Лунаркрит

Лабораторно определенные свойства лунокрита

Прочность на сжатие	39–75,7 Н/мм 2 ( МПа )
Модуль Юнга	21,4 кН/мм 2
Плотность	2,6 г/см 3
Температурный коэффициент	5.4 × 10 −6 К −1

Лунный бетон , также известный как « лунный бетон », идея, впервые предложенная Ларри А. Бейером из Питтсбургского университета в 1985 году, представляет собой гипотетический строительный агрегат , похожий на бетон , образованный из лунного реголита , который позволит снизить затраты на строительство зданий на планете. Луна ​ . AstroCrete — более общая концепция, применимая и к Марсу.

Ингредиенты

На Землю было доставлено лишь сравнительно небольшое количество лунной породы, поэтому в 1988 году исследователи из Университета Северной Дакоты предложили смоделировать создание такого материала с помощью бурого угля золы . Другие исследователи использовали разработанные впоследствии материалы, имитирующие лунный реголит , такие как АО-1 (разработанный в 1994 году и используемый Тутанджи и др.) и LHS-1 (разработанный и произведенный Exolith Lab). Однако некоторые мелкомасштабные испытания с реальным реголитом были проведены в лабораториях.

Основные ингредиенты лунарбета такие же, как и для земного бетона: заполнитель, вода и цемент . В случае лунаркрита агрегатом будет лунный реголит. Цемент будет производиться путем обогащения лунной породы с высоким содержанием кальция. Вода будет поставляться либо с Луны, либо путем объединения кислорода с водородом, добываемым из лунного грунта .

Лин и др. использовали 40 г образцов лунного реголита, полученных Аполлоном-16, для производства лунаркрита в 1986 году. Лунаркрет отверждался с помощью пара на сухой смеси заполнителя и цемента. Лин предположил, что воду для такого пара можно получить путем смешивания водорода с лунным ильменитом при температуре 800 °C для получения оксида титана , железа и воды. Он был способен выдерживать сжимающее давление 75 МПа и терял только 20% этой прочности после многократного воздействия вакуума.

В 2008 году Хусам Тутанджи из Университета Алабамы в Хантсвилле и Ричард Грюгель из Центра космических полетов Маршалла использовали имитатор лунного грунта, чтобы определить, можно ли изготовить лунный бетон без воды, используя серу (полученную из лунной пыли) в качестве связующее вещество. Процесс создания серобетона требовал нагрева серы до 130–140 °C. После воздействия 50 циклов изменения температуры, от -27 °C до комнатной температуры, имитирующий лунаркрит оказался способен выдерживать сжимающее давление в 17 МПа, которое, по мнению Тутанджи и Грюгеля, можно было бы поднять до 20 МПа, если бы материал был армирован кремнеземом . (также можно получить из лунной пыли).

Литье и производство

Прежде чем станет возможным промышленное производство лунокрита, потребуется наличие значительной инфраструктуры.

Для литья лунаркрета потребуется среда под давлением, потому что попытка литья в вакууме просто приведет к сублимации воды и лунаркриту не удастся затвердеть. Было предложено два решения этой проблемы: предварительное смешивание заполнителя и цемента с последующим использованием процесса впрыска пара для добавления воды или использование завода по производству бетона под давлением, который производит сборные бетонные блоки.

Лунаркрет имеет тот же недостаток прочности на разрыв, что и земной бетон. Одним из предполагаемых натяжных материалов, эквивалентных лунному материалу для создания предварительно напряженного бетона , является лунное стекло, также изготовленное из реголита, подобно тому, как стекловолокно уже иногда используется в качестве материала для армирования земного бетона. Еще один натяжной материал, предложенный Дэвидом Беннеттом, — это кевлар , импортированный с Земли (который с точки зрения массы было бы дешевле импортировать с Земли, чем обычную сталь).

«Безводный бетон» на основе серы.

Это предложение основано на наблюдении, что вода, вероятно, будет ценным товаром на Луне. Также сера набирает прочность за очень короткое время и не требует периода охлаждения, в отличие от гидравлического цемента. Это сократит время, в течение которого астронавты-человеки должны будут находиться в поверхностной лунной среде.

Сера присутствует на Луне в виде минерала троилита (FeS). и может быть восстановлен для получения серы. Он также не требует сверхвысоких температур, необходимых для извлечения вяжущих компонентов (например, анортозитов ).

