Das Malapert-Massiv auf dem Mond ist vermutlich ein Überbleibsel des Randes des Südpol-Aitken-Beckens, das sich vor mehr als vier Milliarden Jahren gebildet hat. Vor kurzem wurde dieser herrliche Gipfel (unten links) als Landegebiet für Artemis 3 ausgewählt. Dieses Bild, das von der Lunar Reconnaissance Orbiter Camera der NASA am 3. März 2023 aufgenommen wurde, ist in der Mitte 15 Meilen (25 Kilometer) breit (Bildnachweis: NASA/GSFC/Arizona State University)
Neue Forschungsergebnisse weisen darauf hin, dass potenzielle Landestellen am Südpol des Mondes für Roboterlandegeräte und bemannte Artemis-Missionen anfällig für Erdbeben und Erdrutsche sind.
Wissenschaftliche Ergebnisse, die Anfang dieses Jahres im Planetary Science Journal veröffentlicht wurden, weisen auf eine Gruppe von Verwerfungen in der südlichen Polarregion des Mondes hin und stützen sich auf Daten über Mondbeben, die von Seismometern aufgezeichnet wurden, die von Apollo-Mondgängern vor über 50 Jahren aufgestellt wurden.
„Das Potenzial starker seismischer Ereignisse durch aktive Schubverwerfungen sollte bei der Vorbereitung und Lokalisierung ständiger Außenposten in Betracht gezogen werden und stellt eine mögliche Gefahr für die künftige robotergestützte und menschliche Erkundung der Südpolregion dar“, heißt es in dem Forschungspapier.
Inhaltsübersicht
Lunare Bauvorschriften
Die Errichtung von Habitaten, Landeplätzen, Geräteunterständen und hohen Türmen auf dem Mond könnte auf wackligen Beinen stehen, meint Nerma Caluk, Zwischendesignerin und Mondspezialistin bei Skidmore, Owings & Merrill, einem Architektur- und Ingenieurbüro in San Francisco, Kalifornien.
Da öffentliche und private Einrichtungen versuchen, eine Gebäudeinfrastruktur auf der Mondoberfläche zu errichten, wird der Bedarf an lunaren Konstruktionskriterien mit der Zeit immer deutlicher werden, so Caluk. Im Gegensatz zu den Bauvorschriften auf der Erde gibt es auf dem Mond keine Bauvorschriften, bemerkte sie.
Um diese Frage zu klären, entwickelt ein Ausschuss für Raumfahrttechnik und Bauwesen, der zur Luft- und Raumfahrtabteilung der American Society of Civil Engineering (ASCE) gehört, ein Leitliniendokument.
„Einer der wichtigsten Abschnitte dieses Richtliniendokuments sind die seismischen Auslegungskriterien“, so Caluk, „in denen Informationen wie standortspezifische Anforderungen, Mindestauslegungskräfte, Ermüdung und Betriebsüberlegungen behandelt werden.“
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Diese Kriterienarbeit wird derzeit im Rahmen eines NASA Small Business Technology Transfer-Programms durchgeführt, in dessen Rahmen Skidmore, Owings & Merrill, Slate Geotechnical Consultants und die Colorado School of Mines sich mit den Auswirkungen der seismischen Gefahr des Mondes auf eine Vielzahl von Struktursystemen befassen.
Caluk sagte, dass die irdischen Konstruktionsverfahren und -vorschriften „neu konzipiert werden müssen“, um die Faktoren zu berücksichtigen, die auf der Erde nicht vorhanden sind. Und einer dieser Faktoren sind Mondbeben.
