С чем смешать реголит, чтобы построить лунную базу

В прошлый раз мы вам рассказывали, что исследователи пробовали выращивать в лунном грунте и при каких условиях. Как оказалось, это не самая лучшая основа для будущих космических урожаев, вызывающая множество вопросов. Более позитивных результатов исследователи добились при изучении вариантов строительства лунных баз из реголита, смешанного с крахмалом, соленой водой и мочевиной. А может, вообще не нужно ничего в него добавлять? Об этих экспериментах — читайте в сегодняшнем материале.

Состав и особенности лунного реголита

Толщина частиц реголита составляет около 60–80 микрометров. Достоверно известен и его состав: обломки изверженных пород, минералы, стекло, брекчия ударно‑взрывного происхождения, уникальные для Луны агглютинаты и кластеры расплавленных частиц. Химический состав лунного реголита включает: на 99% — кислород (40–45%), кремний, алюминий, кальций, железо, магний и титан, на 1% — марганец, калий, натрий, фосфор.

Реголит легко электризуется и превращается во взвесь при физическом воздействии, как когда вы захлопываете пыльную книгу. По отзывам астронавтов «Аполлона», после выхода на поверхность Луны им было очень сложно работать внутри корабля из-за грязи и невозможности очиститься от лунной пыли. Сама пыль пахла гарью, порохом, мешала дыханию и попадала в глаза. Кроме того, как выяснили исследователи в 2018 году, лунный грунт может представлять опасность для здоровья при вдыхании колонистами.

StarCrete — космический бетон из крахмала и хлорида магния

Цель любых подобных проектов — минимизировать затраты на доставку материалов с Земли и максимально эффективно использовать имеющиеся ресурсы на месте. Реголита на Луне предостаточно, вопрос только в добавках, которые придадут ему достаточную прочность и износостойкость. И эти добавки тоже лучше получать на месте.

В одном из проектов в качестве такой добавки предложили крахмал (то есть состав реголит+крахмал+вода). Предполагается, что картофель станет первой культурой, выращиваемой на Луне для питания астронавтов, поэтому со временем крахмала станет достаточно, чтобы его можно было использовать для строительства баз. К тому же, он уже используется на Земле для изготовления клея и для промышленного производства картона и других материалов.

Следующим этапом стал выбор компонента, влияющего на желатинизацию крахмала, то есть повышающего прочность итогового материала. Для экспериментов выбрали хлорид магния (магниевая соль соляной кислоты), уксусную кислоту, угленатриевую соль, сульфат железа, мочевину и человеческую слюну. Все это относительно просто добыть в лунных условиях. По итогам экспериментов с желатинизацией и дегидрированием материала оказалось, что хлорид натрия значительно повышает прочность итогового материала. Ему отдали предпочтение еще и потому, что непосредственно на Марсе нашли «залежи» хлоридосодержащих веществ, то есть материал для строительства есть непосредственно на месте постройки.

По расчетам исследователей, 25 кг высушенного картофеля хватит на почти полтонны StarCrete, то есть на 213 кирпичей. Для примера авторы приводят сравнение, что при строительстве дома с 3 спальнями потребуется 7500 тысяч кирпичей. Если опираться на расчеты из исследования, то наилучших свойств материала удается добиться при добавлении 4,5% крахмала (соотношение крахмал-реголит). При испытаниях прочность на сжатие StarCrete из имитации марсианского грунта составила 72 МПа, из лунного — более 91 МПа. Для сравнения — прочность на сжатие бетона марки М800, который используется для строительства дамб, эстакад, бункеров и других сооружений, составляет 77,06 МПа.

Результаты работы исследователей опубликованы в свободном доступе в журнале Open Engineering.

Утилизация отходов жизнедеятельности с максимальной выгодой

Еще одним вариантом добавки к строительной смеси из реголита стала мочевина из мочи астронавтов. В нормальном состоянии в сутки человеческий организм выводит до 20 г мочевины, то есть самостоятельно производит необходимые для строительства компоненты, что крайне полезно в условиях острой необходимости максимально эффективного использования имеющихся ресурсов. Единственное «но» — исследователи пока не определили, как будут извлекать мочевину в условиях лунной станции.

Для эксперимента использовались несколько образцов лунного реголита, смешанные с щелочным раствором гидроксида натрия. Образцы были поделены на группы в зависимости от добавок: мочевина 3% (U), 3% нафталин (N), поликарбоксилат 3% (C) и контрольная группа без добавок. Основы с добавками смешивали до получения однородной смеси. Для печати лунных баз предполагается использовать 3D-принтер, который также использовался и в эксперименте.

После образцы начали проверять, насколько они деформируются под воздействием тяжелых предметов или собственным весом при наложении нескольких слоев. Сначала на образцы по 200 г поставили гири по 1 кг. Образец, смешанный с мочевиной, показал наилучшие результаты, не потрескавшись и не осыпавшись, как другие образцы. Далее на образцы поместили гири по 2 кг и фиксировали % деформации. Тут U-образец тоже хорошо себя показал, деформировавшись всего на 11,4% при воздействии веса в 10 раз превышающего собственный. Аналогичные результаты U-образцы показали себя и в тесте при наложении слоев — 5 слоев образцов без деформации.

