Лунаркрит
| 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 . [3] AstroCrete — более общая концепция, применимая и к Марсу.
Ингредиенты
[ редактировать ]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 . [3] 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). [4] [5] Однако некоторые мелкомасштабные испытания с реальным реголитом были проведены в лабораториях. [2]
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 . [2]
Лин и др. использовали 40 г образцов лунного реголита, полученных Аполлоном-16, для производства лунаркрита в 1986 году. [6] 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. [7]
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). [8]
Литье и производство
[ редактировать ]Прежде чем станет возможным промышленное производство лунокрита, потребуется наличие значительной инфраструктуры. [2]
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. [2] [9]
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. [2] 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). [9]
«Безводный бетон» на основе серы.
[ редактировать ]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. [10] [11]
Сера присутствует на Луне в виде минерала троилита (FeS). [12] 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. [13] Добавление кремнезема также увеличивает прочность бетона. [14]
Этот серобетон может иметь особую ценность для минимизации пыли, например, для создания стартовой площадки для ракет, покидающих Луну. [12]
АстроКрит
[ редактировать ]
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. [15] [16] [17]
Как отмечают авторы: [16]
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 . [16]
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». [16]
Исследователи подсчитали, что экипаж из шести астронавтов сможет произвести более 500 кг AstroCrete за двухлетнюю миссию на поверхности Марса. [15] Каждый астронавт «мог бы создать достаточно дополнительного места для обитания другого астронавта, что потенциально позволит обеспечить устойчивое расширение ранней марсианской колонии». [17]
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. [18]
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»
[ редактировать ]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. [12] (см. Аллотропы серы ). [14]
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
[ редактировать ]Дэвид Беннетт из Британской цементной ассоциации утверждает, что лунный бетон имеет следующие преимущества в качестве строительного материала для лунных баз: [9]
- Производство лунного бетона потребует меньше энергии, чем лунное производство стали , алюминия или кирпича . [9]
- На него не влияют колебания температуры от +120 °C до −150 °C. [9]
- Он будет поглощать гамма-лучи . [9]
- На целостность материала не влияет длительное воздействие вакуума. Хотя свободная вода испаряется из материала, вода, химически связанная в результате процесса отверждения, не испаряется. [9]
Однако он отмечает, что лунокрит не является воздухонепроницаемым материалом, и чтобы сделать его воздухонепроницаемым, потребуется нанесение эпоксидного покрытия на внутреннюю часть любой лунобетонной конструкции. [9]
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 . [9]
См. также
[ редактировать ]- Использование ресурсов на месте - использование в космонавтике материалов, добытых в космическом пространстве.
- Лунные ресурсы
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Дж. А. Хаппель (1993). «Коренные материалы для лунного строительства». Обзоры прикладной механики . 46 (6). Американское общество инженеров-механиков : 313–325. Бибкод : 1993ApMRv..46..313H . дои : 10.1115/1.3120360 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и ж Ф. Рюсс; Дж. Шенцлин и Х. Бенароя (июль 2006 г.). «Структурный проект лунной среды обитания» (PDF) . Журнал аэрокосмической техники . 19 (3). Американское общество инженеров-строителей : 138. doi : 10.1061/(ASCE)0893-1321(2006)19:3(133) .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б «Инженеры UND хотели бы пойти по луннобетонной дороге». Гранд Форкс Геральд . Северная Дакота. 28 февраля 1988 г.
- ^ Лонг-Фокс, Джаред; Лукас, Майкл П.; Ландсман, Зоя; Миллуотер, Кэтрин; Бритт, Дэниел; Нил, Клайв (апрель 2022 г.). Применимость симуляторов в развитии лунных систем и инфраструктуры: геотехнические измерения лунного нагорья. Симулятор LHS-1 . ASCE Земля и космос 2022. Денвер, Колорадо, с. 11. дои : 10.1061/9780784484470.007 .
