenergiatakarékosabb megoldás, ha visszafordítható kémiai folyamatok segítségével vonjuk ki a CO2-t a levegőből. Az űrkutatásban korábban alkalmazott alkáli-oxidok sajnos most nem használhatók: a lítium-oxid (Li2O) például hatékonyan megköti a CO2 gázt, de csak 1300°C-on regenerálható, ami nagyon energiaigényes lenne. Ezért inkább monoetanol-amin (MEA) alapú oldatot javasolnánk a CO2 kivonására. Az oldatban a MEA a saját súlyának kb. a felét tudja megkötni szén-dioxidból, amit aztán a 100°C körüli regenerálási hőmérsékleten ereszt el.

25. ábra: A szén-dioxid kiszűrésére használható levegőszűrő berendezés vázlata. Mivel a szén igen értékes anyag a Holdon, a jövőbeni felhasználásra szánt, kivont szén-dioxidot egy alacsony hőmérsékletű, kriogén tartályban tároljuk a bázishoz közeli, napfénytől védett helyen.

Mint azt a 25. ábra mutatja, ha a személyzet által kilégzett levegőt a MEA oldatot tartalmazó oszlopon buborékoltatjuk át, az oldat kiszűri a szén-dioxidot. A levegőbe került monoetanol-amint egy másik, tiszta vizet tartalmazó oszlopon buborékoltatva szűrjük ki. Amikor az oldat szén-dioxiddal telítetté vált, hevítéssel felszabadítjuk belőle a gázt és elvezetjük a kriogén tárolóba későbbi felhasználásra.

Mindezeket az anyagokat, amelyeket betáplálunk az üvegházakba, a rendszer nagyobb veszteségek nélkül keringteti. A szén-dioxid és az oxigén körforgása a biológiai folyamatok révén valósul meg: az emberek és a hulladékot lebontó állatok, baktériumok szén-dioxidot termelnek, a növények pedig ebből állítják elő fotoszintézissel az élelmiszert, ami újra hulladékká és szén-dioxiddá alakul az emberi testben. (Lásd a 26. ábrát.) A szén-dioxid újrahasznosításában egyértelműen a biológiai módszer az egyetlen igazán hatékony, amely 100%-os újrahasznosítást jelent. A jelenlegi technológiai megoldások, amit a Nemzetközi Űrállomáson alkalmaznak – ami a Sabatier reakció révén nyer vissza oxigént a szén-dioxidból – vagy akár a Marsra telepített Moxie készülék, amely szén-dioxidból szén-monoxidot és oxigént termel, közel sem ilyen hatékonyak.

26. ábra: A szén-dioxid és az oxigén körforgása az üvegházak zárt rendszerében.

A víz körforgása sem túl bonyolult ebben a rendszerben. Ha tisztításhoz, mosáshoz, mosogatáshoz nem használunk vegyszereket hanem csak magas hőmérsékletű vizet és csak biológiai úton lebomló tisztítószereket, akkor a szennyvíz szűrés, ülepítés után öntözővízként használható a növényházakban. Természetesen az emberi hulladékot, ürüléket a fertőzésveszély miatt szintén magas hőmérsékleten fertőtleníteni kell komposztálás előtt. Komposztálás után azonban az üvegházak talajának alapanyaga lehet. A víz a talajból párolgással és a növényzet légzése révén kerül bele a levegőbe, ahonnan folyékony víz formájában csapódik ki a hőelvezető rendszer hideg pontjain: ott, ahol a hűtőrendszer a felesleges hőt elvonja az üvegházból. Maga a levegőből lecsapódó pára egyúttal hatékonyan adja le az üvegház felesleges hőjét a hűtőrendszernek, a kicsapódott folyékony víz pedig újra felhasználható tetszőleges célokra.

A szén körforgásában keletkeznek olyan vegyületek is, amelyek újrahasznosítása némi problémát okoz. Ezek leginkább szerves gázok, legnagyobbrészt metán. Metán viszonylag nagy mennyiségben keletkezik az emberi bélrendszerben zajló lebontó folyamatok során és a komposztáláskor is. A metán könnyen válik robbanásveszélyessé: normál levegőben 4% körüli koncentráció már robbanáshoz vezethet. A bázist megtöltő magas oxigén koncentrációjú levegőben viszont akár a 2-3%-os koncentráció is veszélyes lehet, ami például a zárt komposztáló helyiségben könnyen kialakulhat. Mivel a metán szagtalan gáz, lebontására feltétlenül figyelmet kell fordítani, hiszen felhalmozódását érzékszerveink nem jelzik. A legénység komfortját pedig növeli, ha az egyéb, kellemetlen szagú szerves gázokat is semlegesítjük.

