Księżycowy doktorat na Politechnice Rzeszowskiej

22 marca publiczna obrona doktoratu dotyczącego modelowania energetycznego budowli na powierzchni Księżyca.

Kim jesteś i jak się zaczęła Twoja przygoda z kosmosem?

Nazywam się Marcin Kaczmarzyk, jestem asystentem badawczo-dydaktycznym w Katedrze Budownictwa Ogólnego na Politechnice Rzeszowskiej. Odkąd tylko pamiętam, zawsze interesowałem się otaczającym nas światem, fascynowało mnie poznawanie mechanizmów jego działania i praw rządzących przyrodą. Jako początek mojego szczególnego zainteresowania kosmosem mogę wskazać III klasę podstawówki; otrzymałem wówczas od rodziców Encyklopedię Szkolną z której zaczerpnąłem pierwsze systematyczne informacje o Układzie Słonecznym i lotach kosmicznych. Swoje zainteresowania rozwijałem poprzez lekturę książek popularnonaukowych, podczas lekcji fizyki, a później również dzięki dostępowi do Internetu. W wieku 19 lat przypadkowo wszedłem w posiadanie mojego pierwszego meteorytu; tak zaczęło się moje zamiłowanie do ‘kamieni z nieba’ oraz członkostwo w Polskim Towarzystwie Meteorytowym. W 2007 r. uległem nieszczęśliwemu wypadkowi, wskutek którego m.in. stałem się całkowicie niewidomy. Pomimo tego zdobyłem wykształcenie jako anglista, inżynier budownictwa i fizyk.

Za moją pracę magisterską z fizyki pt. „Ochrona radiologiczna w astronautyce” uzyskałem w 2018 r. nagrodę naukową Prezesa Polskiej Agencji Kosmicznej. Brałem również udział w międzynarodowej analogicznej misji marsjańskiej w habitacie Lunares w Pile.

O czym jest Twój doktorat?

Moja praca doktorska dotyczy wyznaczania zapotrzebowania energetycznego do celów całościowego funkcjonowania budynków mieszkalnych, jakie w przyszłości będą lokalizowane na Księżycu. Znajomość tego całkowitego zapotrzebowania na energię elektryczną stanowiła podstawę do wymiarowania i wyznaczania całkowitej masy różnorodnych systemów zasilania analizowanych obiektów. Ze względu na ekstremalnie wysokie koszty transportu kosmicznego, za najbardziej efektywny, w konkretnych warunkach, przyjmowałem system zasilania o najmniejszej masie całkowitej.

Skąd pomysł na ten konkretny doktorat?

Temat mojej rozprawy doktorskiej zrodził się z polaczenia mojej astronautycznej pasji z zagadnieniami fizyki budowli i szeroko rozumianego zrównoważonego rozwoju w budownictwie, jakimi zajmujemy się na co dzień w naszej Katedrze. Przygotowanie rozprawy doktorskiej to co najmniej kilka lat intensywnej pracy, wymagającej znacznego zaangażowania i nierzadko również wielu wyrzeczeń. Dlatego też bardzo zależało mi, aby oprócz zagadnień czysto zawodowych, w mojej pracy znalazły się elementy tego, co mnie dogłębnie pasjonuje i w czym jestem intelektualnie zakochany. Z tego też powodu, jestem niezmiernie wdzięczny mojemu kierownikowi i promotorowi, prof. Dr hab. Inż. Lechowi Lichołai za podjęcie się naukowej opieki nad pracą o tak niecodziennym, jak na inżynierię lądową, temacie.

Jakie są Twoje podstawowe wyniki z doktoratu? Czy jest tam “coś” wyraźnie innego w porównaniu z wcześniejszymi badaniami?

Tym, czym moja praca z pewnością się odznacza to oryginalność i pionierski charakter. Jest to pierwsza w tym temacie (fizyki budowli księżycowych) praca w Polsce. Jak wynika z wykonanego przeze mnie szerokiego przeglądu literatury przedmiotu, również na świecie na próżno szukać prac doktorskich w podjętym prze zemnie temacie. W czasopismach naukowych o światowym zasięgu Ukazało się dotychczas kilkanaście artykułów o zbliżonej tematyce, są to jednak pojedyncze studia przypadku, podczas gdy w mojej rozprawie dokonałem analizy wpływu szerokiego spektrum warunków środowiskowych, rozwiązań technicznych i architektoniczno-budowlanych na całkowitą masę systemów zasilania budynków księżycowych.

