Ein 3D-Modell unterstützt Wissenschaftler bei der Vorhersage des thermischen Verhaltens des Mondes
In den letzten fünf Jahrzehnten haben bemannte Weltraummissionen und Roboter-Sonden unser Verständnis des Erdtrabanten erheblich erweitert. Dennoch gibt es noch viel über den Mond zu entdecken, und ein wichtiger Aspekt der Mondforschung ist das Verständnis seines thermischen Verhaltens. Durch die Entwicklung eines einzigartigen thermophysikalischen Modells, das Simulationen mit Laborexperimenten kombiniert, hat Dr. Durga Prasad vom Physical Research Laboratory in Indien bedeutende Fortschritte beim Verständnis der räumlichen und zeitlichen Temperaturschwankungen in der oberflächennahen Schicht und im Untergrund des Mondes erzielt.
Warum ist es wichtig, mehr über die Mondoberfläche zu wissen?
Strahlung kann sich negativ auf bemannte Raumflüge auswirken und bei Astronauten Krebs verursachen. Die thermischen Schwankungen auf der Mondoberfläche können zu thermischer Ermüdung in allen dort errichteten Lebensräumen führen. Daher helfen Untersuchungen der Thermodynamik des Mondes bei der Missionsplanung, indem sie die Auswahl geeigneter Landeplätze erleichtern, stabile thermische Bedingungen für Ausrüstung und Lebensräume ermitteln und die Energieerzeugung und Wärmemanagementsysteme optimieren. Darüber hinaus spielen solche Untersuchungen eine entscheidende Rolle, damit Wissenschaftler potenzielle Ressourcen wie Wassereis lokalisieren und Strategien für deren Gewinnung entwickeln können. Diese Informationen liefern auch Erkenntnisse über die Geologie, die Regolith-Eigenschaften und die inneren Prozesse des Mondes und tragen so zur wissenschaftlichen Forschung und zu unserem allgemeinen Verständnis von Himmelskörpern bei.
Abbildung 1. Eine Fotografie des Vollmondes. Bild von Gregory H. Revera, lizenziert unter CC BY-SA 3.0 über Wikimedia Commons.
Um weitere Erkenntnisse über die Temperaturverteilung und das thermische Verhalten des Mondes zu gewinnen, haben Dr. Durga Prasad und sein Team ein umfassendes thermophysikalisches 3D-Modell entwickelt, mit dessen Hilfe das thermische Verhalten realistisch vorhergesagt, geophysikalische Probleme simuliert und zukünftige Experimente auf dem Mond geplant werden können.
Entwicklung eines thermophysikalischen Modells der Mondoberfläche
Dr. Durga Prasad beschrieb diese Bemühungen in einem 2022 in Earth and Space Science veröffentlichten Artikel. Zu diesem Zeitpunkt waren die vorhandenen Kenntnisse und Messungen zum thermophysikalischen Verhalten und Wärmefluss des Mondes noch begrenzt. Die wenigen bekannten Informationen beziehen sich ausschließlich auf die Äquator- und mittleren Breitengrade. Es ist bekannt, dass die Mondoberfläche aus einer porösen Schicht mit geringer Wärmeleitfähigkeit besteht, auf die eine dichtere Schicht folgt, die die Oberflächen- und Untergrundtemperaturen erheblich beeinflusst. Die Topografie des Mondes spielt ebenfalls eine entscheidende Rolle beim Wärmetransport und wurde in dieser Studie berücksichtigt.
Um ihr Verständnis zu vertiefen, schlug Dr. Durga Prasad vor, Laborexperimente und numerische Simulationen als mögliche Ansätze zu verwenden. Das Ziel dieser Analyse bestand darin, erste Schritte zur Entwicklung eines solchen umfassenden Modells zu unternehmen, indem die Temperaturen der Mondoberfläche und des Untergrunds abgeleitet wurden, um das realistische thermische Verhalten des Mondes vorherzusagen.
