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domingo, 12 de fevereiro de 2023

Seleção de local, termodinâmica, ambiente e análise de suporte de vida para o conceito de habitat lunar inflável PneumoPlanet

Caros Leitores;









Ilustração artística dos habitats "PneumoPlanet" propostos pela PneumoCell na superfície da lua. (Crédito da imagem: PneumoCell)



Abstrato

Os habitats humanos na superfície lunar já foram planejados e projetados desde o início da era espacial no início dos anos 1960, muito antes das bem-sucedidas missões Apollo, que pela primeira vez trouxeram humanos à Lua e de volta à Terra com segurança. Enquanto os planos existentes para estações lunares tripuladas foram adiados por um longo tempo por vários motivos, o interesse em construir estações de pesquisa permanentes na superfície da Lua ressurgiu no final dos anos 1990 e início dos anos 2000. Com isso, o foco voltou-se cada vez mais para os polos lunares, onde foram encontrados fortes indícios da existência de gelo de água dentro de crateras permanentemente escuras. Neste estudo apresentamos um projeto para um habitat lunar, que aproveita ao máximo os recursos naturais disponíveis na Lua, em particular nas proximidades dos polos, ao mesmo tempo, a transferência de material necessária da Terra para a superfície lunar é minimizada. Identificamos e estudamos os locais ao redor dos pólos lunares (tanto o pólo norte quanto o pólo sul) e apresentamos um projeto para um habitat lunar composto por até 16 estufas adequadas para abrigar permanentemente e alimentar até 32 humanos. As estufas têm formato toroidal e são conectadas por túneis. A luz do sol incidente horizontalmente é redirecionada por um espelho giratório em direção a uma cratera artificial e de lá através de uma folha transparente para o interior das estufas. A principal característica do nosso projeto é que as paredes das estufas, bem como as salas e túneis anexos, são feitas de materiais extremamente leves, que são inflados até o tamanho final simplesmente aplicando pressão de ar. A proteção efetiva contra a radiação cósmica nociva é alcançada cobrindo estufas, áreas de convivência e túneis de conexão com uma camada de vários metros de espessura de regolito solto. Esta cobertura assegura também um elevado nível de isolamento térmico, o que ajuda a evitar um arrefecimento demasiado rápido do interior durante as fases de escuridão total. Modelos de elementos finitos do comportamento termodinâmico do projeto sugerido confirmam que condições favoráveis ​​à vida podem ser criadas e mantidas por longos períodos de tempo usando apenas a iluminação solar disponível como fonte de energia e instalando um sistema de refrigeração de última geração para o interior. Em contraste com outros conceitos, os blocos de construção básicos deste projeto de habitat podem ser transportados para a superfície lunar por sistemas de foguetes existentes que oferecem uma capacidade de transporte média, como áreas de convivência e túneis de conexão com uma camada de regolito solto de vários metros de espessura. Esta cobertura assegura também um elevado nível de isolamento térmico, o que ajuda a evitar um arrefecimento demasiado rápido do interior durante as fases de escuridão total. Modelos de elementos finitos do comportamento termodinâmico do projeto sugerido confirmam que condições favoráveis ​​à vida podem ser criadas e mantidas por longos períodos de tempo usando apenas a iluminação solar disponível como fonte de energia e instalando um sistema de refrigeração de última geração para o interior. Em contraste com outros conceitos, os blocos de construção básicos deste projeto de habitat podem ser transportados para a superfície lunar por sistemas de foguetes existentes que oferecem uma capacidade de transporte média, como áreas de convivência e túneis de conexão com uma camada de regolito solto de vários metros de espessura. Esta cobertura assegura também um elevado nível de isolamento térmico, o que ajuda a evitar um arrefecimento demasiado rápido do interior durante as fases de escuridão total. Modelos de elementos finitos do comportamento termodinâmico do projeto sugerido confirmam que condições favoráveis ​​à vida podem ser criadas e mantidas por longos períodos de tempo usando apenas a iluminação solar disponível como fonte de energia e instalando um sistema de refrigeração de última geração para o interior. Em contraste com outros conceitos, os blocos de construção básicos deste projeto de habitat podem ser transportados para a superfície lunar por sistemas de foguetes existentes que oferecem uma capacidade de transporte média, como o que ajuda a evitar o resfriamento muito rápido do interior durante as fases de escuridão total. Modelos de elementos finitos do comportamento termodinâmico do projeto sugerido confirmam que condições favoráveis ​​à vida podem ser criadas e mantidas por longos períodos de tempo usando apenas a iluminação solar disponível como fonte de energia e instalando um sistema de refrigeração de última geração para o interior. Em contraste com outros conceitos, os blocos de construção básicos deste projeto de habitat podem ser transportados para a superfície lunar por sistemas de foguetes existentes que oferecem uma capacidade de transporte média, como o que ajuda a evitar o resfriamento muito rápido do interior durante as fases de escuridão total. Modelos de elementos finitos do comportamento termodinâmico do projeto sugerido confirmam que condições favoráveis ​​à vida podem ser criadas e mantidas por longos períodos de tempo usando apenas a iluminação solar disponível como fonte de energia e instalando um sistema de refrigeração de última geração para o interior. Em contraste com outros conceitos, os blocos de construção básicos deste projeto de habitat podem ser transportados para a superfície lunar por sistemas de foguetes existentes que oferecem uma capacidade de transporte média, como Modelos de elementos finitos do comportamento termodinâmico do projeto sugerido confirmam que condições favoráveis ​​à vida podem ser criadas e mantidas por longos períodos de tempo usando apenas a iluminação solar disponível como fonte de energia e instalando um sistema de refrigeração de última geração para o interior. Em contraste com outros conceitos, os blocos de construção básicos deste projeto de habitat podem ser transportados para a superfície lunar por sistemas de foguetes existentes que oferecem uma capacidade de transporte média, como Modelos de elementos finitos do comportamento termodinâmico do projeto sugerido confirmam que condições favoráveis ​​à vida podem ser criadas e mantidas por longos períodos de tempo usando apenas a iluminação solar disponível como fonte de energia e instalando um sistema de refrigeração de última geração para o interior. Em contraste com outros conceitos, os blocos de construção básicos deste projeto de habitat podem ser transportados para a superfície lunar por sistemas de foguetes existentes que oferecem uma capacidade de transporte média, comoAriane 64 , em combinação com o planejado European Large Logistics Lunar Lander Finalmente, vários problemas de segurança que podem ocorrer durante a configuração e operação de tal habitat lunar, são discutidos.

