月面基地の構築：パート3-構造設計

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最初の月面基地の建設は、人類がこれまでに着手した最大の課題です。月面での人間の存在に関連する自然および人工の危険性については、すでに推測することができます。それに応えて、私たちはすでにいくつかの生息地構造を考えています。インフレータブル構造から古代の溶岩洞窟内の地下の穴までさまざまです。そろそろ、最初の生息地構造の設計を真剣に開始し、隕石から私たちを保護し、地上の圧力を維持し、可能な限り地元で採掘された材料を使用するときです...

この「月面基地の建設」シリーズのパート1では、別の惑星に基地を建設することに関連する、より明白な危険のいくつかを検討しました。パート2では、月に最初の有人の生息地の現在の設計概念のいくつかを調査しました。設計は、インフレータブル構造、地球軌道で構築され、月面に浮かぶことができる生息地から、地下の古代の溶岩洞からくり抜かれた土台にまで及びました。すべての概念には利点がありますが、主な機能は、気圧を維持し、最悪の事態が発生した場合の壊滅的な損傷のリスクを減らすことです。このシリーズの第3回目は、スペースを最適化し、ローカルで採掘された材料を最大限に活用し、恒常的な微小隕石の脅威からの保護を提供する可能な月面ベースの基本設計を扱います…

「月面基地の建設」は、ハイムベナロヤとレオンハルトベルノルド（「月面基地のエンジニアリング“)

月の生息地の構造設計に影響を与える主な要因は次のとおりです。

地上重力の6分の1。
高い内部空気圧（人間が通気可能な雰囲気を維持するため）。
放射線遮蔽（太陽および他の宇宙線から）。
隕石シールド。
建築材料への強い真空効果（つまり、ガス発生）。
月の塵の汚染。
厳しい温度勾配。

これらの問題に対処することに加えて、月の構造は維持が容易で、安価で、構築が容易で、他の月の生息地/モジュール/乗り物と互換性がなければなりません。安価な建設を実現するには、できるだけ多くの地元の材料を使用する必要があります。安価な建設のための原材料は、月面ですぐにアクセスできる豊富な量のレゴリスである可能性があります。

結局のところ、月のレゴリスには月の建設に役立つ多くの特性があります。月のコンクリートを補完するために パート2）、基本的な建築構造物は鋳造レゴリスから形成されます。キャストレゴリスは、地上のキャスト玄武岩に非常に似ています。金型でレゴリスを溶かし、ゆっくりと冷やすことで作成された結晶構造が形成され、圧縮率が高く、適度に引張られた建物のコンポーネントになります。月面の高真空は材料の製造プロセスを大幅に改善します。また、ここではキャスト玄武岩を作成する方法について地球での経験があるので、これは新しいテストされていない方法ではありません。基本的な生息地の形状は、原料をほとんど準備することなく製造できます。梁、柱、スラブ、シェル、アーチセグメント、ブロック、円柱などの要素を作成できます。各要素は、コンクリートの10倍の圧縮および引張強度を持っています。

キャストレゴリスを使用することには多くの利点があります。主に、それは非常に丈夫で、月の粉塵による侵食に耐性があります。これは、月面ロケットの打ち上げ地点を舗装し、着陸パッドの周囲にデブリシールドを構築するのに理想的な材料になる可能性があります。それはまた、隕石と放射線に対する理想的なシールドを作ることができました。

さて、これで最小限の準備を必要とする、地元の材料からの基本的な建築資材が手に入りました。鋳造レゴリスの製造プロセスを自動化できることは想像に難くないでしょう。人間が月に足を踏み入れる前に、基本的な加圧された生息地の殻を作成して、占領を待つことができます。

しかし、生息地はどのくらいの大きさにすべきでしょうか？これは答えるのが非常に難しい質問ですが、月の生息地が長期間占有される場合、快適でなければならないというのが結論です。実際、NASAのガイドラインには、4か月を超える任務については、最小各個人が必要とするボリュームは、少なくとも20メートルでなければなりません³ （NASA Man Systems Integrationから
標準、NASA STD3000、ご参考までに。月面での長期的な居住のニーズと1960年代半ばの短期間のジェミニミッションを比較します（写真の）。ジェミニの乗組員1人あたりの居住可能体積は、居心地の良い0.57mでした³…幸いなことに、これらの初期の宇宙への進出は短かった。 NASAの規制にもかかわらず、乗務員あたりの推奨量は120mです³、国際宇宙ステーションの居住空間とほぼ同じ。クルーの健康と任務の成功のために、同様のスペースが月の将来の生息地内に必要になります。

これらのガイドラインから、生息地の設計者は、この生きたボリュームを作成する最善の方法に取り組むことができます。明らかに、床面積、生息地の高さ、機能性を最適化する必要があり、さらに機器、生命維持、保管のためのスペースも考慮に入れる必要があります。F。Ruess、J。SchÃ¤nzlin、H。Benaroyaによる基本的な生息地設計では「月の生息地の構造設計」（Journal of Aerospace Engineering、2006）、半円形の「格納庫」形状が考慮されます（写真の).

耐荷重アーチの形状は構造エンジニアにとって密接な同盟関係にあり、アーチは構造応力を均等に分散できるため、生息地設計の主要なコンポーネントになると期待されています。もちろん、生息地の基礎を構築するときに、基礎となる材料の安定性や傾斜角などの建築上の決定を行う必要がありますが、この設計は、月の建設に関連する多くの問題に対処することが期待されています。

「格納庫」の設計に対する最大のストレスは、重力が下向きに作用するのではなく、外向きに作用する内圧によるものです。生息地の内部は地上圧力に保持する必要があるため、内部から外部の真空への圧力勾配は、構造に大きなひずみを及ぼすでしょう。これは、格納庫のアーチが不可欠になる場所であり、コーナーがないため、弱点によって整合性が低下することはありません。

いくつかの複雑な応力とひずみの計算を含む、さらに多くの要因が考慮されますが、上記の説明は、構造エンジニアが考慮しなければならないことに関する味を与えます。キャストレゴリスから堅固な生息地を構築することにより、安定した構築のためのビルディングブロックを構築できます。日射と隕石からの保護を強化するために、これらのアーチ型の生息地を並べて相互接続して構築することができます。一連のチャンバーが構築されたら、緩いレゴリスを上に置くことができます。鋳造されたレゴリスの厚さも最適化されるため、製造された材料の密度は追加の保護を提供できます。おそらく、鋳造レゴリスの大きなスラブを上に重ねることができます。

基本的な生息地モジュールが構築されると、集落のレイアウトを開始できます。月の「都市計画」は別の複雑なタスクであり、多くのモジュール構成を考慮する必要があります。 5つの主要なモジュール構成が強調表示されています：線形、中庭、放射状、分岐、クラスター。

ただし、将来の月着陸のインフラストラクチャーは多くの要因に依存し、次のインストールでも継続されます。