Der Modellentwicklungsprozess umfasste die Erstellung von zweischichtigen Querschnittsmodellen, um das Verhalten von Temperatur und Wärmefluss zu untersuchen. Die Forscher implementierten einen dreidimensionalen Finite-Elemente-Ansatzes mit der Softwareumgebung COMSOL Multiphysics® und dem Add-On-Produkt Heat Transfer Module. Dieser Ansatz ermöglicht eine genaue Darstellung der komplexen Geometrien der Mondoberfläche und gewährleistet die Eignung des Modells für kleine bis große Simulationen.
Berücksichtigung wichtiger Parameter und des Einflusses der Topografie
Um das thermophysikalische Verhalten der Mondoberfläche und des Untergrunds genau zu simulieren, war es entscheidend, die geeigneten Parameterwerte und Randbedingungen zu berücksichtigen. Diese Parameter, wie Dichte, Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärme, sind nicht konstant und beeinflussen sich gegenseitig. Wichtige Parameter, darunter die Dichte, wurden auf der Grundlage von Beziehungen aus früheren Studien definiert. Die Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Wärme wurden anhand einer temperaturabhängigen Funktion (einer theoretischen Kurvenanpassung) abgeleitet. Zusätzlich wurde eine halbsinusförmige Funktion verwendet, um die tageszeitliche Schwankung des Sonnenwärmestroms darzustellen.
Ein wesentlicher Aspekt des Modells von Dr. Durga Prasad ist die Einbeziehung der topografischen Unterschiede des Mondes und deren Auswirkungen auf den Wärmeaustausch und das thermophysikalische Verhalten. Herkömmliche eindimensionale Modelle bieten zwar eine globale Perspektive, können jedoch lokale und regionale Phänomene nicht erfassen. Durch die Einbeziehung der tatsächlichen Topografie der Mondoberfläche anhand von digitalen Höhenmodellen (digital elevation models, DEM, Abbildung 2) konnte das thermische Verhalten des Mondes realistischer dargestellt werden.
Abbildung 2. (a) Taurus-Littrow-Tal und Landestelle von Apollo 17 (b) für regionale Simulationen in Betracht gezogene Region (c) für lokale Simulationen erstellte künstliche DEM-Geometrie (d) vernetzte Geometrie und y-z-Schnittfläche.
Abbildung 3. Dreidimensionale Plots der Oberflächentemperaturen, abgeleitet aus dem Modell für lokale Simulationen für ausgewählte Zeitpunkte eines Mondtages.
Das von Dr. Durga Prasad entwickelte Modell ist weltweit einzigartig und das erste seiner Art. Es berücksichtigt topografische Unterschiede und ermöglicht die Simulation von Temperaturverteilungen an verschiedenen Stellen der Mondoberfläche. Die Ergebnisse des Modells wurden anhand von Laborexperimenten und Daten von Apollo 17 vor Ort validiert. Dabei wurde die Bedeutung der thermischen Struktur der Mondoberfläche, einschließlich der Dicke der obersten Schicht, als wichtiger Parameter für die Temperaturveränderungen an der Oberfläche und unter der Oberfläche deutlich.
Der Weg in die Zukunft der Mondforschung
Die Forschungsarbeit von Dr. Durga Prasad ist ein bedeutender Fortschritt für unser Verständnis des lokalisierten thermophysikalischen Verhaltens des Mondes und für die Planung gezielter Untersuchungen während zukünftiger Mondmissionen. Durch die Entwicklung eines umfassenden thermophysikalischen 3D-Modells konnte er wertvolle Erkenntnisse über die Temperaturschwankungen in der Oberflächenschicht und im Untergrund des Mondes gewinnen. Diese Forschung hat praktische Auswirkungen auf zukünftige Mondmissionen, da sie die Auswahl geeigneter Landeplätze erleichtert, die Optimierung von Wärmemanagementsystemen unterstützt und die Nutzung von Ressourcen vereinfacht. Darüber hinaus verbessert das Modell unser Verständnis der Geologie, der Eigenschaften des Regoliths und der inneren Prozesse des Mondes.
Referenz
- K.D. Prasad, V.K. Rai, and S.V.S. Murty, “A comprehensive 3D thermophysical model of the lunar surface,” Earth and Space Science, vol. 9, 2022; https://doi.org/10.1029/2021EA001968.
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