Introdução

A instalação de estações de pesquisa permanentes ou mesmo assentamentos nas luas e planetas do nosso sistema solar é um sonho antigo da humanidade. Naturalmente, a Lua terrestre é o primeiro objetivo para realizar tal missão, devido à sua relativa proximidade com a Terra e ao curto tempo de viagem em comparação com outros objetos do nosso sistema solar. Além disso, uma base lunar permanente tanto na superfície quanto na órbita lunar é considerada o primeiro passo para a construção de um posto avançado humano em Marte, nosso vizinho mais próximo além da Lua.

O local para uma base lunar foi considerado por muito tempo em baixas latitudes equatoriais. No entanto, a detecção de quantidades significativas de hidrogênio dentro de crateras permanentemente sombreadas nas proximidades dos pólos lunares por várias espaçonaves em órbita nas últimas décadas (Lunar Reconnaisance Orbiter (LRO), Chang'E, Chandrayaan, Kaguya, Clementine, Lunar Prospector, etc.) suporta a suposição de que depósitos significativos de gelo de água podem existir na subsuperfície próxima dessas crateras permanentemente sombreadas (Hayne et al., 2015, Li et al., 2019). Além disso, evidências diretas vêm da análise de plumas de ejeção causadas por experimentos de impacto artificial realizados no âmbito das missões LCROSS e Chandrayaan (Schultz et al., 2010; Sridharan et al., 2010).

