כיצד נוכל לבנות משטחי נחיתה ושיגור על הירח?

מאת: Leonard David

מקור: Space.com

אם העתיד יתפתח כפי שחזו מומחים, הירח עומד להיות נמל חלל סואן. כלי טיס ינחתו וישוגרו באופן שגרתי מעל פני הירח, חלק משרשרת אספקה ​​המשרתת מושבות אנושיות, מתספקת מתקני מדע ומנחיתה ציוד לפעולות כרייה מחוץ לכדור הארץ. בשלב מוקדם, זה צפוי להיות רעש רקטי, אבק שמתרומם ופסולת מעופפת. התכנסות של מומחים לאחרונה התמודדה עם מה שאנחנו יודעים, ומה שאנחנו לא יודעים על איך להתמודד עם משימות "כמו נמל תעופה" על הירח.

הדמייה של סטארשיפ של SpaceX על הירח במסגרת תוכנית ארטמיס של נאס"א / Image credit: SpaceX

קונסורציום חדשנות פני הירח (Lunar Surface Innovation Consortium) ערך סדנת שיגור ונחיתה ירחית ב-23 ביולי 2024. הקונסורציום מנוהל על ידי המעבדה לפיזיקה יישומית המסונפת לאוניברסיטת ג'ונס הופקינס בלורל, מרילנד. מומחים ממשלתיים, אוניברסיטאיים ומהמגזר הפרטי חלקו רעיונות לגבי תכנון, ניתוח ובנייה של מתקני שיגור ונחיתה, וכן זיהו פערים טכנולוגיים על מנת לבסס נוכחות בת קיימא על הירח.

צפויות החלטות מרכזיות כיצד לספק את הצורך בתשתית אם בן זוגו השמימי של כדור הארץ יהפוך לציר תנועה מרכזי בו יתקיימו מגורים אנושיים לטווח ארוך. "ביסוס נוכחות אנושית על פני הירח הוא מאמץ קבוצתי", אמר איאן ג'ן (Ian Jehn), מהנדס מבנים המתמקד בתשתית בטוחה ואמינה לירח. הוא גם מועמד לדוקטורט בבית הספר למכרות בקולורדו (Colorado School of Mines).

"סביר להניח שלפני שכל נוכחות אנושית בולטת תתרחש על הירח, נצטרך לשגר מסה משמעותית ולהעביר אותה אל פני הירח", אמר ג'ן ל-Space.com. "אנו זקוקים לאנשי מקצוע מכל תחומי התעשייה שישתפו פעולה כדי לייצר תשתית ירח מוצלחת ובעלת ביצועים טובים".

הקמת איזורי מגורים בקנה מידה גדול על הירח תדרוש שיתוף פעולה משמעותי בין התעשייה וסוכנויות החלל / Image credit: NASA

ג'ן צופה כלי שיגור ונחיתה גדולים יותר על הירח. פירושן של כניסות ויציאות אלה הן רקטות מפלצתיות גדולות יותר המקיימות אינטראקציה עם נוף הירח. "הפחתת ההשפעות של כוחות שובלי רקטות היא כיום תחום מחקר פופולרי, שכן לשובל גז יש פוטנציאל לגרום להיווצרות מכתשים על פני השטח וליצור פליטת רגולית במהירות גבוהה שעלולה לפגוע במבנה הרכב או בכל דבר שנמצא בסביבת אזור הנחיתה", אמר.

כדי לרסן את השפעות ההדף הללו, ברשימת נושאי הדיון יש בנייה ושימוש במשטחי שיגור ונחיתה, או LLPs. כל מעצב משטחי נחיתה שיתרום בעבודת העיצוב ה"מתישה" צריך לדעת לאיזה קטגוריה שייכת נחתת הירח. "סביר להניח שמשטחי שיגור ונחיתה יצטרכו להיות ניתנים לשימוש חוזר או לתיקון בקלות", אמר ג'ן, "כדי להבטיח הובלה בטוחה ויעילה של אנשים, ציוד משימה וחומרים אל ומפני הירח".

