Wie kann ein bemannter Mondrover angesichts komplexer Straßenverhältnisse alle seine Fähigkeiten beherrschen?

Vor Kurzem hat die Entwicklung des bemannten Mondrovers meines Landes eine neue Phase erreicht. Gleichzeitig werden im In- und Ausland immer wieder neue und einzigartige Pläne für bemannte Mondrover vorgestellt. Welchen Herausforderungen muss der bemannte Mondrover in der Mondumgebung also begegnen? Wie könnte es in Zukunft gestaltet werden, mithilfe neuer Technologien komplexe und vielfältige Aufgaben zu bewältigen?

Die Mondumgebung stellt viele Herausforderungen dar

Der Mondrover ist ein Spezialfahrzeug, das sich auf der Mondoberfläche fortbewegen und komplexe Aufgaben wie das Aufspüren, Untersuchen, Sammeln und Analysieren von Proben erfüllen kann. Sein wissenschaftlicher Name lautet „Mondrover“. Insbesondere kann der bemannte Mondrover den Aktionsradius der Astronauten auf dem Mond erheblich erweitern, die körperliche Anstrengung reduzieren und die Lagerung der von den Astronauten gesammelten Mondproben erleichtern. Auch wenn es einfach erscheint, müssen dennoch viele Herausforderungen bewältigt werden.

Die US-Besatzung von Apollo 16 trainierte das Fahren des bemannten Mondrovers

Zunächst muss man sich an die einzigartige Schwerkraftumgebung anpassen. Wie wir alle wissen, beträgt die Schwerkraft auf der Mondoberfläche nur 1/6 der Schwerkraft auf der Erde. Bei größeren und schwereren bemannten Mondrovern kommt es zu einem größeren „Gewichtsverlust“ und es besteht die Gefahr einer Schwächung der Bodenhaftung. Wenn das Fahrzeug herkömmliche Gummireifen verwendet, kann es zu Druckverlust oder abnormaler Form der Reifen usw. kommen und sie funktionieren nicht richtig, was die Fahreffizienz und -sicherheit erheblich beeinträchtigt.

Zweitens dürfen die komplexen Straßenverhältnisse nicht außer Acht gelassen werden. Die Oberfläche des Mondes ist mit dickem Mondboden bedeckt, der hauptsächlich aus Fragmenten besteht, die von Himmelskörpern durch langfristiges Mahlen und Mischen entstanden sind. Auf dem Mond gibt es weder eine Atmosphäre noch einen Wasserkreislauf, daher gibt es auch keinen Wind und keinen Regen, die die Mondoberfläche erodieren und glätten könnten, was zu einer zerklüfteten Mondoberfläche führt. Die Geländeveränderungen sind unregelmäßiger als die auf der Erdoberfläche. Darüber hinaus ist der Mondboden sehr fein, scharfkantig und klebrig und kann Räder und andere Antriebsmechanismen leicht durchbohren, zerkratzen und verstopfen. Der bemannte Mondrover muss zahlreiche Hindernisse überwinden, um vorwärts und rückwärts fahren, wenden und Hügel erklimmen zu können. Die ausgewählten Materialien, Strukturen und Prüfverfahren müssen der starken „Torsion“ standhalten und das Fahren muss zudem den Grundsätzen der Ergonomie entsprechen.

Drittens lassen sich Umgebungen mit starker Strahlung nur schwer vermeiden. Art, Energie und Intensität der Strahlung im cislunaren Raum und auf der Mondoberfläche unterscheiden sich stark von denen in Erdnähe. Beispielsweise verfügt der Mond über keine Schutzschicht, die die Sonnenstrahlung abhält. Die Sonde Chang'e-4 hatte einst festgestellt, dass die Partikelstrahlungsdosis im Landegebiet auf der Rückseite des Mondes 300-mal so hoch war wie auf der Oberfläche. Daher müssen die mechanischen Teile des bemannten Mondrovers und die hochintegrierten mikroelektronischen Komponenten, die extrem strahlungsempfindlich sind, strengen Maßnahmen zum Schutz vor Strahlung, Korrosion und Alterung unterzogen werden. Im Vergleich zum unbemannten Mondrover sind die Astronauten das „schwache Glied“ und der Schwerpunkt der Aufmerksamkeit beim Strahlenschutz des bemannten Mondrovers.

