مهندسان راهکار ساخت سکوی فرود ماه با رگولیت محلی را پیدا کردند

با توجه به برنامه‌های بلندپروازانه آژانس‌های فضایی برای ایجاد پایگاه‌های دائمی روی ماه در سال‌های آینده، نیاز به زیرساخت‌های تخصصی از جمله سکوهای فرود و برخاست منظم موشک‌ها، بیش از پیش احساس می‌شود. مهندسان در حال توسعه سازه‌هایی هستند که بتوانند در محیط خشن ماه دوام بیاورند و در عین حال، هزینه‌های سرسام‌آور حمل مواد از زمین را کاهش دهند.

ضرورت سکوی فرود ساختاریافته و استفاده از رگولیت

اگرچه فرود یک موشک سنگین مانند «استارشیپ» در تئوری می‌تواند در هر سطح مسطحی انجام شود، اما دود حاصل از موتورهای موشک هنگام بازگشت، مقادیر زیادی سنگ و گرد و غبار را پرتاب می‌کند. این پرتابه نه تنها به سازه‌های مجاور مانند یک پایگاه قمری نوپا آسیب می‌رساند، بلکه می‌تواند به خود موشک نیز صدمه بزند. به همین دلیل، طراحان مأموریت بر نیاز به یک سکوی فرود ساختاریافته تأکید دارند.

ساخت چنین سکویی روی ماه نیازمند استفاده از مواد محلی، یعنی رگولیت است. هزینه حمل مقادیر کافی بتن یا سایر مواد ساختمانی از زمین به سطح ماه، این گزینه را عملاً غیرممکن می‌سازد. پژوهش جدید «شرلی دایک»، پژوهشگر «دانشگاه پردو» و گروهش، بر نحوه ساخت این سکو با حداقل دانش پیشین درباره خواص رگولیت تمرکز دارد.

چالش‌های مواد محلی و لزوم آزمایش در محل

دکتر دایک اشاره می‌کند که هنوز اطلاعات زیادی درباره خواص مکانیکی رگولیت ماه ناشناخته است؛ به ویژه در مورد استحکام بخش‌هایی که قرار است به روش جوش خوردن به یکدیگر متصل شوند تا یک ساختار منسجم و سفت را تشکیل دهند. این فرآیند مورد علاقه کنونی برای ایجاد سکوی فرود است.

اگرچه از مواد شبیه‌سازی‌شده رگولیت برای آزمایش‌های اولیه استفاده می‌شود، اما به گفته دکتر دایک، این مواد تنها برخی از خواص نمونه واقعی را دارند. تنها راه برای درک نحوه واکنش واقعی یک ماده، به‌ویژه در محیطی منحصربه‌فرد مانند ماه، آزمایش آن در محل است.

خطرات تخریب سکو و طراحی بهینه

سکوی فرود ماه علاوه بر تحمل فشار فرود و صعود موشک، باید در برابر چرخه ۲۸ روزه روز/شب قمری نیز مقاومت کند. در این چرخه‌ها، دما به شدت تغییر کرده و انبساط و انقباض حرارتی شدیدی را به سازه تحمیل می‌کند. پژوهشگران هشدار می‌دهند که اگر تغییرات دما به طور یکنواخت پخش نشود، انبساط لایه داغ می‌تواند منجر به پیچ خوردن سکو و ایجاد تنش‌های شکستگی شود.

بر اساس محاسبات گروه دایک، برای تحمل وزن یک کاوشگر ۵۰ تنی، ضخامت سکو باید حدود یک سوم متر باشد. نکته جالب توجه این است که افزایش عمق سکو، برخلاف تصور، احتمال شکستگی آن را تحت تنش‌های حرارتی بیشتر می‌کند و در واقع باعث می‌شود سکو سریع‌تر از بین برود.

آسیب‌های مورد انتظار و راهبرد کاهش خسارت

مهندسان انتظار وقوع برخی آسیب‌ها را دارند:

• پوسته‌پوسته شدن (Flaking): تراشه‌های سکو به دلیل انبساط/انقباض حرارتی ترک می‌خورند. این امر در طول زمان و با انفجارهای مکرر موشک، می‌تواند یکپارچگی ساختاری سکو را تضعیف کند.
• شکستگی ساختاری: ناشی از تنش‌های حرارتی، پوسته‌پوسته شدن، یا حتی فرود نامناسب موشک.

به دلیل عدم قطعیت‌های موجود در فرآیند طراحی، دایک و همکارانش طرحی ساده به نام «آزمایش درجا» (In-Situ Testing) را برای اثبات عملکرد پد پیشنهاد کرده‌اند. مأموریت‌های اولیه باید بر جمع‌آوری داده‌ها و انجام این آزمایش‌ها تحت گرانش و شرایط جوی ماه تمرکز کنند.

نقش حیاتی ربات‌ها در ساخت و نگهداری

وقتی سرانجام سکوی فرود ساخته شود، جمع‌آوری داده‌ها توسط تجهیزات نصب شده به بهبود طراحی در طول زمان کمک خواهد کرد. دکتر دایک به نحوه تغییر شکل سکو زیر بار و در طول چرخه‌های حرارتی شدید علاقه‌مند است تا بتواند ترک‌ها را پیش‌بینی کرده و راهبردهای کاهش خسارت را ارائه دهد.

ساخت و نگهداری این سکوها از جمله کاهش شکاف‌ها، احتمالاً در حوزه کاری ربات‌ها خواهد بود. تلاش برای ساخت چنین سکویی با استفاده از نیروی انسانی، به‌ویژه با لباس‌های فضایی حجیم در خلاء فضا، تقریباً غیرممکن است.

دکتر دایک تأکید می‌کند: «ربات‌ها بخش کاملاً حیاتی معادله برای ساخت سکوی فرود و نگهداری آن پس از ساخت خواهند بود.»

این پژوهش در مجله «Acta Astronautica» منتشر شده است.