Серобетон – признанный строительный материал. Строго говоря, это не бетон, поскольку в нем мало химических реакций. Вместо этого сера действует как термопластичный материал, связывающийся с нереакционноспособным субстратом. Цемент и вода не требуются. Бетон не требует выдержки, вместо этого его просто нагревают до температуры плавления серы, превышающей 140 °C, и после охлаждения он сразу же достигает высокой прочности.

Наилучшей смесью по прочности на растяжение и сжатие является 65% имитатора лунного реголита АО-1 и 35% серы, со средней прочностью на сжатие 33,8 МПа и прочностью на разрыв 3,7 МПа. Добавление 2% металлической фибры увеличивает прочность на сжатие до 43,0 МПа. Добавление кремнезема также увеличивает прочность бетона.

Этот серобетон может иметь особую ценность для минимизации пыли, например, для создания стартовой площадки для ракет, покидающих Луну.

АстроКрит

Графическое резюме концепции AstroCrete

AstroCrete — это материал, похожий на бетон, который предлагается использовать на Луне или Марсе и изготовленный из реголита и человеческого сывороточного альбумина (HSA), белка человеческой крови. Ученые продемонстрировали, что такой материал имеет прочность на сжатие до 25 МПа, тогда как у обычного бетона — 20–32 МПа. Благодаря добавлению мочевины (побочный продукт мочи, пота и слез) полученный материал стал значительно прочнее обычного бетона с прочностью на сжатие 40 МПа.

Как отмечают авторы:

По сути, человеческий сывороточный альбумин, вырабатываемый астронавтами in vivo, можно было бы полунепрерывно экстрагировать и объединять с лунным или марсианским реголитом, чтобы «получить камень из крови», перефразируя пословицу.Мы полагаем, что биокомпозиты внеземного реголита с сывороточным альбумином человека потенциально могут сыграть значительную роль в зарождающейся марсианской колонии.

Исследователи также экспериментировали с синтетическим паучьим шелком и альбумином бычьей сыворотки в качестве связующих веществ реголита, отметив, что эти материалы также могут быть произведены на Марсе после достижений в технологии биопроизводства .

Идея, лежащая в основе AstroCrete, не нова, это признают авторы: «клеи и связующие биологического происхождения широко использовались человечеством на протяжении тысячелетий до разработки синтетических клеев, полученных из нефти. Смолы деревьев, коллаген из копыт, казеин из сыра и Кровь животных использовалась в качестве связующих веществ и добавок для различных целей».

Исследователи подсчитали, что экипаж из шести астронавтов сможет произвести более 500 кг AstroCrete за двухлетнюю миссию на поверхности Марса. Каждый астронавт «мог бы создать достаточно дополнительного места для обитания другого астронавта, что потенциально позволит обеспечить устойчивое расширение ранней марсианской колонии».

В 2023 году А. Д. Робертс написал статью об использовании «AstroCrete», тестируемого при создании строительного материала на Марсе, чтобы решить проблему получения сыпучего материала для строительства на планете.

• 
  Схема, изображающая типичную процедуру изготовления биокомпозитов на основе HSA.
• 
  Образцы астрокрита, напечатанные на 3D-принтере. а — после изготовления, б — во время испытаний на сжатие, в — после испытаний на сжатие.
• 
  Блок-схема жизненного цикла биокомпозитов на основе HSA/мочевины
• 
  Гипотетическая блок-схема, показывающая, как HSA можно производить in vivo из in situ, доступных на Марсе. ресурсов

Проблемы с «Серным бетоном»

Он обеспечивает меньшую защиту от космического излучения, поэтому стены должны быть толще, чем бетонные стены на основе портландцемента (вода в бетоне является особенно хорошим поглотителем космического излучения).

Сера плавится при температуре 115,2 °C, а лунная температура в высоких широтах может достигать в полдень 123 °C. Кроме того, изменение температуры могло изменить объем серобетона из-за полиморфных переходов серы. (см. Аллотропы серы ).

Таким образом, незащищенный серный бетон на Луне, если он непосредственно подвергается воздействию температуры поверхности, должен быть ограничен более высокими широтами или затененными местами с максимальными температурами менее 96 °C и ежемесячными колебаниями, не превышающими 114 °C.

