Беспроводная передача энергии поможет изучить Луну
Как будущие исследователи Луны смогут осуществлять связь с обратной стороной Луны, несмотря на то, что она никогда не будет находиться на одной линии с Землей? Именно на это направлено недавнее исследование, представленное в IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, в котором пара исследователей из Политехнического института Монреаля исследовали потенциал беспроводного метода передачи энергии (WPT), состоящего из от одного до трех спутников, расположенных в точке Лагранжа Земля-Луна 2 (EMLP-2). и приемник на солнечной энергии на обратной стороне Луны. Это исследование, доступное на сервере препринтов arXiv, может помочь ученым и будущим лунным астронавтам поддерживать постоянную связь между Землей и Луной, поскольку обратная сторона Луны всегда обращена в сторону от Земли, поскольку вращение Луны почти полностью синхронизировано с ее орбитой вокруг Земли.
Здесь Universe Today обсуждает это исследование с доктором Гунесом Карабулутом Куртом, доцентом Политехнического института IEEE в Монреале и соавтором исследования, о мотивации исследования, значимых результатах, последующих исследованиях и последствиях для WPT. Итак, какова была мотивация этого исследования? "Целью этого исследования является преодоление логистических и технических проблем, связанных с использованием традиционных кабелей на поверхности Луны", - говорит доктор Курт в интервью Universe Today. "Прокладка кабелей по неровной, пыльной поверхности Луны приведет к постоянному техническому обслуживанию и проблемам с износом, поскольку лунная пыль обладает высокой абразивностью. С другой стороны, транспортировка большого количества кабелей на Луну требует значительного количества топлива, что значительно увеличивает расходы миссии".
Для проведения исследования исследователи использовали множество расчетов и компьютерных моделей, чтобы определить, достаточно ли одного, двух или трех спутников на орбите EMLP-2 halo для поддержания постоянного покрытия обратной стороны Луны (LFS) и прямой видимости с Земли. Например, EMLP-2 расположен на обратной стороне Луны, а гало—орбита находится перпендикулярно — или боком - орбите Луны. Расчеты, использованные в исследовании, включали расстояния между каждым спутником, углы наклона антенн между спутниками и наземным приемником, степень покрытия поверхности LFS и мощность, передаваемую между спутниками и наземными антеннами LFS. Итак, каковы были наиболее значимые результаты этого исследования?
Доктор Курт рассказывает Universe Today, что их модели показали, что три спутника, находящиеся на орбите EMLP-2 halo и работающие на равных расстояниях друг от друга, могут "обеспечить непрерывное излучение мощности на оптическую антенну приемника в любом месте на дальней стороне Луны", сохраняя при этом 100-процентный охват LFS и прямую видимость с Земли. "Помимо схемы с тремя спутниками, которая обеспечивает непрерывный полный охват LFS, даже конфигурация с двумя спутниками обеспечивает полный охват в течение 88,60% полного цикла обращения по гало-орбите EMLP-2", - добавляет доктор Курт.
Что касается последующих исследований, доктор Курт говорит в интервью Universe Today: "Наши будущие исследования будут сосредоточены на более сложных моделях сбора урожая и передачи инфекции, чтобы приблизиться к реальности. С другой стороны, это подход, который учитывает неравномерный характер лунной пыли и изменение ее плотности из-за факторов окружающей среды, таких как угол наклона солнца и другие. В будущем, если исследования в этой области продолжатся, экспериментально изучите это с помощью симуляторов лунной пыли и лазеров."
Это исследование было проведено в связи с тем, что НАСА готовится отправить астронавтов на Луну впервые с 1972 года в рамках программы Artemis, целью которой будет высадка первой цветной женщины на поверхность Луны. После успешного завершения миссии Artemis 1 в ноябре 2022 года, которая состояла из полета капсулы Orion на орбите Луны без экипажа, НАСА в настоящее время планирует в сентябре 2025 года запустить свою миссию Artemis 2, которая, как планируется, будет 10-дневным полетом с экипажем из 4 человек с использованием капсулы Orion для облета Луны, целью которого является будет проведена полная проверка систем капсулы "Орион". Итак, какие последствия может иметь это исследование для предстоящих миссий Artemis или любых других будущих исследований Луны человеком?
"Полученные результаты имеют значение для проектирования систем передачи энергии на Луне", - говорит доктор Курт в интервью Universe Today. "Лучшее понимание факторов, нарушающих беспроводную передачу данных, таких как лунная пыль, может привести к разработке более эффективных и надежных систем для обеспечения лунных миссий и инфраструктуры, в том числе связанных с программой Artemis и будущими исследованиями земли человеком".
В случае успеха за "Артемидой-2" в сентябре 2026 года последует "Артемида-3", которая также будет состоять из экипажа из 4 человек, два члена которого приземлятся на поверхность Луны, а приблизительная продолжительность миссии составит 30 дней. За этим последуют "Артемида-4", "Артемида-5" и "Артемида-6", которые в настоящее время запланированы на сентябрь 2028, сентябрь 2029 и сентябрь 2030 годов соответственно, причем с каждой миссией увеличивается как количество астронавтов, высаживающихся на поверхность Луны, так и ожидаемые поставки модулей лунной среды обитания и луноходов, а также что ж.
"Более того, миссия "Артемида" нацелена на южный полюс Луны в качестве места посадки", - говорит доктор Курт в интервью Universe Today. "Этот регион представляет особый интерес из-за наличия пиков вечного сияния (PELs), которые получают почти непрерывный солнечный свет, и областей с постоянной тенью (PSR), которые являются потенциальными местами для добычи таких ресурсов, как водяной лед. Эти контрастные условия идеально подходят для применения беспроводной передачи энергии (технологии лазерного излучения), которая может обеспечить непрерывное электроснабжение в затененных областях за счет беспроводной передачи энергии из освещенных областей".
Причина, по которой существуют эти PSR, заключается в малом наклоне Луны, который, как отмечается в исследовании, составляет 6,68 градуса. Для сравнения, наклон Земли составляет 23,44 градуса. Это означает, что как на северном, так и на южном полюсах Луны есть области и, в частности, кратеры, которые не получают солнечного света, отсюда и название "области с постоянной тенью". Как отметил доктор Курт, в этих глубоких темных кратерах могут быть залежи водяного льда, которые астронавты могли бы использовать для снабжения водой, топливом и других нужд.
Миссии Artemis планируют доставить на поверхность Луны не только астронавтов, но и среду обитания и луноходы с целью обеспечения постоянного присутствия человека на Луне. Это предоставит возможности для демонстрации новых космических технологий, которые могут быть использованы как для исследования Луны, так и для будущих полетов человека на Марс, которые являются частью архитектуры НАСА "Луна - Марс".
"Текущие миссии планируют повторно использовать проверенные на Земле технологии", - говорит доктор Курт в интервью Universe Today. "Такое мышление может подорвать традиционный подход к проектированию, при котором исследователям предлагается свободно мыслить, исследовать творческие идеи и расширять границы возможного, не ограничиваясь такими ограничениями, как особые требования к проекту или обратная совместимость. В нашу работу мы стремимся включить многофункциональные аспекты, которые не являются обязательными для наземного применения, но могут оказаться необходимыми для будущих космических полетов".