A legegyszerűbb megoldás, ha ezeket a szerves gázokat szén-dioxiddá oxidáljuk. Ehhez ultraibolya fényt és katalizátort használhatunk egy olyan kisebb szerkezetben, amelyen átáramlik a levegő. A 272 nm hullámhosszú ultraibolya fény fotonjainak elég energiája van ahhoz, hogy a szén-hidrogén (C-H) kötést felbontsa. Ugyanakkor ez az energia elég ahhoz is, hogy a levegő oxigéntartalmából ózon keletkezzen. E két folyamat együtt már hatékonyan oxidálni tudja a kémiailag ellenálló metánt és a többi szerves gázt is. Segítheti a folyamatot újonnan kifejlesztett grafén alapú katalizátorok használata.

A Napkohó

Az önfenntartó bázisnak viszonylag kis mennyiségű energiára van szüksége, hiszen az anyagok újrahasznosítsa, az élelmiszertermelés, az oxigén előállítás a napfény energiájával történik. A többi technológiai folyamat energiaigényét részben hőenergiával, részben elektromos energiával lehet fedezni. Mindkettő előállításában fontos szerepe lehet egy Napkohónak, amely így a bázis energiaellátásának központja lehet.

A Napkohó legegyszerűbben úgy valósítható meg, ha egy az üvegházakéval azonos egységet építünk fel, néhány kisebb változtatással. A legfontosabb változtatás, hogy a gyűrű alakú felfújható részben természetesen nem termesztünk növényeket: itt a technikai felszerelés kap helyet. A másik igen fontos változás, hogy a Napkohó felfújható részét biztonsági okokból teljesen befedjük a holdi kőzettörmelékkel. A fókuszált napsugárzás révén kialakuló magas hőmérsékletek igen veszélyesek lehetnek a műanyag membránokra, egyetlen forró porrészecske vagy olvadékcsepp is átégetheti a felfújható részt így gyors dekompressziót és a szerkezet meghibásodását okozva.

A teljesen betakart felfújható rész közepénél, a felszínen lehet kialakítani a céltárgy állomást. Az elektrosztatikus tükör ide fókuszálja a Nap fényét, az elektrosztatikus feszültséggel állítható nagyságú foltba. Az alkalmazott feszültséggel és a folt nagyságával viszonylag egyszerűen változtatható a célterületen kialakuló hőmérséklet nagysága. Jól fókuszált nyaláb esetén akár több ezer Celsius fokos hőmérséklet is elérhető, ami fémek olvasztására és megmunkálására lehet alkalmas. Kevésbé pontos fókuszálással kissé alacsonyabb hőmérsékletet, 1000°C-ot lehet elérni például egy kerámia égető kemencében.

Ez utóbbi hatékonyságát jól szemlélteti, hogy egy olyan tükör segítségével, amely az üvegházakba is bevetíti a fényt, naponta akár 1 tonna kerámia is előállítható. A folyamatos, az UV fénnyel együtt közel 100 kW-os fényteljesítmény naponta, tehát 24 óra alatt 2,4 megawattórányi energiát jelent, ami átszámolva 8,6 Gigajoule energia. Mivel a legtöbb ásvány kőkapacitása nem több mint 1500 J/kgK, ezért jól látható, hogy csupán 1,5 GJ energiára van szükség ahhoz, hogy 1000 kg tömegű kerámiát 1000°C-ra hevítsünk fel. Vagyis a Napkohó alig 20%-os hatékonysága esetén is elegendő hőenergiát termel ahhoz, hogy naponta egy tonna kerámiát állítson elő pusztán holdpor felhasználásával. Ehhez csupán egy kisebb tartályra, kívülről hevített kemencére van szükség, amit a nagyon jó hőszigetelő talajba ágyazunk, majd a fókuszált napfény segítségével a belsejét fehérizzásig hevítjük.

A magas hőmérsékletű alkalmazások mellett rengeteg lehetőséget tartogat még egy ilyen Napkohó. Alacsonyabb hőmérsékletek esetén érdemes valamilyen munkaközeget használni a hő továbbítására, hogy ne csak közvetlenül a kohó fókuszában legyen elérhető a hőenergia. Munkaközegnek kézenfekvő a víz, amelyet egy fekete, fényelnyelő csőtekercsbe vezetünk, s ott a rá eső fénytől 200-300°C-os nagynyomású gőzzé alakul. Az így fejlesztett gőzt aztán számos munkaállomásra tudjuk továbbvezetni.

