CONSTRUYENDO UNA BASE LUNAR: PARTE 3 - DISEñO ESTRUCTURAL

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Construir la primera base lunar será el mayor desafío que la humanidad haya emprendido. Ya podemos especular sobre los peligros, naturales y provocados por el hombre, asociados con la presencia humana en la superficie lunar. En respuesta, ya tenemos algunas estructuras de hábitat en mente, que van desde estructuras inflables hasta madrigueras subterráneas dentro de antiguos respiraderos de lava. Ahora es hora de que comencemos a diseñar seriamente nuestra primera estructura de hábitat, protegiéndonos de los micrometeoritos, manteniendo las presiones terrestres y utilizando materiales extraídos localmente donde podamos ...

En la Parte 1 de esta serie "Construyendo una base lunar", vimos algunos de los peligros más obvios asociados con la construcción de una base en otro planeta. En la Parte 2, exploramos algunos de los conceptos de diseño actuales para el primer hábitat tripulado en la Luna. Los diseños iban desde estructuras inflables, hábitats que podrían construirse en la órbita de la Tierra y flotar hacia la superficie lunar, hasta bases ahuecadas de antiguos tubos de lava debajo de la superficie. Todos los conceptos tienen sus ventajas, pero la función principal debe ser mantener la presión del aire y reducir el riesgo de daños catastróficos en caso de que ocurra lo peor. Esta tercera entrega de la serie trata del diseño básico de una posible base lunar que optimiza el espacio, aprovecha al máximo los materiales extraídos localmente y brinda protección contra la amenaza constante de los micrometeoritos ...

"Construir una base lunar" se basa en la investigación de Haym Benaroya y Leonhard Bernold ("Ingeniería de bases lunares“)

Los factores clave que influyen en los diseños estructurales de los hábitats en la Luna son:

Un sexto de la gravedad terrestre.
Alta presión de aire interna (para mantener una atmósfera transpirable).
Blindaje contra la radiación (del Sol y otros rayos cósmicos).
Blindaje de micrometeoritos.
Efectos de vacío duro en los materiales de construcción (es decir, sin gases).
Contaminación por polvo lunar.
Gradientes de temperatura severos.

Además de abordar estos problemas, las estructuras lunares deben ser fáciles de mantener, económicas, fáciles de construir y compatibles con otros hábitats / módulos / vehículos lunares. Para lograr una construcción económica, se debe utilizar la mayor cantidad de material local posible. La materia prima para la construcción económica podría ser la gran cantidad de regolitos fácilmente accesibles en la superficie lunar.

Como resultado, el regolito lunar tiene muchas propiedades útiles para la construcción en la Luna. Para complementar el concreto lunar (como se presentó anteriormente en Parte 2), las estructuras básicas del edificio pueden formarse a partir de un regolito fundido. El regolito fundido sería muy similar al basalto terrestre. Creado al derretir el regolito en un molde y dejar que se enfríe lentamente, se formaría una estructura cristalina, lo que daría como resultado componentes de construcción altamente compresivos y moderadamente tensibles. El alto vacío en la Luna mejoraría en gran medida el proceso de fabricación del material. También tenemos experiencia aquí en la Tierra sobre cómo crear basalto fundido, por lo que este no es un método nuevo y no probado. Las formas básicas del hábitat podrían fabricarse con poca preparación de las materias primas. Se podrían fabricar elementos como vigas, columnas, losas, conchas, segmentos de arco, bloques y cilindros, cada elemento con diez veces la resistencia a la compresión y a la tracción del concreto.

Hay muchas ventajas al usar el regolito fundido. Principalmente, es muy resistente y resistente a la erosión por el polvo lunar. Podría ser el material ideal para pavimentar los sitios de lanzamiento de cohetes lunares y construir escudos de escombros que rodean las plataformas de aterrizaje. También podría ser un blindaje ideal contra micrometeoritos y radiación.