Материал будет разлагаться в результате повторяющихся температурных циклов, но на Луне последствия, вероятно, будут менее экстремальными из-за медленности ежемесячного температурного цикла. Внешние несколько миллиметров могут быть повреждены в результате распыления частиц высокой энергии солнечного ветра и солнечных вспышек. Однако это можно легко отремонтировать путем повторного нагревания или повторного нанесения покрытия на поверхностные слои, чтобы спекать трещины и залечивать повреждения.

Использовать

Дэвид Беннетт из Британской цементной ассоциации утверждает, что лунный бетон имеет следующие преимущества в качестве строительного материала для лунных баз:

• Производство лунного бетона потребует меньше энергии, чем лунное производство стали , алюминия или кирпича .
• На него не влияют колебания температуры от +120 °C до −150 °C.
• Он будет поглощать гамма-лучи .
• На целостность материала не влияет длительное воздействие вакуума. Хотя свободная вода испаряется из материала, вода, химически связанная в результате процесса отверждения, не испаряется.

Однако он отмечает, что лунокрит не является воздухонепроницаемым материалом, и чтобы сделать его воздухонепроницаемым, потребуется нанесение эпоксидного покрытия на внутреннюю часть любой лунобетонной конструкции.

Беннетт предполагает, что в гипотетических лунных зданиях из лунного бетона, скорее всего, для внутренних отсеков и комнат будут использоваться низкосортные бетонные блоки, а для наружных обшивок — высококачественный бетон на основе цемента с частицами кремнезема .

См. также

• Использование ресурсов на месте - использование в космонавтике материалов, добытых в космическом пространстве.
• Лунные ресурсы