В последующих экспериментах смесь, содержащая мочевину, показала наилучшее начальное и окончательное время схватывания при 3D-печати. А вот с прочностью все не так гладко. По текущим рекомендациям, прочность на сжатие у материала для возведения базы на Луне должна составлять 25-40 МПа. Но что U, что N-образцы показали худшие результаты по сравнению с остальными образцами. Начальная прочность U-образцов (до нескольких циклов замораживания и оттаивания, но после затвердевания) составила 13 МПа, после нескольких циклов замораживания-оттаивания образец все равно не достиг минимально допустимых значений. Рентгеновские снимки показали большое количество микротрещин в этих образцах после циклов замораживания и оттаивания, что может быть причиной низких показателей прочности на сжатие.

Исследователи осознают, что печатать на 3D-принтере на Луне будет намного сложнее, чем на Земле, и что в суровых лунных условиях принтер может повести себя абсолютно иначе. Кроме того, материал следует испытать на устойчивость к радиации, бомбардировке метеоритами и другим факторам, с которыми столкнутся будущие колонисты.

Результаты работы исследователей опубликованы в свободном доступе в журнале Journal of Cleaner Production.

Просто добавь воды! (и соль)

Авторы другого исследования задействовали метод BJT (binder jet technology) — струйную печать со связующим веществом, в качестве которого выступил 6,25% раствор соленой воды (H20 + NaCl в концентрации 1/16 или 6,25%). Оказалось, что соленая вода обладает всеми необходимыми качествами, которые требуются от связующего раствора: доступность на месте строительства и способность удерживать реголит, пока состав находится в сыром состоянии. Эксперименты с добавлением воды без NaCl не принесли аналогичного результата.

Исследователи в рамках работы взяли имитацию лунного и марсианского реголита. Соотношение реголита и связующего вещества составляло 3,5 части к 1 соответственно. Если добавить больше, образец разрушается, меньше — сыпется. После формования образцы отправили на спекание с максимальной температурой до 1200°C с предварительной сушкой при температуре 200°C.

В итоге прочность на сжатие у образцов из лунного реголита составила 21,73 МПа (25,46 МПа у имитации марсианского грунта), что совсем немного не дотягивает до минимальных значений. При этом соленая вода показала себя как хороший скрепляющий материал. Исследователи предположили, что увеличения прочности, вероятно, можно добиться за счет дробления частиц реголита.

Ознакомиться с исследованием можно по ссылке.

Кирпичи из «микроволновки»

А что если вообще ничего не нужно добавлять в реголит, и достаточно просто его запечь? Таким вопросом задавались многие исследователи. Микроволновое спекание стало одним из популярных методов производства космических кирпичей, однако последний эксперимент не дал достаточной прочности у получившихся кирпичей.

Корейские исследователи сформировали блоки размерами 100х100х50 мм и проводили эксперименты по их запеканию. Главной проблемой стал неравномерный нагрев материала, из-за которого образцы вспучивались и трескались. Кроме того, блоки плавились даже при постепенном нагреве от 3-5°C/мин до температур от 500 до 1080°C.

Разница между температурой внутри и снаружи материала как раз и приводила к его разрушению. Исследователи нашли выход в значительном снижении скорости нагрева и увеличении времени выдержки — нагрев проводили в 5 этапов с перерывами по 30 минут. Кроме того, в процессе нагрева образовывались микротрещины, снижающие прочность кирпичей на сжатие. Но этот момент удалось компенсировать предварительным нагревом реголита до 250°C в условиях вакуума, в процессе которого устранялись приводящие к появлению трещин летучие вещества.

В итоге исследователям удалось получить блок с однородной структурой. Но прочность на сжатие такого блока составляла 13,66 МПа. Как отметили ученые, сама технология перспективна для потенциального использования в будущих проектах освоения космоса и строительства, включая развитие инфраструктуры. С экспериментом можно ознакомиться в статье в журнале Journal of Building Engineering.

Стоит отметить, что у других экспериментов со спеканием реголита есть и более благоприятные результаты. Например, в данном случае без добавления примесей у исследователей получилось добиться прочности на сжатие до 45 МПа, что уже перешагивает через минимально допустимую норму для строительства. Но это все еще меньше, чем у варианта с крахмалом, а также энергозатратнее из-за необходимости достижения высоких температур.

А что еще можно сделать?

При изготовлении кирпичей есть еще метод упаковки реголита в мешки из различных материалов, описанный в недавней статье с анализом методов производства строительных материалов из лунного грунта. В рамках прошедших экспериментов исследователи делали мешки из арамидных тканей (кевлар) и нейлоновых тканей. Аналогичные дома и другие сооружения воздвигают и на Земле.

При таком варианте строительства с Земли придется вести только мешки, то есть лишь 1% от будущих домов. Кроме того, в числе преимуществ такого подхода можно упомянуть высокую скорость строительства, низкие энергозатраты и гибкость в отношении форм зданий.

Авторы статьи полагают, что данный вариант строительства — наиболее перспективный. При этом авторы отмечали быстрый износ материала мешка, вызванный агрессивными условиями на Луне. То есть при выборе данного варианта необходимо дополнительно продумывать защиту тканей.