Neste artigo, primeiro damos uma breve revisão histórica sobre planos e sugestões sobre a construção de habitats lunares como futuros postos avançados da humanidade na Lua (Seção 2). Em seguida, investigamos os locais nas proximidades dos pólos lunares que podem ser mais adequados para a construção de um assentamento humano permanente (Seção 3). Na Seção 4 apresentamos e descrevemos um novo projeto baseado principalmente em estruturas infláveis ​​e outros componentes de baixo peso, enquanto na Seção 5 discutimos um modelo numérico que ilustra o comportamento termodinâmico do projeto proposto. Na Seção 6 são estimadas as demandas de materiais e procedimentos de reciclagem para operação do habitat e na Seção 7 são discutidas as fontes de energia a serem utilizadas e os métodos sugeridos para armazenar energia elétrica. A Seção 8 é dedicada à proteção dos astronautas e outros organismos contra a radiação cósmica nociva e a Seção 9 discute questões de segurança. Por fim, a Seção 10 apresenta nossas conclusões.

Trechos de seção

História dos projetos de habitat lunar

A ideia de usar estruturas infláveis ​​em missões espaciais não é nova. Uma visão geral sobre a evolução histórica de estruturas implantáveis ​​e/ou infláveis ​​relacionadas a aplicações espaciais é fornecida, por exemplo, no artigo de revisão de Häuplik-Meusburger e Ozdemir (2012). Outra excelente revisão pode ser encontrada em Benaroya (2017). Já nos primórdios da era espacial, reconheceu-se que as construções pneumáticas oferecem muitas vantagens em termos de peso e volume, que são sempre

Seleção do local

Geralmente, os locais onde a luz solar está disponível na maior parte do tempo só podem ser encontrados em picos de montanhas altas ou cumes de crateras nas proximidades dos pólos. Como o eixo de rotação lunar é inclinado apenas 1,57° em relação ao plano da eclíptica, os raios solares chegam quase horizontalmente e podem atingir painéis solares verticais ou refletores ópticos montados acima do solo quase continuamente. No vácuo do ambiente lunar, o gelo sublima assim que a temperatura sobe acima de 200 K, onde a sublimação da água

Projeto de habitat lunar PneumoPlanet

O conceito fornece uma estrutura de membrana inflável ultraleve que é cuidadosamente fabricada e testada na Terra em condições ideais. Todo o restante material de construção que deveria proteger do frio, radiação e meteoritos, vem da superfície lunar como regolito solto, que será depositado no topo da estrutura inflável. Como não há atmosfera na Lua, uma estrutura inflável inflada até metade da pressão atmosférica da Terra (ou 500 mbar = 50 N/m 2 ) poderia suportar

Modelos térmicos para o toro da estufa

Para estudar a iluminação e o balanço de calor dentro e fora do habitat, montamos modelos numéricos usando o software de elementos finitos COMSOL Multiphysics . Para reduzir a complexidade e evitar demanda excessiva de memória e tempo de computação em comparação com as renderizações mostradas na seção anterior, várias simplificações da geometria foram implementadas. A geometria do modelo é axi-simétrica em relação ao eixo polar e não inclui os anexos laterais ao grande toro e

Fornecimento de materiais e reciclagem

Nesta seção, fornecemos algumas estimativas, quais quantidades de gases (oxigênio, nitrogênio), bem como suprimentos de carbono e água serão necessários para uma operação completa do habitat e como esses materiais podem ser reciclados e armazenados de maneira razoável. Todos os cálculos são baseados na suposição de que uma unidade habitacional possui uma parte de estufa de 245 m 2 com um volume estimado de 1000 m 3 . As outras partes anexadas à estufa toroidal podem variar de unidade para unidade, portanto, podemos apenas estimar que o total

Fontes de energia e armazenamento de energia

Em operação normal, nosso habitat lunar inflável usará as seguintes formas de energia:

1.