- ^ Х. Тутандзи; Г-н Фиске и член парламента Бодифорд (2006 г.). «Разработка и применение лунного «бетона» для среды обитания». В Рамеше Б. Малле; Веслав К. Биниенда и Аруп К. Маджи (ред.). Материалы 10-й двухгодичной международной конференции по проектированию, строительству и эксплуатации в сложных условиях (Земля и космос, 2006 г.) и 2-го семинара НАСА/ARO/ASCE по гранулированным материалам в исследованиях Луны и Марса, состоявшихся в Лиг-Сити/Хьюстоне, Техас, 5 марта. –8, 2006 . Рестон, Вирджиния: Американское общество инженеров-строителей . стр. 1–8. дои : 10.1061/40830(188)69 . ISBN 0784408300 .
- ^ Франсуа Спьеро и Дэвид К. Дюнан (1997). «Моделирование эксплуатации марсианских материалов и ресурсов на исследовательском центре переменной гравитации». В Томасе Р. Мейере (ред.). Дело о Марсе IV: международное исследование Марса - рассмотрение вопроса об отправке людей: материалы четвертой конференции «Дело о Марсе», состоявшейся 4–8 июня 1990 г. в Университете Колорадо, Боулдер, Колорадо . Том. 90. Univelt для Американского астронавтического общества . п. 356. ИСБН 9780877034216 .
- ^ Джордж Уильям Герберт (17 ноября 1992 г.). Норман Ярвин (ред.). «Лунабетон» . Архивы: Космос: наука, исследования .
- ^ Колин Баррас (17 октября 2008 г.). «Астронавты могли бы смешать самодельный бетон и получить дешевую лунную базу» . Новый учёный .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и ж г час я ДФХ Беннетт (2002). «Бетон: материал — Лунный бетон». Инновации в бетоне . Книги Томаса Телфорда. стр. 86–88. ISBN 0-7277-2005-8 .
- ^ Производительность «Безводного бетона» Хусам А. ТутанджиСтив ЭвансРичард Н. Грюгель
- ^ ПРОИЗВОДСТВО ЛУННОГО БЕТОНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАСПЛАВЛЕННОЙ СЕРЫ , Заключительный отчет об исследованиях для JoVe, грант НАСА NAG8-278, доктор Хусам А. Омар, факультет гражданского строительства Университета Южной Алабамы
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с 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.
- ^ ПРОИЗВОДСТВО ЛУННОГО БЕТОНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАСПЛАВЛЕННОЙ СЕРЫ. Итоговый отчет об исследованиях для JoVe, грант НАСА NAG8 - 278.кДоктор Хусам А. Омар
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б 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 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б «Доступное жилье в космосе: ученые разрабатывают космический бетон из космической пыли и крови космонавтов» . Манчестерский университет . Проверено 25 октября 2021 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д Робертс, AD; Уиттолл, ДР; Брейтлинг, Р.; Такано, Э.; Блейкер, Джей-Джей; Хэй, С.; Скраттон, Северная Каролина (сентябрь 2021 г.). «Кровь, пот и слезы: биокомпозиты внеземного реголита со связующими веществами in vivo» . Материалы сегодня Био . 12 : 100136. doi : 10.1016/j.mtbio.2021.100136 . ПМЦ 8463914 . ПМИД 34604732 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Блейкмор, Эрин (18 сентября 2021 г.). «Жидкости тела астронавтов могут помочь в строительстве убежищ бетонного типа на других планетах» . Вашингтон Пост . Проверено 25 октября 2021 г.
- ^ Робертс, AD, 2023. Строительство на Марсе с использованием человеческой крови и мочи. Физика сегодня, 76 (3), стр. 62–63.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- 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
[ редактировать ]| История | |
|---|---|
| Состав | |
| Производство | |
| Строительство | |
| Наука | |
| Типы | |
| Приложения | |
| Организации | |
| Стандарты | |
| См. также | |
