Les méthodes de construction des plateformes d'atterrissage lunaires peuvent impliquer le micro-ondes du sol lunaire

Aug 26, 2023

L'établissement d'une base lunaire sera essentiel pour les États-Unis dans la nouvelle course à l'espace et la construction de plates-formes d'atterrissage sûres et rentables pour que les engins spatiaux y atterrissent sera la clé.

Ces tampons devront empêcher la poussière et les particules lunaires de sablage tout autour d'eux à plus de 10 000 miles par heure lorsqu'une fusée décolle ou atterrit car il n'y a pas d'air pour ralentir le panache de la fusée.

Cependant, la façon de construire ces aires d'atterrissage n'est pas si claire, car le transport de matériaux et d'équipements lourds à plus de 230 000 milles dans l'espace devient rapidement prohibitif.

C'est pourquoi les chercheurs de l'Université de Floride centrale travaillent sur un projet financé par la NASA pour trouver des moyens de construire des aires d'atterrissage lunaires qui assurent la sécurité des personnes et des équipements, mais qui sont également économiques et faciles à construire dans l'espace. Le travail est dirigé par la société de fabrication de défense et d'espace Cislune et comprend des recherches de l'Arizona State University.

L'équipe a découvert qu'une méthode qui utilise des micro-ondes pour faire fondre le sol lunaire, associée à une technologie d'enrichissement ou de tri développée par l'UCF, pourrait être la meilleure option.

Les résultats ont été publiés récemment dans la revue New Space et dans un rapport soumis à la NASA.

"Il est stratégiquement important pour notre nation d'avoir une présence sur la lune car la valeur économique des ressources dans l'espace est très élevée", a déclaréPhil Metzger '00MS '05PhD , co-auteur de la recherche. Il est scientifique planétaire au Florida Space Institute basé à l'UCF.

Les États-Unis prévoient de retourner sur la Lune dans le cadre des missions Artemis, le premier atterrissage lunaire en équipage devant avoir lieu dans le cadre d'Artemis III en 2025. Les futures missions établiront des habitats, des équipements d'extraction de ressources et plus encore.

Sur la base d'une analyse de quatre méthodes de construction différentes, y compris différentes combinaisons pour les anneaux d'atterrissage intérieurs et extérieurs, une méthode de fusion - ou de frittage - utilisant des micro-ondes s'est avérée la plus rentable tant que le coût du transport vers la lune reste supérieur 100 000 $ le kilogramme (environ 45 000 $ la livre), selon la nouvelle étude.

Le frittage devient encore plus économique lorsqu'il est associé à une nouvelle technologie d'enrichissement développée par UCF qui utilise des champs magnétiques pour amener à la surface les minéraux les plus micro-ondables. Les chercheurs de l'UCF ont conçu la technologie après avoir découvert que bon nombre des minéraux les plus micro-ondables sont également les plus magnétiques. Ces découvertes ont été documentées dans le nouveau rapport à la NASA.

"Nous avons montré que nous pouvions augmenter l'absorption des micro-ondes de l'ordre de 70 à 80 % en triant les particules en fonction de la susceptibilité magnétique", explique Metzger.

Le processus de construction pourrait être effectué par des rovers qui ramasseraient le sol, le trieraient avec des champs magnétiques, le redescendraient à la surface et le feraient fondre avec des micro-ondes, explique le chercheur.

L'étude de New Space a révélé que la deuxième méthode la plus rentable lorsque les coûts de transport sont supérieurs à 100 000 $ par kilogramme serait les aires d'atterrissage à base de pavés.

De plus, une fois que les coûts de transport descendent en dessous de 100 000 $ par kilogramme, en raison des économies d'échelle et de la réutilisation des fusées, les aires d'atterrissage à base de polymère deviennent une méthode plus compétitive pour construire la partie extérieure de l'aire d'atterrissage que le frittage et les pavés.

Chacune des méthodes a des compromis, tels que les coûts énergétiques et de construction, qui doivent être pris en compte, dit Metzger.

"Les chiffres nous ont montré que le frittage est en fait la meilleure méthode car il nécessite de l'énergie, mais le coût de l'énergie est inférieur au coût de la construction et à la nécessité d'apporter des consommables sur la lune", explique Metzger.

Erik Franks, fondateur et directeur général de Cislune, affirme que la construction en surface sur la Lune et sur Mars est très différente de la construction sur Terre.

"Le béton et l'acier sont largement utilisés sur Terre et sont issus de millénaires de développement et d'intensification de l'industrie basée sur l'eau, le charbon et l'air en abondance", dit-il. "Sur d'autres planètes, nous n'avons pas de combustibles fossiles, et l'air et l'eau ont plus de valeur que l'or. Différents processus seront nécessaires, et UCF et Cislune travaillent ensemble pour résoudre ces problèmes avec des solutions innovantes comme le frittage par micro-ondes et l'enrichissement des sols. "

Les chercheurs ont utilisé des simulants de sol lunaire haute fidélité du laboratoire Exolith de l'UCF pour effectuer les expériences de susceptibilité micro-ondes et magnétique et ont utilisé des simulations informatiques pour modéliser les coûts économiques de différentes méthodes de construction de plateformes d'atterrissage lunaires.

Pour les expériences de simulation de sol lunaire, le verre basaltique, la bronzite et l'ilménite se sont avérés être parmi les minéraux les plus sensibles au magnétisme et aux micro-ondes.

"Nos résultats ont été excellents", déclare Franks. "Une valorisation soigneuse rend le chauffage par micro-ondes du régolithe considérablement plus économe en énergie, nous avons donc juste besoin d'apporter des panneaux solaires et pouvons transformer la saleté lunaire en structures comme des aires d'atterrissage et des bâtiments."

Metzger dit que la recherche n'est pas seulement importante pour établir une présence américaine sur la lune, mais aussi pour maintenir les relations diplomatiques en ne sablant pas l'équipement et les installations d'autres pays.

"Je pense qu'il est vraiment crucial pour les États-Unis et un consortium de pays amis qui partagent nos valeurs de démocratie d'ouvrir la voie dans l'espace pour mettre en place des méthodes de partage de l'espace et créer des poches permettant au monde entier de profiter de l'espace, plutôt que de simplement prendre le risque de laisser les autres le faire », dit Metzger.

Les travaux ont été financés en partie par le Solar System Exploration Virtual Institute de la NASA, le Center for Lunar and Asteroid Surface Science et par le programme Small Business Technology Transfer (STTR) de la NASA.

Les prochaines étapes de la recherche comprennent le développement de projets visant à créer des prototypes améliorés du matériel de chauffage par micro-ondes et à tester la technologie dans des conditions lunaires dans le vide.

Le co-auteur de l'étude New Science était Greg Autry de la Thunderbird School of Global Management, Arizona State University. Dhaka Sapkota, assistant scientifique au FSI, a dirigé les expériences d'enrichissement magnétique et co-écrit le rapport d'enrichissement.

Metzger a obtenu son baccalauréat en génie électrique de l'Université d'Auburn et sa maîtrise et son doctorat en physique de l'UCF. Avant de rejoindre l'UCF en 2014, il a travaillé au Kennedy Space Center de la NASA pendant près de 30 ans.

Titre de l'étude : Le coût des aires d'atterrissage lunaires avec une étude commerciale des méthodes de construction