Дальнейшее чтение

• Ларри А. Бейер (октябрь 1985 г.). «Лунаркрит — новый подход к внеземному строительству» . В Барбаре Фонэн; Грегг Мариняк (ред.). Космическое производство 5: Инженерия с использованием лунных и астероидных материалов, материалы седьмой конференции Princeton/AIAA/SSI, 8–11 мая 1985 г. Американский институт аэронавтики и астронавтики . п. 172. ISBN   093040307X ISBN   978-0-930403-07-2 .
• ТД Лин; Х. Любовь; Д. и Старк (октябрь 1987 г.). «Физические свойства бетона, изготовленного из образца лунного грунта Аполлона-16» (PDF) . В Барбаре Фонэн; Грегг Мариняк (ред.). Космическое производство 6: Материалы восьмой конференции Princeton/AIAA/SSI, 6–9 мая 1987 г. Американский институт аэронавтики и астронавтики . стр. 361–366.
• Н. Исикава; Х. Канамори и Т. Окада. «Возможность производства бетона на Луне» (PDF) . В WW Менделле; Дж. В. Алред; Л. С. Белл; М. Дж. Синтала; Т.М. Крэбб и Р.Х. Дарретт (ред.). Вторая конференция по лунным базам и космической деятельности XXI века, Хьюстон, Техас, 5–7 апреля 1988 г. Публикация конференции НАСА. стр. 489–492.
• Р. Робинсон (январь 1989 г.). «Строительство на Луне». Гражданское строительство : 40–43.
• Х. Киномер; С. Мацумото; Х. Фудзисиро и К. Яцуянаги (1990). «Исследование затрат на производство бетона на Луне». В Стюарте В. Джонсоне и Джоне П. Ветцеле (ред.). Проектирование, строительство и эксплуатация в космосе II: Космос '90; Материалы 2-й Международной конференции, Альбукерке, Нью-Мексико, 22–26 апреля 1990 г. Нью-Йорк: Американское общество инженеров-строителей . стр. 1523–1532. ISBN  0872627527 .
• Ричард А. Каден, изд. (1991). Лунный бетон: доклады, представленные на Лунном техническом симпозиуме, Комитет 125 Американского института бетона, Ежегодный съезд Американского института бетона, 17–22 марта 1991 г. Американский институт бетона. ISBN  9789991045092 .
• Деннис М. Пакульски и Кеннет Дж. Нокс (1992). «Система нагнетания пара для лунного бетона». Проектирование, строительство и эксплуатация в космосе III: Космос '92; Материалы 3-й Международной конференции, Денвер, Колорадо, 31 мая – 4 июня 1992 г. Том. 2 (А93-41976 17-12). стр. 1347–1358.
• ТД Линь и Нан Су (1992). «Бетонная конструкция на Луне». Проектирование, строительство и эксплуатация в космосе III: Космос '92; Материалы 3-й Международной конференции, Денвер, Колорадо, 31 мая – 4 июня 1992 г. Том. 2 (А93-41976 17-12). стр. 1359–1369.
• Ричард М. Дрейк (1992). «Концепция проектирования завода по производству лунного бетона». Проектирование, строительство и эксплуатация в космосе III: Космос '92; Материалы 3-й Международной конференции, Денвер, Колорадо, 31 мая – 4 июня 1992 г. Том. 2 (А93-41976 17-12). стр. 34–42.
• Хусам Омар и Мохсен Исса (1993). «Экономичность лунного бетона для лунных сооружений». Тихоокеанская международная конференция по аэрокосмической науке и технологиям, Тайвань, Китайская Республика, 6–9 декабря 1993 г.
• Хусам А. Омар и Мохсен Исса (1994). «Возможность двойной технологии производства лунного бетона». В Родни Г. Галлоуэе и Стэнли Локадже (ред.). Проектирование, строительство и эксплуатация в космосе IV: Космос '94; Материалы 4-й Международной конференции, Альбукерке, Нью-Мексико, 26 февраля – 3 марта 1994 г. Том. 2. Нью-Йорк: Американское общество инженеров-строителей . стр. 933–941. ISBN  0872629376 .
• Хусам А. Омар и Мохсен Исса (1994). «Производство лунного бетона с использованием расплавленной серы» (PDF) . В Родни Г. Галлоуэе и Стэнли Локадже (ред.). Проектирование, строительство и эксплуатация в космосе IV: Космос '94; Материалы 4-й Международной конференции, Альбукерке, Нью-Мексико, 26 февраля – 3 марта 1994 г. Том. 2. Нью-Йорк: Американское общество инженеров-строителей . стр. 952–959. ISBN  0872629376 .
• И. Казанова (1997). «Технико-экономическое обоснование и применение серного бетона для строительства лунной базы: предварительное исследование» (PDF) . 28-я ежегодная конференция по науке о Луне и планетах, 17–21 марта 1997 г., Хьюстон, Техас . п. 209.
• ТД Лин; Стивен Б. Скаар и Джозеф Дж. О'Галлахер (апрель 1997 г.). «Предлагаемый эксперимент по производству бетона на солнечной энергии с дистанционным управлением на Луне». Журнал аэрокосмической техники . 10 (2): 104–109. дои : 10.1061/(ASCE)0893-1321(1997)10:2(104) .
• Хусам Тутанджи; Бекка Гленн-Лопер и Бет Шрайшуен (2005). «Прочность и долговечность безводного лунного бетона» . 43-е собрание и выставка AIAA по аэрокосмическим наукам, 10–13 января 2005 г., Рино, Невада . Американский институт аэронавтики и астронавтики. дои : 10.2514/6.2005-1436 .
• Р. Н. Грюгель и Хуссам Тутанджи (2006). «Жизнеспособность серного «бетона» на Луне: экологические аспекты». Материалы: 43-й Американский институт аэронавтики и астронавтики (AIAA), Рино, Невада, 9–12 января 2006 г. - также:
  • Р. Грюгель и Хуссам Тутанджи (2006). «Жизнеспособность серного бетона на Луне: экологические соображения». Журнал достижений в области космических исследований .
• ЕС Этридж; Д.С. Такер и Хуссам Тутанджи (2006). «Производство стекловолокна для армирования лунного бетона». 44-я конференция Американского института аэронавтики и астронавтики (AIAA), Рино, Невада, 9–12 января 2006 г. дои : 10.2514/6.2006-523 .
• Ричард Н. Грюгела и Хусам Тутанджи (2008). «Серный «бетон» для лунных применений — вопросы сублимации» . Достижения в космических исследованиях . 41 (1): 103–112. Бибкод : 2008AdSpR..41..103G . дои : 10.1016/j.asr.2007.08.018 .

Внешние ссылки

• https://marspedia.org/Sintered_regolith
• https://lunarpedia.org/w/Sintered_Regolith