Jeśli chodzi o najważniejsze wyniki, to wykazałem, że na znacznej większości powierzchni Srebrnego Globu najbardziej efektywne, pod względem redukcji całkowitej masy systemu zasilania, są układy hybrydowe. Rozwiązania tego typu wykorzystują instalacje fotowoltaiczne do zapewnienia zasilania podczas księżycowych dni. W trakcie długich, ponad dwutygodniowych nocy księżycowych, zamiast czerpać energie z masywnych systemów magazynowania energii (np. akumulatorów Li-ion lub regeneracyjnych ogniw paliwowych), systemy hybrydowe zakładają wykorzystanie stosunkowo niewielkich, kompaktowych reaktorów jądrowych. Jedynie w okolicach księżycowych biegunów, na obszarach o ekstremalnie wysokim usłonecznieniu, możliwe jest uzyskanie najniższej masy przez system fotowoltaiczny wyposażony w tradycyjny magazyn energii elektrycznej. W obu przypadkach niezwykle ważne jest odpowiednie zarządzanie zapotrzebowaniem na moc elektryczną, tak aby minimalizować nocne zużycie energii kosztem maksymalizacji tego zużycia w dzień. Z kolei na obszarach długotrwale zacienianych, np. we wnętrzach księżycowych kraterów, bezkonkurencyjne okazują się systemy jądrowe, których praca jest niezależna od dostępności promieniowania słonecznego.

To oczywiście tylko wybrane wnioski z przeprowadzonych badań, myślę, że materiału jest tu na kilka solidnych publikacji.

Jaka jest praktyczna przydatność Twoich prac w kwestii programu Artemis czy lotu na Marsa?

W ramach prowadzonych przeze mnie badań, stworzyłem bardzo szczegółowy model numeryczny wymiany ciepła między budynkiem posadowionym na powierzchni Księżyca a jego otoczeniem gruntowym i przestrzenią kosmiczną. Model daje możliwość prowadzenia symulacji termicznych dla dowolnej szerokości selenograficznej i dla dowolnego usłonecznienia względnego. Myślę, że z powodzeniem model ten można będzie wykorzystać w pracach koncepcyjnych przy projektowaniu zarówno pierwszych baz księżycowych takich jak Artemis base Camp, jak i przy opracowywaniu bardziej dojrzałych konstrukcji.

W przeciwieństwie do Księżyca, na Marsie występują wyraźne pory roku, a jednocześnie Czerwona Planeta posiada atmosferę, której obecności mój model nie uwzględnia. Probabilistyczne w swej naturze zjawiska atmosferyczne, są znacznie bardziej kłopotliwe w modelowaniu niż wysoce deterministyczne środowisko księżycowe. Ponadto, własności termofizyczne marsjańskiego gruntu pozostają wciąż stosunkowo słabo poznane. Aby móc rzetelnie symulować warunki marsjańskie, mój model musiałby przejść poważną ewolucję.

Jakie są kolejne kroki?

W dalszej pracy naukowej chciałbym kontynuować rozpoczęte badania z zakresu fizyki budowli księżycowych. Zagadnienie jest bardzo szerokie, jest to nowa, wciąż niemal pusta nisza naukowo-techniczna. Wiele praktycznych problemów oczekuje na rozwiązanie, chociażby kwestia zagospodarowania ciepła odpadowego, wydajne wytwarzanie materiałów budowlanych z księżycowego regolitu, optymalizacja budżetu energetycznego budynków księżycowych czy kwestie zapewnienia właściwego poziomu ochrony radiologicznej ich mieszkańców. Pozostaję oczywiście otwarty na współpracę z krajowymi i zagranicznymi ośrodkami wykazującymi chęć prowadzenia interdyscyplinarnych badań związanych z załogową eksploracją kosmosu.

Link do oficjalnego komunikatu.

(MK)