Az egyik kézenfekvő alkalmazás a főzés, hiszen itt a földön is a nagyüzemi konyhák gépeinek nagy része gőzzel működik, tehát ismert és jól bevált technológiáról beszélünk. Az eddigi űrbéli megoldások esetén az űrhajósok vagy előre elkészített, kiszárított vagy konzervált élelmiszereket ettek, vagy elektromos melegítésű eszközöket használtak. Az elektromosságnál azonban lényegesen egyszerűbben és nagyobb teljesítménnyel áll rendelkezésünkre a napfényből származó hőenergia a Holdon. Így megfontolandó, hogy a helyben termesztett, tehát nyilvánvalóan nyers élelmiszereket a Napkohóban nyert gőzzel hőkezeljük.

A konyhán kívül a Holdbázis mosodája is működtethető gőzzel, ami szintén jól ismert földi technológia. A Nemzetközi űrállomáson nincs mosási lehetőség, az űrhajósok a 2-3 napig használt ruhát egyszerűen eldobják és a teherszállító űrhajók leválása után a többi hulladékkal együtt elég a légkörben. A Holdon nyilvánvalóan sokkal inkább érdemes kitisztítani a ruhát, hiszen a Holdra sokkal költségesebb a szállítás, mint az alacsony föld körüli pályán keringő űrállomásra. De a Holdon nem is jelentkezik a fő probléma: az űrállomáson egy forgó mosógép-dob igen komoly problémát okozna – a perdület megmaradása miatt a felpörgő mosógép-dob megforgatná az egész űrállomást is. A Holdon ellenben lehet rögzíteni a talajhoz vagy egy nagyobb sziklához a mosógépet, így ott ez a probléma nem jelentkezik. Persze a kisebb gravitáció miatt nehezebb rögzíteni a mosógépet – ezt a problémát úgy lehet megoldani, hogy a mosógépet két, ellenkező irányba forgó dobbal szereljük fel, így csak egy-két nagyságrenddel kisebb forgatónyomatékok lépnek fel, például az egyenetlen súlyeloszlás miatt.

Mivel a Holdon az űrállomásokkal ellentétben nincs súlytalanság és a gépeknek is lehetnek forgó alkatrészeik, a Napkohóban fejlesztett gőznek további alkalmazásai is lehetségesek. A forró gőzzel működtethetőek például egyszerű Stirling motorokat, amelyeknek aztán a mozgási energiáját is használhatjuk, vagy akár áramfejlesztő generátorhoz is köthetjük őket. Ezek a Stirling motorok akár rendkívül kicsi, néhány grammos méretben 1-2 W teljesítménnyel is egyszerűen előállíthatók, de akár jóval nagyobb méretben, több tíz kilowattos teljesítményt is leadhatnak. Mivel a forgó alkatrészek nem jelentnek akadályt, a jól bevált földi technológia szintén egyszerűen használható.

27. ábra: Kisméretű, kéthengeres, áramfejlesztő generátorral felszerelt Stirling motor.

A fémmegmunkálás, kerámiaégetés és a gőzzel működtethető gépek mellett még egy nagyon fontos alkalmazását kell megemlíteni egy ilyen holdi Napkohónak: a vízbontást. A Holdon az állandó árnyékban lévő kráterekből bányászható jeget ugyanis nem csak a jól ismert elektrolízissel, elektromos árammal lehet hidrogénre és oxigénre bontani. Vannak olyan zárt kémiai reakcióciklusok, amelyek hőenergia használatával tudják ugyanezt a célt elérni. Ha elegendő napfény áll rendelkezésre, akkor elgondolkoztató lehetőség, hogy egy 100 kW hőteljesítményű Napkohót használjunk-e ilyen célra. Hiszen alternatívaként csak a nagy területet lefedő, sok száz négyzetméternyi felületű napelem farmok vagy esetleg az 1-10 kW teljesítményt leadni tudó kisebb nukleáris reaktorok jöhetnek szóba.