מערכות משטחי נחיתה יכולות למנף כמה שיטות תכנון ובנייה מבוססות מאד מתעשיית ההנדסה האזרחית הארצית, מסביר ג'ן. מהנדסים אזרחיים ומהנדסי מבנים תכננו מערכות דומות שנמצאות בשימוש כעת באזורי הנחיתה של הפאלקון של SpaceX וניו שפרד של Blue Origin.

כל מערכת מבנית מסתמכת על שני רכיבים כדי לאפשר עיצוב, אמר ג'ן, ואלה הם תנאי העומס הצפויים ותכונות החומר. ג'ן אמר כי עבור שטח הירח, מתבצע מאמץ משמעותי לפיתוח חומרים מבניים (Structural material). זו עבודה בתהליך.

אבל זה גם מלכוד.

קונספט אמן של נחתת מאויישת בלו אוריג'ין על פני הירח / Image credit: NASA

"הבעיה היא האופי הקנייני של הקריטריונים של עומס שובל רקטות", מציין ג'ן. עם זאת, כרגע הקריטריונים הללו מוסתרים על ידי שירותי מטען ירחי מסחריים של נאס"א (CLPS) ויצרני מערכות נחיתה אנושיות, אמר, וגישה אליהם מתבצעת באמצעות הסכמי סודיות מחייבים מבחינה משפטית.

לשם כך, ג'ן עוסק בעבודה של האגודה האמריקאית למהנדסים אזרחיים (ASCE). קבוצה זו יזמה את הפיתוח של הנחיות "הנדסת תשתיות ירח, תכנון, ניתוח ובנייה". על השולחן יש דברים כמו איזה סוג של בנייה וחומרים נדרשים, השפעות סביבתיות והתמודדות עם רגולית וסלעים ירחיים כדי להבטיח ייצור של מבנים יציבים.

זה אופייני עבור שובלי רקטות מפעולות המראה אנכית / נחיתה אנכית להפעיל לחץ פיזי ושטף חום על משטח האינטראקציה של הנחיתה והשיגור, מציין ג'ן. פתחי פליטת הרקטה, כיוונים וגדלים שונים יגרמו לריכוזי לחץ וחום שונים. "לדעתי, קביעת תנאי העומס היא כעת בראש סדר העדיפויות. אתה לא יכול לתכנן מערכת מבנית, כמו משטחי שיגור ונחיתה ירחיים, ללא קריטריוני עומס", אמר ג'ן. אנלוגיה היא לנסות לתכנן גשר עילי מבלי לדעת איזה סוג רכב נוסע על הגשר הזה, אמר.

בהתחשב בשש משימות אפולו בין השנים 1969 ו-1972 שהנחיתו והחזירו בבטחה תריסר מטיילי ירח, מדוע כל המהומה והקשקושים על נחיתה והמראה על הירח?

הנחיתות הללו של אפולו יצרו יותר שאלות מתשובות, משיב ג'ון קונולי (John Connolly), פרופסור במחלקה להנדסת אווירונאוטיקה וחלל באוניברסיטת טקסס A&M. הקריירה הקודמת שלו בנאס"א, בת 35 השנים, כללה עבודה על תוכנית מערכת הנחיתה האנושית (HLS) של תוכנית ארטמיס של סוכנות החלל, שם עבד גם עם קבלני נחתות ירח מסחריות.

"אנחנו יודעים שיש שכבה עליונה של רגולית ירחי רופפת שתתעופף כמעט על ידי כל מערכת הנעה של נחתת. אבל המכניקה של מה שקורה מתחת לזה - ככל ששכבת הרגולית נעשית צפופה יותר ומגובשת יותר עם העומק - היא עדיין מקור לספקולציות והשקעה של שעות של זמן הדמיית מחשב", אומר קונולי ל-Space.com.