Viertens muss der drastische Temperaturunterschied überwunden werden. Der Mangel an Luft und Wasser sowie die extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit des Mondbodens führen dazu, dass die Temperatur auf der Mondoberfläche stark schwankt. Es kommt nicht selten vor, dass der Temperaturunterschied zwischen Tag und Nacht am selben Ort über 300 Grad Celsius beträgt. Materialien wie Gummi neigen zur Alterung, Verhärtung, Rissbildung und zum Abfallen und werden daher für bemannte Mondrover grundsätzlich nicht verwendet. Bei der Apollo-Mission war der bemannte Mondrover ein „einfacher Rahmen mit offenem Dach“. Um Schäden durch extreme Temperaturen und Strahlung zu vermeiden, verbrachten die Astronauten die meiste Zeit ihrer „Mondlandung“ versteckt in der Kabine. Die in der neuen Generation bemannter Mondrover verwendeten Materialien müssen eine ausgezeichnete Hitze- und Kältebeständigkeit aufweisen und dürfen durch Temperaturschwankungen weder an Elastizität noch an Festigkeit verlieren. Sie müssen außerdem über eine eigene „Klimaanlage“ verfügen, um die Temperatur jederzeit stufenlos anpassen zu können und so den Aufenthalt der Astronauten auf dem Mond „realer“ zu gestalten.

Darüber hinaus muss sich der bemannte Mondrover an die besonderen mechanischen Bedingungen des Weltraumstarts und den Test der Weltraumumgebung anpassen. Beispielsweise muss der bemannte Mondrover beim Raketenstart und der Mondlandung Stoß-, Vibrations-, Überlastungs- und Lärmtests bestehen.

Strenge Anforderungen an Nahrung, Kleidung, Unterkunft und Transport

Auf absehbare Zeit werden bemannte Mondrover das einzige Transportmittel für Astronauten sein, die wissenschaftliche Forschung betreiben und auf dem Mond bleiben möchten. Ausgehend von den menschlichen Bedürfnissen muss der bemannte Mondrover die Bedürfnisse der Astronauten nach „Kleidung“, „Nahrung“, „Unterkunft“ und „Transport“ auf dem Mond erfüllen.

Imaginäres Bild von Japans großem, bemanntem Mondrover

„Kleidung“ – der Mondrover braucht eine „Rüstung“. Nachdem die Astronauten auf dem Mond gelandet sind, sind sie und der bemannte Mondrover der starken kosmischen Strahlung völlig ausgesetzt. Sie können sich zum Schutz ihrer Gesundheit nicht vollständig auf die Raumanzüge verlassen und die Zuverlässigkeit des elektronischen Fernsteuerungssystems lässt sich nur schwer garantieren, was zudem extrem hohe Anforderungen an zahlreiche Indikatoren des Kommunikationssystems stellt. Darüber hinaus kann die Dicke des Mondbodens in relativ flachen Bereichen der Mondoberfläche 5 bis 6 Meter erreichen. Während der Fahrt eines bemannten Mondrovers ist die Wahrscheinlichkeit höher, dass dieser große Mengen Feinstaub aufnimmt, der Instrumente und Geräte bedeckt, die Arbeitseffizienz und Genauigkeit der Datenanalyse beeinträchtigt und sogar die Sicherheit des Personals gefährdet. Daher muss die „Rüstung“ sowohl eine gute Schutzwirkung aufweisen als auch „sorgfältig“ sein.

„Nahrung“ – Der Mondrover kann nicht ohne stabile und reichlich vorhandene Energie auskommen. Derzeit nutzen die meisten unbemannten Mondrover eine Kombination aus Solarzellen und Isotopenwärmequellen als Energieversorgungslösung. Bemannte Mondrover verbrauchen mehr Energie und stellen höhere Anforderungen an die Nachhaltigkeit und Stabilität der Energieversorgung.

