Sonnendächer auf dem Mars – langlebige transparente Strukturkunststoffe, die leichter als Glas sind und von der Erde aus verschifft werden können?

Kommentare unter dieser Antwort auf die Frage , was auf dem Mars pro Quadratkilometer leichter zu bauen ist; Gewächshausfenster oder Photovoltaik/LEDs? diskutieren die Möglichkeit, Kunststoff anstelle von Glas für transparente Gewächshausdächer auf dem Mars in Quadratkilometermengen zu verwenden, um dort einen Beitrag zur Nahrungsmittelproduktion zu leisten.

Wenn man dann von der Erde aus versendet, ist die Masse wichtig. Die Dichten gängiger transparenter Glas- und Kunststoffmaterialien, die für Fenster nützlich sind, liegen bei etwa 2,4 und 1,2 g/cm^3, sodass Sie doppelt so viele Kunststoffscheiben wie Glas versenden könnten, wenn die Abmessungen gleich wären.

Aber das werden sie nicht. Die fertige Fensteranordnung muss einen gewissen Druckunterschied aushalten und gegen einen Infrarotstrahlungswärmeverlust in den Weltraum durch die dünne Marsatmosphäre isolieren, um Pflanzen auf ihrer idealen Temperatur für maximales Wachstum zu halten. Nachts können Sie undurchsichtige Isolierabdeckungen verwenden, aber während die Fenster Sonnenlicht hereinlassen, werden Sie in den Weltraum strahlen. Wenn Sie mir nicht glauben, richten Sie tagsüber ein IR-Thermometer in einen blauen Himmel, aber weg von der Sonne. Es wird ccc-cold registriert!

Selbst im UV-Licht, das die Erde auf Meereshöhe empfängt, altern viele Kunststoffe in direktem Sonnenlicht. Das UV bricht die schwächere der organischen Bindungen im Kunststoff. Die Folgen sind Solarisation, Haarrisse und strukturelle Schwächung. Im viel stärkeren solaren UV-Fluss auf der Marsoberfläche wird dies beschleunigt.

Gibt es bekannte transparente Kunststoffkandidaten für ein optimiertes „Mars-Plastik“, das Glas als 15-Jahres-Gewächshausfenster auf dem Mars ersetzen könnte? Wären sie stark genug, damit das Gesamtversandgewicht pro Quadratkilometer geringer wäre als bei Scheiben aus optimiertem „Marsglas“?

unten: "Lexanfenster nach 7 Jahren" (natürlich auf der Erde), aus Lexan vs. Plexiglas .

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unter × 3: "Dieser Plexiglasport ist 38 Jahre alt." (natürlich auf der Erde), von Lexan vs. Plexiglas .

