Просмотр новости
Найдите то, что Вас интересует
Спутники
РН
SpaceX
Роскосмос
NASA
СпутникиРНSpaceXРоскосмосNASAНа Луне добытый реголит считается перспективным сырьём для будущей инфраструктуры — от посадочных площадок до строительных материалов.
Однако строительные материалы для Луны должны выдерживать гораздо больше, чем обычное давление и статическую нагрузку. Они должны сохранять стабильность в вакууме, блокировать космическое излучение, выдерживать экстремальные перепады температур и длительное время противостоять суровым условиям космоса. Именно поэтому исследовательская группа Университета Делавэра (США) подвергла образцы потенциального лунного строительного материала шестимесячному тестированию снаружи Международной космической станции (МКС).
По словам учёных, образцы не показали никакой деградации. Некоторые после возвращения на Землю оказались прочнее идентичных контрольных образцов, которые хранились параллельно на Земле.
Для длительной работы на Луне нужна функциональная инфраструктура. К ней относятся:
- Посадочные площадки и стартовые рампы
- Дороги и транспортные пути
- Защитные конструкции от излучения и микрометеоритов
- Фундаменты для технических сооружений
- Элементы для будущих habitatов
Привозить эти материалы с Земли экономически и логистически практически невозможно. Каждый дополнительный килограмм полезной нагрузки резко увеличивает стоимость запуска и расход топлива.
Поэтому в фокусе космических исследований оказывается так называемая практика - In-situ Resource Utilization (ISRU - использование ресурсов на месте. На Луне это в первую очередь касается реголита - рыхлого слоя пыли и камней на поверхности спутника.
"Реголит — это по сути силикатный материал глинистого типа, — объясняет Норман Вагнер (Norman Wagner), обладатель кафедры химической инженерии имени Роберта Л. Пигфорда в Университете Делавэра. — Он является одним из самых распространённых материалов как на Земле, так и на Луне, что делает его интересным для строительства".
Команда Вагнера в разработке материалов делает ставку на "геополимеры". Это цементоподобные неорганические вяжущие вещества, которые образуются из алюмосиликатных исходных материалов. Проще говоря: материалы глинистого типа химически активируются и образуют прочную сетчатую структуру.
Отличие от классического цемента (портландцемента) принципиально: геополимерам не требуется энергоёмкий процесс обжига клинкера при высоких температурах. Для лунных миссий это решающее преимущество, поскольку энергия, вода и добавки на месте сильно ограничены. Чем меньше оборудования и массы нужно импортировать с Земли, тем эффективнее процесс строительства.
В предыдущих лабораторных экспериментах, однако, выявились чёткие материаловедческие ограничения:
- Вакуум: При отсутствии воздуха прочность на сжатие образцов частично снижалась.
- Низкие температуры: При условиях около −80 °C химические компоненты реагировали не так, как ожидалось.
- Высокие температуры: При нагреве луноподобные образцы становились прочнее, но значительно более хрупкими.
Именно здесь вступает в игру тест на МКС: он проверяет стойкость не в искусственных лабораторных условиях, а в реальной космической среде.
Для эксперимента тонкие пластины из геополимеров в рамках миссии NASA MISSE-20 (Materials International Space Station Experiment) были установлены снаружи МКС. На этой платформе материалы подвергались тем экстремальным воздействиям, которые на Земле сложно воспроизвести в комплексе:
- Ультрафиолетовое излучение
- Атомарный кислород
- Заряженные частицы (космическое излучение)
- Постоянный вакуум
- Резкие термические циклы (переходы между экстремальной жарой и холодом)
Через шесть месяцев образцы вернулись на Землю. Результаты, опубликованные в журнале Advances in Space Research, показывают, что геополимеры качественно не ухудшились. То, что некоторые образцы продемонстрировали даже более высокую прочность, чем земные аналоги, — главный вывод работы. Это указывает на то, что данный класс материалов в затвердевшем состоянии более устойчив к космическим воздействиям, чем предполагалось ранее.
Несмотря на успех, лунная стройплощадка ещё далека от готовности. С инженерной точки зрения результаты следует рассматривать с трёх позиций:
1. МКС находится на НОО. Там важную роль играют атомарный кислород и ориентация образцов относительно траектории. На Луне же доминируют нефильтрованное солнечное излучение, агрессивная и электростатически заряженная лунная пыль, а также ещё более экстремальные температурные градиенты.
2. Тестировались уже готовые затвердевшие образцы. Это не решает проблему собственно строительного процесса на месте. Материал на Луне нужно автоматически смешивать, транспортировать, формовать или печатать и давать ему затвердевать в экстремальных условиях. Именно этот технологический этап — главная преграда.
3. Использование искусственного реголита неизбежно из-за отсутствия достаточного количества настоящего на Земле. Хотя химические и физические свойства хорошо приближены, они не полностью заменяют естественную изменчивость реального лунного грунта.
Термин "строительный материал для Луны" допустим с точки зрения формулировки, но описывает текущий уровень разработки слишком оптимистично. Это многообещающая базовая модель в материаловедении, а не готовый к применению в строительстве продукт.
Ещё одна проблема: лунный реголит неоднороден. В зависимости от региона грунт различается по размеру частиц, минералогии и химическому составу. Технология, которая работает только в лабораторных условиях со стандартной смесью, для практики непригодна.
Поэтому в отдельном исследовании, опубликованном в "Acta Astronautica", команда интегрировала методы машинного обучения -
модель ИИ должна предсказывать, какую прочность достигнет геополимер, если известны химический состав местного реголита и параметры обработки. Инженерам не придётся для каждой новой пробы грунта проводить длительные серии экспериментов — рецептуры и параметры процесса можно будет определять на основе данных.
Для успеха на Луне критически важна обработка материала до его затвердевания. Вяжущее смесь должно быть текучим и прокачиваемым, чтобы его можно было использовать, например, в 3D-печати.
В этом контексте лаборатория исследовала так называемую "критическую точку гелеобразования" — переход от жидкой суспензии к твёрдой структуре. По данным Университета Делавэра, механические воздействия (такие как перемешивание или сдвиговые силы) до этой точки не оказывали негативного влияния на последующее время затвердевания или окончательную прочность. Это повышает технологическую устойчивость автоматизированных строительных процессов, где потоки материала и время прокачки на Луне сложно контролировать с миллиметровой точностью.
Однако полученные знания имеют значение и для земной строительной отрасли. Геополимеры считаются потенциальной альтернативой классическому цементу с более низким выбросом CO₂. Поскольку они химически активируют местные алюмосиликатные отходы или глины, теоретически можно снизить потребность в термической энергии при производстве.
Но краткосрочная замена классического бетона в массовом строительстве пока нереалистична. Слишком сложными остаются вопросы крупномасштабной доступности сырья, нормативного регулирования, долговечности и практического применения на стройплощадке. Тем не менее, исследование показывает, как современные технологии строительных материалов, ресурсная эффективность и автоматизация процессов могут функционально дополнять друг друга.
Источник:
https://www.ingenieur.de/technik/fachbereiche/bau/baumaterial-fuer-den-mond-uebersteht-iss-test-und-wird-teils-sogar-fester/