Jede Mondnacht entspricht 14 Tagen auf der Erde, was als Indikator für die Dauer der Energieversorgung einiger ausländischer bemannter Mondrover und Mondwohnmodule dient. Fast einen halben Monat lang kann sich der bemannte Mondrover also nicht auf Solarenergie zur Energieversorgung verlassen und muss das technische Designmodell „Erhöhung der Einnahmen und Reduzierung der Ausgaben“ erneuern.

„Leben“ – Wenn Astronauten häufig die Raumkapsel betreten, um Strahlung und extremen Temperaturen zu entgehen, beeinträchtigt dies zwangsläufig die Arbeitseffizienz und beschleunigt den Energieverbrauch des bemannten Mondrovers. Daher dürfte die Weiterentwicklung des bemannten Mondrovers zum „Mond-RV“ der allgemeine Trend sein.

Dies stellt nicht nur höhere Anforderungen an die „Panzerung“ und Energie des bemannten Mondrovers, sondern stellt auch Herausforderungen an sein Temperaturkontrollsystem dar: Es muss Temperaturänderungen empfindlich messen, Wärme schnell übertragen und das interne Temperaturgleichgewicht aufrechterhalten. Natürlich muss die Auswahl der Materialien für die verschiedenen Teile des bemannten Mondrovers sorgfältig geplant werden.

„Reisen“ – Damit ein bemannter Mondrover auf dem Mond reisen kann, ist er nicht nur auf spezielle Räder angewiesen, um das raue Gelände zu überwinden. Einerseits kommt es zu einer Zeitverzögerung bei der Übermittlung von Befehlen vom Erdteam, und der bemannte Mondrover muss Informationen über die Straßenverhältnisse zeitnah verarbeiten. Dabei liegt der Schwerpunkt stärker auf der Autonomie, was erfordert, dass der Fahrer auf die Straßenverhältnisse achtet, und zudem die Unterstützung durch künstliche Intelligenz erfordert. Will man sich hingegen auf der Mondoberfläche zurechtfinden, ist die Ortungsausrüstung des bemannten Mondrovers unverzichtbar. Unterstützt durch Fernerkundung aus der Luft wird es wesentlich effizienter sein.

Neue Technologie hilft Ihnen, schneller zu laufen

Wenn ein bemannter Mondrover seine Aktivitäten auf dem Mond sicher durchführen möchte, besteht die grundlegendste Vorbereitung darin, „die richtige Kleidung zu tragen“. Als Reaktion auf die Strahlengefahr haben einige Forscher neben der Verwendung herkömmlicher Materialien zum elektromagnetischen Schutz eine neue Idee vorgeschlagen: Sie wollen zum richtigen Zeitpunkt geschickt eine Reihe von Magneten einsetzen, um ein stabiles Magnetfeld um den bemannten Mondrover herum zu erzeugen. Das entspricht dem „Anlegen einer unsichtbaren elektromagnetischen Schutzpanzerung“. Dies wird nicht nur dazu beitragen, die schädlichen Auswirkungen elektromagnetischer Strahlung abzuschirmen und auszugleichen, sondern auch Mondstaubpartikel zu absorbieren und die „unaussprechlichen Probleme“ bemannter Mondrover zu lösen.

Konzeptbild des bemannten Mondrovers „Wangshu Chariot“, der von einem Team unter der Leitung der Tsinghua-Universität in meinem Land entwickelt wurde

Was kann ich tun, wenn der Solarakku in einer kalten Mondnacht vorübergehend nicht nutzbar ist? Viele Pläne für bemannte Mondrover nutzen Isotopen-Wärmequellen. Offensichtlich machen Isotopenwärmequellen das Energieversorgungsgerät kleiner und leichter und helfen dem bemannten Mondrover, genügend „Rationen“ zu speichern.