Alte Daten, neue Herausforderungen
Die Einzigartigkeit der seismischen Aktivität auf dem Mond stellt uns vor neue Herausforderungen, so Caluk. „Außerdem könnte die Anwendung von statistischen Modellen, die für Erdbebenaufzeichnungen entwickelt wurden, aufgrund der begrenzten Informationen über geologische und tektonische Prozesse, die die seismische Aktivität auf dem Mond antreiben, zu Unsicherheiten in der Mondumgebung führen.“
Caluk erinnert daran, dass während der Apollo-Missionen fünf seismische Stationen auf der Mondoberfläche aufgestellt wurden. Jedes der seismischen Instrumente war mit drei langperiodischen Seismometern ausgestattet, die ursprünglich so ausgerichtet waren, dass sie alle drei Komponenten der Bodenverschiebungsvektoren messen konnten, sowie mit einem kurzperiodischen Seismometer, das nur vertikale Bodenbewegungen messen konnte.
Obwohl während des siebenjährigen Aufzeichnungszeitraums über 13.000 seismische Ereignisse aufgezeichnet wurden, erkannte man die Grenzen der Apollo-Instrumente vor Ort, so Caluk.
Apollo 11’s Passive Seismic Experiments Package wird im Juli 1969 eingesetzt. (Bildnachweis: NASA/Neil Armstrong)
Ermüdungsbedingte Risse
Der Hauptunterschied zwischen der irdischen und der lunaren Seismizität ist jedoch die Dauer der seismischen Ereignisse auf dem Mond. Es dauert zwischen einer halben Stunde und mehreren Stunden, bis sich die seismische Energie des Mondes während eines Ereignisses vollständig verflüchtigt hat“, so Caluk.
Unter den vier identifizierten Arten von seismischen Ereignissen auf dem Mond wurde festgestellt, dass die flachen Mondbeben die höchste Amplitude und Energiefreisetzung pro Ereignis aufweisen.
Auch wenn sie schätzungsweise geringere Magnituden haben als starke Erdbeben, könnten sie, wenn sie groß genug sind – mit einem Epizentrum in der Nähe eines Südpols – die lunare Infrastruktur beschädigen, so Caluk, „und möglicherweise ermüdungsbedingte Risse verursachen, die ihre Gebrauchstauglichkeit und ihren Betrieb beeinträchtigen.“
Die Auswirkungen von Mondbeben auf künftige Mondstrukturen in der Umgebung niedriger Schwerkraft, die einzigartige strukturelle Materialeigenschaften aufweisen werden, könnten sich erheblich von den bekannten Fällen auf der Erde unterscheiden, betonte Caluk. Adaptive, auf Elastizität basierende seismische Systeme, die seismische Schäden abmildern, haben in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht und müssen für Mondstrukturen verfeinert werden, sagte sie.
Die Artemis-3-Mission wird voraussichtlich 2025 in der Nähe des Südpols des Mondes (hier zu sehen) landen. (Bildnachweis: NASA)
Die Wissenslücke verkleinern
Bestehende Daten können für erste Abschätzungen verwendet werden, so Caluk, um die Wissenslücke bei der seismischen Analyse von Mondstrukturen zu verringern. Dies ist möglich, indem eine Datenbank mit Wellenformen von flachen Mondbeben verwendet wird, um ein Mondbodenbewegungsmodell (LGMM) zu entwickeln.
„Um solche seitlichen Belastungen angemessen zu berücksichtigen, sind Daten über die seismische Aktivität am tatsächlichen Standort des Basislagers, in diesem Fall am Mondsüdpol, erforderlich“, sagte Caluk. „Diese Daten liegen derzeit nicht vor, da die Seismometer der Apollo-Missionen in den äquatorialen Regionen platziert sind.“
Die laufenden, von der NASA finanzierten Arbeiten sollen erste Abschätzungen und Annahmen liefern, die sich aus dem begrenzten Wissen über Mondbeben, ihre Auswirkungen auf strukturelle Systeme und den möglichen Bedarf an seismischen Schutzsystemen ergeben.
Gewünscht: Mehr Daten
Aber es gibt noch mehr Arbeit zu tun, sagte Caluk. Mit zukünftigen Mondseismometern können mehr Daten gewonnen werden.
Ein zusätzliches Ergebnis der laufenden Arbeiten zu den Mondbeben ist vielleicht der Bedarf an zusätzlichen Instrumenten an Bord der öffentlich-privaten NASA Commercial Lunar Payload Services (CLPS) Missionen, um die fehlenden Daten für die lokalen Standortbedingungen zu sammeln.