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Ein UV-Sperrfilter über dem Kunststofffenster kann die Alterung des Kunststoffs verringern. Aber auch der Filter selbst kann altern.
@Uwe Sonnencreme für Fenster? :) Jetzt patentieren! äh... nicht besser später patentieren und vorerst geheim halten. Siebzehn Jahre sind nicht sehr lang.
Wenn Sie den Chat besuchen , zeigen meine Berechnungen, dass der UV-Abbau auf dem Mars ähnlich oder niedriger ist als auf der Erde. Die UV-Strahlung ist etwa doppelt so hoch wie auf der Erde (keine Atmosphäre, aber schwächeres Sonnenlicht), während Sauerstoff, der für den Abbau unerlässlich ist, nur im Inneren des Gewächshauses vorhanden wäre (Halbierung der betroffenen Fläche) und wahrscheinlich bei geringerem Druck und geringerer Partialdruck Druck (weitere Verringerung der Wirkung).
Außerdem können Kunststoffe recycelt und in einem Prozess wiederaufbereitet werden, der weniger „industriell“ ist als für Glas erforderlich. (keine Notwendigkeit für Hochtemperaturöfen). Die Glasproduktion von OTOH, ISRU ist rentabler, da Kunststoff viel Wasserstoff benötigt, der auf dem Mars nicht ohne weiteres verfügbar ist. Kieselerde ist reichlich vorhanden und die Verarbeitung zu Glas ist ziemlich einfach (wenn auch energieintensiv).
@SF. Von dem, was ich in Glasgeschäften gesehen habe, ist das Recycling verdammt einfach. Sie brechen es auf, werfen es in einen Behälter, schmelzen es und gießen es ein. Angenommen, es gibt keinen zusätzlichen Strom, bauen Sie einfach einen Solarofen. Ein 3- oder 4-Meter-Reflektor auf dem Mars kann ein paar Liter Glas schmelzen, um es neu zu gießen. Vielleicht gibt es einen Kunststoff, der auch wieder schmelzbar/umgießbar ist und ausreichend klar und stark bleibt, wenn ja, lasst uns ihn identifizieren und benennen. Über das UV hinaus sind alle Prozesse stark wellenlängenabhängig. Sie können keine Argumente aus "weniger UV" oder "mehr UV" aufbauen. Müssen spektral vergleichen.
@uhoh: "verdammt einfach", wenn Sie die Glasschmelztemperatur erreichen können - 1400-1600 ° C. Der Ofen ist nicht gerade ein Taschengerät. Und dann müssen Sie es formen, was für kleine Gegenstände ziemlich einfach ist, aber es dauerte bis zur industriellen Revolution, bis große Glasscheiben erreichbar wurden.
@SF. Oh, du willst gehärtetes Glas ? Hmm... das wird schwieriger, ja. Glücklicherweise zersetzt sich das Glas im UV-Licht nicht wie Kunststoff, sodass wir es zunächst nicht recyceln müssen! Ein Sonnenofen mit 3 Metern Durchmesser auf dem Mars wird ein paar Liter Glas schmelzen. Sie stecken es in einen schwarzen Zylinder, bedecken die Seiten und ein Ende mit einer Glasfaserisolierung, fokussieren das Sonnenlicht auf die andere Seite des Zylinders und erhalten die gewünschte Temperatur.
@uhoh: und dann hast du einen Zylinder aus geschmolzenem Glas, den du wie verwendest? Glas war den alten Phöniziern bekannt. Glasscheiben, die größer als ein paar Zentimeter sind, sind eine etwas mehr als Jahrhunderte alte Geschichte.
@SF. OK, Sie sind wieder zum anderen Punkt zurückgekehrt. Deshalb vermeide ich Chats. Bitte posten Sie eine Antwort, wenn Sie eine haben. Vielen Dank!
@uhoh: Ich habe gerade Probleme mit Glas angesprochen. Ihre Frage betrifft transparente Kunststoffe, die 15 Jahre halten würden. Eine halbtransparente Folie, die 3 Jahre hält, halte ich für den richtigen Ansatz. Ich habe keine Antwort auf Ihre 15 Jahre Lebensdauer transparenter Kunststoffe. Sie scheinen auf starren Strukturen ähnlich wie Glasgewächshäuser zu bestehen, während ich denke, dass aufblasbare, flexible Strukturen weitaus praktikabler sind.
Warum sollte es eine einzelne Glas- oder Kunststoffscheibe sein? Fenster von gepanzerten Autos bestehen aus mehreren Schichten aus Glas und Kunststoff. Für ein stabiles und leichtes Sonnendach sollte ein mehrschichtiger Aufbau mit Wabenelementen in Erwägung gezogen werden. Ein solches Schiebedach sollte nicht von kleinen Meteoriten perforiert werden. Eine explosive Dekompression des Gewächshauses kann einen Gärtner töten. Um eine Alterung der Kunststoffschichten durch UV zu verhindern, sollte die oberste Schicht ein UV-Sperrfilter sein. Der Austausch eines beschädigten Fensters sollte jedoch möglich sein, ohne das gesamte Gewächshaus zu evakuieren.
@Uwe du hast echt gute Ideen! Denken Sie darüber nach, eine Antwort zu posten? Sie könnten einfach darauf hinweisen, dass die Prämisse der Frage nicht ideal ist, dass eine laminierte Kombination aus Kunststoff und Glas besser sein könnte als nur Glas oder nur Kunststoff. Schauen Sie sich doch moderne Autofenster an! Bitte denken Sie daran, eine Antwort zu posten!

Antworten (1)

In der Praxis würde ein Verbundansatz verwendet, der die Stärken verschiedener Materialien kombiniert.

Die erforderlichen Schichten können wie folgt zusammengefasst werden:

  • Eine Blase, die die Atmosphäre enthält
  • Eine offen gewebte Halterung (Gurtband) zur Reduzierung der Membranspannung in der Blase
  • Ein UV-, Abrieb- und Mikrometeorit-Schild

Die allgemeine Konstruktionstechnik (ohne Schild) ähnelt derjenigen, die für Superdruckballons wie von Project Loon verwendet wird : Superdruckballon von Project Loon.

Die Blase muss transparent sein und eine gute Zugfestigkeit haben, die Haltevorrichtung sollte eine ausgezeichnete Zugfestigkeit haben. Die Zugfestigkeit von Polyethylen beträgt nur etwa 30 MPa, während Materialien wie Kevlar eine Zugfestigkeit von etwa 3600 MPa haben können. Eine dichtere Einspannung führt zu einer verringerten Gesamtmasse, indem mehr Spannung mit der starken Einspannschicht aufgenommen wird, jedoch auf Kosten einer verringerten Transparenz.