Wenn die Anforderungen an Volumen und Gewicht nicht so streng sind und das Problem der Nutzung der Mondressourcen vor Ort weiter gelöst wird, besteht natürlich auch die Möglichkeit, Brennstoffzellen in bemannten Mondrovern einzusetzen.

Darüber hinaus sollen fortschrittliche Wärmekontrolltechnologien wie hocheffiziente Wärmerohre, Phasenwechsel-Energiespeicher und Wärmekontrollgeräte mit variabler Emissivität dazu beitragen, den bemannten Mondrover warm zu halten: Tagsüber wird ausreichend Wärme gesammelt und in Phasenwechselmaterialien gespeichert; Nachts wird die Wärme durch Phasenwechsel freigesetzt und durchläuft einen effizienten Flüssigkeits-Wärmerohrkreislauf, um eine angenehme Umgebung zu schaffen.

Netzreifen, die zur Erhaltung ihrer Elastizität „Klavierdraht“ verwenden, werden zunehmend zur bevorzugten Wahl für außerirdische Rover, und bemannte Mondrover bilden da keine Ausnahme. Angesichts des komplexen Geländes des Mondes bietet das unabhängig angetriebene, mehrrädrige Kipphebel-Laufsystem große Vorteile. Jedes Rad kann seine Höhe selbstständig anpassen, genau wie die Gelenke im menschlichen Körper. Sie unterstützen und kooperieren miteinander und machen den Mondrover bei Bedarf zu einem „Kletterexperten“. Unter Berücksichtigung der Besonderheiten der Schwerkraft und des Mondbodens könnten bemannte Mondrover raketengetriebene Sprünge und schlittenartiges Rutschen ausprobieren, vorausgesetzt, sie verfügen über umfassende Kenntnisse über das Mondgelände.

Um das Mondgelände zu verstehen, muss der bemannte Mondrover mit autonomen Navigations- und intelligenten Fahrsystemen ausgestattet sein, eine autonome Hindernisvermeidung und Pfadplanung implementieren oder dem Fahrer einen Expertenassistenzmodus bieten. Beispielsweise kann die um 360 Grad drehbare Navigationskamera das Gelände im Voraus beobachten und das System bearbeitet die Karte automatisch und plant die Route. Bei einem Hang mit einer Neigung von mehr als 30 Grad, einem Stein, der höher als 25 Zentimeter ist, oder einem Mondeinschlagkrater mit einem Durchmesser von mehr als zwei Metern kann der bemannte Mondrover rechtzeitig Warnungen empfangen und Notfallumleitungen einleiten. Dadurch werden menschliche Eingriffe reduziert und den Astronauten wird geholfen, sich zu konzentrieren und die Mission wissenschaftlicher und effizienter abzuschließen.

Vor Kurzem gab das China Manned Space Engineering Office die vorläufigen Ergebnisse des Entwicklungsplans für bemannte Mondfahrzeuge bekannt, und neuartige und coole Elemente sind recht häufig. Beispielsweise helfen die verbesserte Mensch-Maschine-Hybrid-Fahrtechnologie, das einstellbare Karosserieneigungsdesign, die Kriechfahrfunktion usw. den Astronauten dabei, einfacher und sicherer zu fahren. Die Gestaltung der Sitzposition hilft Astronauten, Energie zu sparen und ihren Horizont zu erweitern. Die ausgeklügelte Falt- und Entfaltstruktur lindert auch die Schwierigkeiten hinsichtlich Stromversorgung, Temperaturregelung, Platzbedarf usw.

Kurz gesagt: Das Projekt des bemannten Mondrovers stellt die Stärke und Kreativität wissenschaftlicher Forscher voll und ganz unter Beweis und wird den Astronauten sicherlich dabei helfen, die Geheimnisse des Mondes weiter zu entschlüsseln. (Autor: Zhang Kai, Bildquellen: NASA, Japan Aerospace Exploration Agency, Tsinghua-Universität, Gutachter: Jiang Fan, stellvertretender Direktor des Wissenschafts- und Technologieausschusses der China Aerospace Science and Technology Corporation)