„Wenn die NASA im Rahmen des Artemis-Programms auf die Mondoberfläche zurückkehrt, ist die Schaffung einer strukturell sicheren und dauerhaften Gebäudeinfrastruktur erforderlich“, schloss Caluk. „Die Erfahrungen aus dem irdischen Hoch- und Tiefbau müssen einbezogen werden, um die Entwicklung von Infrastruktur und Bausystemen auf dem Mond zu beschleunigen.“
Stabiles Fundament
Was Mondbeben angeht, „müssen Konstrukteure sie bei der Planung von Strukturen, die ein stabiles Fundament benötigen, berücksichtigen“, so Sam Ximenes, Raumfahrtarchitekt, Gründer und CEO von XArc Exploration Architecture Corporation und Astroport Space Technologies mit Hauptsitz in San Antonio, Texas.
„Ja, das wird sehr real“, sagte Ximenes. Derzeit wird an der Entwicklung von zum Patent angemeldeten Regolith-Verfestigungstechnologien für den Bau von Mondinfrastrukturen mittels 3D-Druck und autonomer Robotik gearbeitet, wobei der Schwerpunkt zunächst auf der Errichtung von Mondlandeplätzen liegt.
„Die natürliche Entwicklung geht in Richtung der cislunaren Wirtschaft, wo wir jetzt beginnen, Industrieallianzen zu sehen, die eine Lieferketteninfrastruktur ermöglichen, die die In-situ-Ressourcennutzung auf der Mondoberfläche einschließt“, sagte Ximenes gegenüber kosmischeweiten.de.
Der Mond der Erde wird als Großbaustelle betrachtet, auf der Straßen, Unterkünfte, Start- und Landeplätze errichtet werden, um dauerhaft auf diesem Himmelskörper Fuß zu fassen. (Bildnachweis: Astroport Space Technologies)
Towering-Fähigkeit
Honeybee Robotics arbeitet mit der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) an einer Studie zur Mondarchitektur, um sein Hochhauskonzept zu entwickeln und zu integrieren.
Das Konzept wird als LUNARSABER bezeichnet, eine Abkürzung für den langen Titel: Lunar Utility Navigation with Advanced Remote Sensing and Autonomous Beaming for Energy Redistribution.
Honeybee Robotics geht davon aus, dass diese hoch aufragende Anlage fast 100 Meter hoch sein wird, aber auf über 200 Meter Höhe über der Mondlandschaft skaliert werden könnte, um ihre Reichweite zu erhöhen.
Das LUNARSABER Turmkonzept. (Bildnachweis: Honeybee Robotics)
Standortwahl
Vishnu Sanigepalli ist Honeybees leitender Forscher von LUNARSABER im Rahmen des DARPA-Projekts LunA-10.
„Wir evaluieren aktiv die Auswirkungen von Mondbeben auf hohe Infrastrukturen, einschließlich entfaltbarer Türme wie Honeybees LUNARSABER, und entwerfen sie so, dass sie stabil bleiben und nicht umkippen“, sagt Sanigepalli gegenüber kosmischeweiten.de.
Im Gegensatz zu Erdbeben, die nur wenige Sekunden andauern, können Mondbeben stundenlang andauern, so Sanigepalli, was Risiken hinsichtlich langfristiger Auswirkungen wie Materialermüdung, strukturelle Haltbarkeit und Betriebsverschlechterung birgt.
„Für Türme, Lebensräume und andere Infrastrukturen stellen Mondbeben eine Herausforderung dar, insbesondere weil der Regolith des Mondes viel weniger stabil ist als der der Erde“, fügte Sanigepalli hinzu.
„Das bedeutet, dass wir bei der Standortwahl strenger vorgehen müssen, um sicherzustellen, dass die Infrastrukturen auf einem Gelände errichtet werden, das seismischen Aktivitäten standhält und langfristig stabil ist“, so Sanigepalli abschließend.