Der Schild muss transparent sein, UV-Strahlung blockieren, einigermaßen abriebfest sein und die Membran mit hoher Wahrscheinlichkeit vor Mikrometeoriten schützen. Diese stellen auf dem Mars keine so große Bedrohung dar wie im Weltraum, die sich während der Atmosphäre nicht auflösen Die Einreise erfolgt mit einer Endgeschwindigkeit von weniger als 1 km/s. Diese könnten immer noch in der Lage sein, eine dünne Membran zu durchstechen, und für ein Gewächshaus mit einer Fläche von Hunderten von m² sind Mikrometeoriteneinschläge unvermeidlich, obwohl das einfache Reparieren von Löchern eine praktikable Strategie wäre, vorausgesetzt, die Membran ist reißfest.

Zusätzlich sollte eine der Schichten eine Strahlungsbarriere (Low-E-Beschichtung) aufweisen, deren Zweck darin besteht, Infrarotenergie einzufangen und wärmere Nachttemperaturen aufrechtzuerhalten. Diese besteht typischerweise aus einer äußerst dünnen Beschichtung aus Metall wie Silber, diese Barrieren sind zerbrechlich und werden durch Sauerstoff abgebaut, daher sollte sich die Beschichtung auf der Außenseite der Membran oder der Innenseite des Schildes befinden, damit sie sowohl vor Staubabrieb als auch vor Sauerstoff geschützt ist. Die Masse dieser Beschichtung ist vernachlässigbar.

Eine unten verlinkte Studie schätzt die Masse der Blase, der Zurückhaltung und des Schildes:1,22 kg/m^3 für Membrane, 0,66 kg/m^2 für Rückhaltesysteme

Für eine Gesamtmasse von etwa 3kg/m^2. Dies ist nicht viel leichter als Fensterglas, aber ein typisches Fenster ist nur dafür ausgelegt, Windlasten von ~0,5 kPa standzuhalten, nicht den ungefähren 30 kPa eines aufblasbaren Gewächshauses.

Einige nützliche PDFs sind unten verlinkt:

Aufblasbare transparente Strukturen für Gewächshausanwendungen auf dem Mars (pdf)
Technische Konzepte für aufblasbare Gewächshäuser auf der Marsoberfläche (pdf)

Interessant, danke für die Diskussion und die Links. Ich sehe in diesen Papieren nichts über einen Silber- oder Metallfilm, und ich sehe nicht, wie das als Wärmebarriere funktionieren und gleichzeitig dünn genug bleiben würde, um als Fenster für ein Gewächshaus zu dienen. Ist es möglich, näher darauf einzugehen?
Ich habe der Antwort ein wenig hinzugefügt, aber es ist im Grunde Ihre typische Low-E-Beschichtung, die fernes Infrarot (und möglicherweise nahes Infrarot) reflektiert, sodass sichtbares Licht eindringen kann und Infrarot eingefangen wird. Dies ist besonders relevant, um warme Nachttemperaturen aufrechtzuerhalten. Einige Gewächshauskonzepte beinhalten eine isolierende Abdeckung, die nachts eingesetzt wird und diese Rolle erfüllen könnte. Außerdem würden wahrscheinlich alle Gewächshäuser zumindest eine aktive Heizung erfordern. Wenn ein Überschuss an Abwärme in das Gewächshaus geleitet werden muss, besteht weniger / keine Notwendigkeit, Infrarot einzufangen.
Danke noch einmal! Ich habe noch nie von einer Beschichtung mit so niedrigem Emissionsgrad gehört, die aus Silber besteht und im sichtbaren Bereich transparent ist, aber fernes Infrarot reflektiert, aber solange die Plasmafrequenz irgendwo zwischen sichtbarem und thermischem IR liegt, sollte sie funktionieren. Ich werde noch etwas darüber lesen.
@uhoh, es unterscheidet sich wirklich nicht von der Goldbeschichtung von Raumanzughelmen, es ist transparent, weil es so dünn ist, aber die Photonen mit längerer Wellenlänge interagieren stark mit den Metallatomen (wie Mikrowellen durch ein Metallgitter blockiert werden können).
Das ist interessant! Anstatt dies in Kommentaren auszuarbeiten, habe ich mehr Platz dafür geschaffen: Wie blockiert der dünne Goldfilm im Glas von Raumanzughelmen thermisches IR, lässt aber sichtbar durch? Was ist die Physik?
@Blake Walsh Sie sagen, dass Mikrometeoriten "auf dem Mars keine so große Bedrohung darstellen wie im Weltraum, diejenigen, die sich beim Eintritt in die Atmosphäre nicht auflösen, werden sich mit einer Endgeschwindigkeit von weniger als 1 km / s fortbewegen". Hast du dafür eine Referenz? Wenn nicht, können Sie die Physik erklären, die zu dieser Schlussfolgerung geführt hat? Ich interessiere mich sehr dafür in Bezug auf mögliche Schäden an starren Gewächshausdächern. Siehe: space.stackexchange.com/questions/49657/…
Sonnendächer auf dem Mars – langlebige transparente Strukturkunststoffe, die leichter als Glas sind und von der Erde aus verschifft werden können?
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