Bien, ahora tenemos materiales de construcción básicos, de material local, que requieren una preparación mínima. No es demasiado difícil imaginar que el proceso de fabricación del regolito de fundición pueda automatizarse. Antes de que un humano incluso pisara la Luna, podría crearse un caparazón de hábitat básico y presurizado, esperando la ocupación.

Pero, ¿qué tan grande debe ser el hábitat? Esta es una pregunta muy difícil de responder, pero el resultado es que si algún hábitat lunar se ocupará durante largos períodos, tendrá que ser cómodo. De hecho, hay pautas de la NASA que establecen que, para misiones de más de cuatro meses, el mínimo el volumen requerido por cada individuo debe ser de al menos 20 m³ (de NASA Man Systems Integration
Estándares, NASA STD3000, en caso de que te lo estés preguntando). Compare las necesidades de habitación a largo plazo en la Luna con las misiones de Géminis a corto plazo a mediados de la década de 1960 (en la foto) El volumen habitable por miembro de la tripulación en Géminis era de 0.57 m.³… Afortunadamente estas primeras incursiones en el espacio fueron cortas. A pesar de las regulaciones de la NASA, el volumen recomendado por miembro de la tripulación es de 120 m.³, aproximadamente lo mismo que el espacio habitable en la Estación Espacial Internacional. Se requerirá un espacio similar dentro de los hábitats futuros en la Luna para el bienestar de la tripulación y el éxito de la misión.

A partir de estas pautas, los diseñadores de hábitat pueden trabajar sobre la mejor manera de crear este volumen de vida. Obviamente, el espacio del piso, la altura del hábitat y la funcionalidad deberán optimizarse, además del espacio para el equipo, el soporte vital y el almacenamiento deberán tenerse en cuenta. En un diseño de hábitat básico de F. Ruess, J. Schänzlin y H. Benaroya de una publicación titulada "Diseño estructural de un hábitat lunar."(Journal of Aerospace Engineering, 2006), se considera una forma de" hangar "semicircular (en la foto).

La forma de un arco de carga es un aliado cercano para los ingenieros estructurales, y se espera que los arcos sean un componente importante para el diseño del hábitat, ya que las tensiones estructurales pueden distribuirse de manera uniforme. Por supuesto, las decisiones arquitectónicas como la estabilidad del material subyacente y el ángulo de la pendiente tendrían que tomarse al construir los cimientos del hábitat, pero se espera que este diseño aborde muchos de los problemas asociados con la construcción lunar.

La mayor tensión en el diseño del "hangar" vendrá de la presión interna que actúa hacia afuera, y no de la gravedad que actúa hacia abajo. Como el interior del hábitat tendrá que mantenerse a presiones terrestres, el gradiente de presión desde el interior hasta el vacío del exterior ejercería una gran presión sobre la construcción. Aquí es donde el arco del hangar se vuelve esencial, no hay esquinas y, por lo tanto, no hay puntos débiles que puedan degradar la integridad.

Se consideran muchos más factores, que implican algunos cálculos complejos de tensión y tensión, pero la descripción anterior da una idea de lo que los ingenieros estructurales deben considerar. Al construir un hábitat rígido a partir de un regolito fundido, se pueden construir los bloques de construcción para una construcción estable. Para una mayor protección contra la radiación solar y los micrometeoritos, estos hábitats arqueados podrían construirse uno al lado del otro, interconectándose. Una vez que se ha construido una serie de cámaras, se puede colocar un regolito suelto en la parte superior. El grosor del regolito fundido también se optimizará para que la densidad del material fabricado pueda proporcionar protección adicional. Tal vez grandes capas de regolito fundido podrían colocarse en capas en la parte superior.

Una vez que se construyen los módulos básicos de hábitat, puede comenzar el diseño del asentamiento. La “planificación de la ciudad” lunar será otra tarea compleja y se deben considerar muchas configuraciones de módulos. Se destacan cinco configuraciones de módulos principales: lineal, patio, radial, ramificación y clúster.

Sin embargo, la infraestructura del futuro asentamiento lunar depende de muchos factores y continuará en la próxima entrega.