Luz solar direta: Alimentos e oxigênio são produzidos nas estufas, que utilizam diretamente a luz solar através dos espelhos.

2.

Energia térmica: Outra forma de utilizar a energia solar é a unidade Solar Oven, que gera calor no alvo e, assim, a energia térmica pode ser utilizada para derreter metal, sinterizar regolito, impressão 3D e outros experimentos e processos industriais que requerem alta temperatura.

3.

Elétrico

Blindagem de raios cósmicos

A radiação cósmica que atinge as regiões polares da Lua consiste em três componentes principais:

(eu)

O vento solar. Estas são partículas de baixa energia ejetadas da atmosfera superior do Sol em números muito grandes. Sua energia está na faixa de 1 a 10 keV.

(ii)

O componente solar de maior energia. Consiste principalmente de prótons, elétrons e partículas α . A energia mais frequente deste componente é de cerca de 300 ​MeV.

(iii)

A radiação cósmica galáctica de alta energia. As fontes deste componente são alguns exóticos

Problemas de segurança

O que vem primeiro à mente da maioria das pessoas é: uma estrutura inflável é segura o suficiente? O que acontece em caso de vazamento de ar? Os seguintes perigos podem causar danos à membrana inflável e precisamos tomar precauções contra cada um deles para minimizar o risco de falha:

1.

Defeitos materiais. Tudo será cuidadosamente testado na Terra sendo inflada com o dobro da sobrepressão interna (e, portanto, o dobro da tensão material) que será aplicada na Lua posteriormente. A resistência à tração de

Sumário e conclusões

O conceito sugerido e elaborado no âmbito deste estudo tem algumas vantagens quando comparado com os estudos e projetos anteriores mencionados na Seção 2. A parte do habitat que contém as estufas e as áreas de convivência para humanos está enterrada a vários metros espessa camada de regolito de granulação fina. Além disso, os túneis que conectam as unidades de efeito estufa correm vários metros abaixo da superfície lunar. Os únicos componentes que residem acima da superfície são as torres que transportam o

Declaração de interesse concorrente

Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes conhecidos ou relacionamentos pessoais que possam parecer influenciar o trabalho relatado neste artigo.

Reconhecimentos

Esta pesquisa foi apoiada financeiramente pela Agência Espacial Européia (ESA) no âmbito do Programa OSIP (Open Channel Studies Evaluation). Um resumo executivo deste projeto está disponível em https://nebula.esa.int/content/pneumoplanet-study-inflatable-moon-habitat .

Referências (26)

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https://doi.org/10.1016/j.pss.2022.105595Obtenha direitos e conteúdo


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Fonte: Science Direct

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0032063322001817?via%3Dihub

Web Science Academy; Hélio R.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).Participou do curso (EAD) de Astrofísica, concluído em 2020, pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).

Autor do livro: “Conhecendo o Sol e outras Estrelas” e "Conhecendo a Energia produzida no Sol".

Acompanha e divulga os conteúdos científicos da NASA (National Aeronautics and Space Administration), ESA (European Space Agency) e outras organizações científicas e tecnológicas.

Participa do projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela NASA. A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica Brasileira (SAB), como astrônomo amador.

Participa também do projeto The Globe Program / NASA Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) e U.S Department of State.

>Autor de cinco livros, que estão sendo vendidos nas livrarias Amazon, Book Mundo e outras.

Acesse abaxo, os links das Livrarias>

https://www.amazon.com/author/heliormc57     

https://publish.bookmundo.pt/site/userwebsite/index/id/helio_ricardo_moraes_cabral/allbooks

e-mail: heliocabral@coseno.com.br

Page: http://pesqciencias.blogspot

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