Design, wo Straßen enden
Die Erde unterstützt stillschweigend jedes Fahrzeug, das wir bauen: Atmosphärische Luft führt Wärme von Bremsscheiben und Motorwicklungen ab, Sauerstoff erneuert die schützenden Oxidschichten auf Stahlzahnrädern, und flüssiges Wasser schleift scharfkantigen Quarzsand zu glatten Körnern. Entfernt man die Atmosphäre und Hydrosphäre der Erde, zerstören sich gewöhnliche Maschinenelemente innerhalb weniger Stunden selbst.
Randbedingungen der Mission
3D-Engineering-Rendering • Versiegelte Nabe & Staublabyrinth
Das Problem von Regolith und elektrostatischem Staub
Fragen Sie einen beliebigen Apollo-Astronauten, von Gene Cernan bis Harrison Schmitt, was ihn beim Arbeiten auf dem Mond am meisten überrascht hat, und die Antwort lautet fast immer: Staub.
Vier Milliarden Jahre Mikrometeoriteneinschläge ohne Erosion durch Wind oder Wasser haben lunare Anorthosite und Mare-Basalte zu einem schlecht sortierten Schluff zerrieben, mit einer mittleren Korngröße zwischen 40 und 130 Mikrometern und einem verbreiteten Anteil unter 10 Mikrometern. Mikroskopische Einschläge schmelzen winzige Tröpfchen aus Silikatglas, die scharfe Mineralsplitter zu zackigen, ineinandergreifenden Gebilden verschweißen, den Agglutinaten. Sie erreichen 6 bis 7 auf der Mohs-Skala, sind also härter als Strukturaluminium und Edelstahl.
Schlimmer noch: Solare ultraviolette Photonen schlagen auf der Tagseite Elektronen aus beleuchteten Körnern heraus und laden den Staub positiv elektrostatisch auf, während das Plasma des Sonnenwinds die Körner auf der Nachtseite negativ auflädt. Der Staub haftet buchstäblich an optischen Linsen, Kameragehäusen, Schnellkupplungen der Raumanzüge und Strahlerspiegeln. Auf Apollo 17 schleuderte der Hammerstiel von Cernan, nachdem er versehentlich die rechte hintere Kotflügelverlängerung des LRV-3 abgebrochen hatte, dunkelgraue Regolith-Fahnen, sogenannte „Rooster Tails“, auf die nach oben gerichteten Spiegel aus Quarzglas des Rovers. Weil dunkler Staub 90 % des einfallenden Sonnenlichts absorbiert statt es zu reflektieren, stiegen die Temperaturen der Elektronik und Batterien des Rovers gefährlich in Richtung der Betriebsgrenzen, bis Ingenieure in Houston einen Ersatzkotflügel aus vier laminierten Fotokarten und zwei Klemmen der Kabinenlampen improvisierten.
Hochvakuum, Kaltverschweißung & Wärmeabfuhr
Wie schmieren Sie einen Antriebsstrang bei 10-12 Torr, wenn Fett verdampft, und wie kühlen Sie einen Elektromotor ohne jegliche Luftmoleküle?
Herkömmliche Kohlenwasserstofföle geben im Vakuum flüchtige Dämpfe ab, die sich auf kalten optischen Sensoren niederschlagen. Graphit, auf der Erde ein hervorragendes Trockenschmiermittel, benötigt dagegen adsorbierte Wasserdampfmoleküle zwischen seinen Kohlenstoffschichten, um reibungslos zu gleiten. Im Mondvakuum wird Graphit daher zu einem Schleifmittel! Weltraum-Antriebsstränge setzen daher auf aufgesputtertes Molybdändisulfid (MoS₂), Wolframdisulfid, weiche Metallschichten aus Blei und Silber oder synthetische Perfluorpolyether-Flüssigkeiten (PFPE) mit extrem geringem Dampfdruck, die in unter Stickstoffdruck stehenden Radnaben eingeschlossen sind. Die Radantriebe des Apollo-LRV waren hermetisch mit 51 kPa Stickstoffgas versiegelt.
Ohne Luftkonvektion kann eine heiße Bremsscheibe oder ein Motorgehäuse Wärme nur durch Wärmeleitung an Wärmesenken abgeben, etwa an schmelzende Paraffinwachs-Phasenwechselblöcke, wie sie beim Apollo-LRV verwendet wurden, oder durch Infrarotstrahlung in den tiefen Weltraum, die durch P = εσAT4 beschrieben wird. Zur Mondmittagszeit strahlen die umgebenden Kraterwände Infrarotwärme mit +120 °C zurück auf das Fahrzeug. Deshalb sind nach oben gerichtete optische Sonnenreflektoren mit bimetallischen Thermobändern nötig, die sich erst nach Sonnenuntergang öffnen, wenn die Temperaturen auf etwa -173 °C fallen (oder auf -240 °C in dauerhaft beschatteten Polarkratern).
Wenn das Vakuum Batterien einfrieren lässt, schmilzt die Venus Silizium. Bei 465 °C und 92 Atmosphären überkritischen Kohlendioxids explodieren herkömmliche Lithium-Batterien, und Silizium-CMOS-Mikrochips verlieren ihr Bandlückenverhalten. Die spekulative Studie ARED / AREE (Automaton Rover for Extreme Environments) der NASA Glenn schlägt einen uhrwerkgetriebenen, windangetriebenen mechanischen Rover vor, mit Hochtemperatur-Savonius-Windturbinen, mechanischen Hindernisstoßfängern im Stil von Babbage und Elektronik aus Siliziumkarbid (SiC), die für 500 °C ausgelegt ist.
Masseneinbußen, Latenz & Sicherheitsgrenzen der Besatzung
Jedes Kilogramm Rover, das auf der Mondoberfläche landet, erfordert im erdnahen Orbit etwa 6 bis 10 Kilogramm Treibstoff und Stufenmasse. Dieser harte Multiplikator ist als Verhältnis der Raketengleichung bekannt.
| Randbedingung | Mond (äquatorial / polar) | Marsoberfläche | Titanoberfläche |
|---|---|---|---|
| Einweg-Funkverzögerung | 1.28 Sekunden (nahezu in Echtzeit fernsteuerbar) | 4 bis 22 Minuten (autonome Gefahrenvermeidung zwingend erforderlich) | 68 bis 88 Minuten (volle Flugautonomie an Bord erforderlich) |
| Nachtdauer | ~354 Stunden am Äquator; wechselnde Ausleuchtung an den Polen | ~12.3 Stunden (mit Li-Ion-Heizungen beherrschbar) | ~192 Stunden (Kernreaktor MMRTG dringend empfohlen) |
| Sicherheitsregel für die Besatzung | Rückweg zu Fuß im Raumanzug (maximal ~7,6–10 km Radius) oder paarweise eingesetzte Rover | Redundante druckbeaufschlagte Rover oder vorab abgesetztes Aufstiegsfahrzeug | Nur unbemannter Robotereinsatz |