נחתת אפולו יושבת על פני הירח המורכבים מציפוי עליון רך שהופך צפוף יותר עם העומק / Image credit: NASA

הרגולית ה"פלאפית" של הירח היא ציפוי על אדמת ירח דחוסה יותר שנמצאת פחות מכמה עשרות סנטימטרים מתחת, מדווח קונולי. "הידיעה שהמאפיינים הגיאוטכניים של פני הירח משתנים במהירות בתוך המטר הראשון הזה מסבכת את המאמצים שלנו למדל את פני השטח מכיוון שצריך לקחת בחשבון את הצפיפות, הלכידות, הנקבוביות וחוזק הגזירה (Shear strength) המשתנה", אמר קונולי. "שובל המנוע של נחתת ירח, לאחר שיפרק את השכבה העליונה הרופפת של הרגולית, ימשיך לקיים אינטראקציה עם הרגולית החשופה במספר דרכים".

זו לא בעיה קלה למודל אנליטי, הוסיף קונולי. יש צורך למדל נכון את זרימת הגז של שובל המנוע ולאחר מכן למדל כיצד הגז יקיים אינטראקציה עם רגולית הירח. "אז אתה כמעט צריך למדל כל חלקיק רגולית בנפרד כשהוא נעקר ממטריצת הקרקע, מאיץ בשובל, נתקל בחלקיקים אחרים, ובסופו של דבר מגיע למסלול בליסטי", אמר קונולי. וזה ידרוש כמות עצומה של זמן הרצה של דינמיקת נוזלים חישובית על מחשב-על, אמר.

האם עלינו להכין משטחי שיגור/נחיתה כדי למנוע מנחיתות להמשיך לפרק את רגולית הירח ולפלוט אותה במהירויות גבוהות על ציוד בעל ערך במשטחים שכנים?

"אני מאמין שהתשובה היא כן, אבל אולי לא מיד", מייעץ קונולי. אתה יכול בתחילה להשתמש בטופוגרפיה של הירח עצמו כ"סוללה" כדי להגן על נכסים על פני השטח, הוא אמר. פשוט בחר אתר נחיתה שיש גבעה או רכס בינה לבין ציוד ושירותים אחרים. אבל אם אתה רוצה להמשיך לנחות באותו אתר, ייתכן שתצטרך לטפל בו כדי לבטל את ההשפעות של שובלי נחתות", אמר קונולי.

אם זה המקרה, אתה יכול להביא "Rhino Snot" - כן, אתה קורא את זה נכון. הצבא כינה אותו Rhino Snot - פולימר ריסוס מסחרי המשמש לטיפול באזורים מועדים לאבק המגביר את חוזק הקרקע על ידי חיבור חלקיקי אדמה זה לזה. "הצבא מרסס פולימרים נוזליים כדי לייצב במהירות דרכי עפר ומשטחי נחיתה של מסוקים, וניתן להשתמש בגרסה מותאמת לירח של טכנולוגיה זו עבור משטחי נחיתה", אמר קונולי.

אם יש צורך בפתרון לטווח ארוך יותר, המשיך קונולי, כמו במקרה של בסיס ירח קבוע עם נחתות שמגיעות ויוצאות באופן קבוע, טיפול בפני השטח כמו משטח רגולית מכוסה עמוק עשויה להיות התשובה הנכונה.

"נחיתות בטוחות ואמינות, ובסופו של דבר שיגורים, על הירח הכרחיים להצלחת המשימה", אמר רוב מולר (Rob Mueller), טכנולוג בכיר במעבדת מכניקה גרעינית ורגולית (GMRO) בסוואמפ וורקס (Swamp Works) של נאס"א במרכז החלל קנדי ​​בפלורידה.

מולר אמר ל-Space.com כי פלט הנתונים של שירותי מטען ירחי מסחריים של נאס"א (CLPS) יספק תובנות חדשות לגבי האופן שבו שובלי מנועי רקטות פוגעים בחומרי פני הירח. עם הידע הזה ביד, יהיה ברור מה אפשרי בטווח הרחוק, אמר מולר.

"בעתיד נראה נמלי חלל מתפתחים על פני הירח ויעדים מסלוליים ושטחיים אחרים במערכת השמש. הם ישתמשו בהנעה שמקורה באתר כמו מימן וחמצן ממים", אמר מולר. "אלה הם הצעדים הראשונים לפתיחת נתיבי התחבורה של מערכת השמש בפני האנושות ורובוטים לכריית משאבים".