Az egyik ilyen ciklus, amely hőenergia használatával képes vizet bontani, a jód-kén ciklus. Mint azt a 28. ábra mutatja, a ciklus két körfolyamatból áll. Az alapreakcióban kéndioxid és jód lép reakcióba vízzel, melynek során hidrogén-jodid és kénsav keletkezik. Az egyik ciklusban a keletkező hidrogén jodidot bontjuk el 400°C körüli hőmérsékleten endoterm, tehát hőenergiát elnyelő reakcióval, hogy visszakapjuk az egyik kiindulási anyagot, a jódot. A másik körfolyamatban a kénsavat bontjuk körülbelül 900°C-on, hogy visszakapjuk a másik kiindulási anyagot, a kén-dioxidot. A két körfolyamat mellékterméke pedig a hidrogén, illetve az oxigén. Az energiát, ami a víz hidrogénre és oxigénre bomlását fedezte, a két fűtött reaktorban, hőenergia formájában fektetjük be. Mivel a Napkohónk 100 kW teljesítményre képes, és várhatóan ennek legalább 50%-át sikerül is felhasználnunk a kémiai reaktorokban, elmondható, hogy az áramtermelést igénylő elektrolízisnél valószínűleg sokkal hatékonyabb megoldás lenne a hidrogén-oxigén hajtóanyag előállítására egy ilyen termokémiai változat.

28. ábra: A jód-kén ciklus. A folyamat egyik lépésében hidrogén-jodid bomlik hidrogén keletkezésével, a másik lépésben a kénsav bomlik oxigén felszabadulásával. Végső soron tehát az a víz bomlik el hidrogénre és oxigénre, amit a kénsav és a hidrogén jodid előállításánál használtunk fel. Ez azt jelenti, hogy a holdi jeget napfény segítségével egyszerűen rakéta-hajtóanyaggá tudjuk alakítani.

Hosszas megfontolás után arra a következtetésre jutottunk, hogy a Hold poláris vidékein felépítendő bázisnak kulcsfontosságú eleme lehet egy ilyen Napkohó. A növényházaknál használt 20 m magasságú toronnyal és a rendkívül könnyű tükröző fóliával együtt is alig 300 kg egy ilyen rendszer súlya. Bár előfordulnak rövidebb sötét időszakok bármelyik helyszínen, ez évente csak néhány alkalommal történik meg, a Déli pólus kiválasztott területén pedig legfeljebb 4 napig tartanak ezek az időszakok. Vagyis a Napkohó működésében jóformán alig van szünet, éjjel-nappal igen nagy teljesítménnyel működhetne.

Ezzel szemben például az űrkutatási célra kifejlesztett atomreaktorok jóval kisebb teljesítményt adnak le. A már működő Kilopower reaktor elektromos teljesítménye mindössze 1 kW, de a készülő nagyobb méret is csak 10 kW-os. A folyamatos hűtéshez ezek a reaktorok jelentős nagyságú radiátort igényelnek, ami nagyobb méretű, mint egy ugyanilyen teljesítményű napelemtábla. Az atomreaktorok ugyanakkor igen komoly veszélyeket hordoznak magukban: működés körben igen nagy a sugárterhelés a környezetben és minél többet használtuk a reaktorokat, annál több, tízezer évekig sugárzó hulladékot termelnek.

29. ábra: Kilopower reaktor a Marson. Természetesen a kép csak fantáziarajz, sosem fordulhatna elő, hogy egy működő atomreaktor árnyékolás nélkül álljon egy lakott bázis közelében. A reaktor felé boruló ernyőszerű szerkezet a hűtőradiátor. A nagy felületű radiátor ellenére a reaktor csak néhány kW teljesítményt tud leadni túlmelegedés nélkül.

Baleset esetén ezek az atomreaktorok igen nagy területet szennyezhetnek be radioaktív hulladékkal, végleg elszennyezve esetleg a holdi jégkészleteket. Egy robbanás törmelékét ugyanis a Holdon nem korlátozza légkör, ezért jóval nagyobb területet szennyez be, mint azt a Földön tenné. S nem is kell az atomreaktort bekapcsolni: ha a leszálláskor történik baleset, akkor a szétszóródó berillium és hasadóanyag szintén végleg elszennyezheti a már kiépített bázis környezetét. A lehetséges szabotázs akciókról sem szabad elfelejtkezni: a tervezett Kilopower reaktorok – mint minden más kicsi, kompakt reaktor – magas dúsítású urániumot tartalmaznak. Ráadásul henger formában, ami azt jelenti, hogy jóformán hétköznapi eszközökkel, a központi szabályzó rudat neutronreflektor berillium vagy grafit rúdra, esetleg hasadóanyag rúdra kicserélve a reaktor rövid idő alatt atomfegyverré alakítható. Ez pedig végzetes lehet a Holdbázis szempontjából. Egy nukleáris robbanás gyakorlatilag örökre elszennyezné a számunkra legfontosabb űrbéli erőforrást, a holdi vízjeget.

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