Перспективы освоения Луны связаны с серьезными вызовами. Колонизаторам придется осваивать технологии строительства на лунной поверхности с использованием местного реголита. Транспортировка строительных материалов с Земли нецелесообразна из-за высоких затрат. Ранее проведенные исследования подтвердили возможность использования реголита для производства строительных материалов. В настоящее время разработано около 20 способов создания строительных компонентов на основе лунного грунта. Китайские ученые провели исследование для определения наиболее эффективного из них.
Для освоения Луны критически важны защитные сооружения и временные жилища, обеспечивающие безопасность поселенцев от радиации, а также от экстремальных перепадов температур – от минус 170 градусов ночью до плюс 130 градусов днем. Луна, в отличие от Земли, не имеет плотной атмосферы и магнитного поля, выполняющих роль защиты для нашей планеты.
Для строительства домов и других сооружений на Луне требуются строительные материалы, транспортировка которых с Земли сопряжена с большими затратами и сложностями. В связи с этим ученые предложили строить лунные базы из местного материала — реголита, которого там в достатке.
Лунный реголит внешне похож на земной песок, поскольку он состоит из обломков лунных пород и минералов, а также из стекол и фрагментов метеоритов, размер которых варьируется от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. Формирование реголита обусловлено рядом факторов, включая значительные колебания температуры, выветривание, вулканическую активность и метеоритную бомбардировку. В течение миллиардов лет метеориты сталкивались с лунной поверхностью, разрушая минеральные породы на мелкие частицы и зерна.
Реголит состоит преимущественно из оксида кремния (SiO), оксида железа (FeO), оксида алюминия (Al2O3) и других соединений. Предполагается, что его слой простирается на глубину от 5 до 10 метров, за исключением базальтовых равнин, где он тоньше).
Уже давно установлено, что реголит может использоваться в качестве строительного материала для создания крупных сооружений. Специалисты разработали около 20 способов производства «кирпичей и досок» из реголита, каждый из которых обладает своими отличительными чертами и ограничениями. Эти методы предполагают использование различных источников энергии и добавок, а также варьируются по условиям проведения процесса и его продолжительности. Однако, все они направлены на то, чтобы обеспечить затвердевание реголита и получить прочный, твердый материал.
Китайские инженеры во главе с Пенг Фенгом (Peng Feng) из Университета Цинхуа провели анализ существующих методов производства строительных материалов из реголита, оценив их преимущества и недостатки. В ходе исследования были определены наиболее перспективные технологии опубликованы в журнале Engineering.
В соответствии с техническими характеристиками каждого метода и химическими процессами, необходимыми для производства конечного продукта, Фенг и его соавторы классифицировали все доступные методы на четыре группы:
— Метод реакционного затвердевания (reaction solidification) основан на процессе, схожем с получением бетона. Для соединения частиц реголита между собой используется реакция с добавками — другими химическими соединениями, которые необходимо будет доставить на Луну. В результате этой технологии формируется твердый материал, в составе которого реголит занимает от 60 до 95 процентов от общего объема.
— Метод спекания или плавления основан на нагревании реголита до высоких температур. Данный способ позволяет создавать твердый материал, состоящий исключительно из лунного грунта. Однако для его реализации необходима температура, превышающая 1000 градусов Цельсия, что может создать сложности в части энергообеспечения и эксплуатации оборудования на лунной поверхности.
— Метод связующего затвердевания (bonding solidification) заключается в использовании связующего вещества для объединения частиц реголита. Получаемый продукт, подобно методу реакционного затвердевания, содержит от 65 до 95 процентов реголита. Этот метод требует более низкие температуры по сравнению с плавлением, что обеспечивает большую безопасность.
Использование данной методики позволяет значительно сократить время изготовления реголита по сравнению с реактивным упрочнением.
— Метод удержания предполагает использование специальной ткани для фиксации частиц реголита, которая их объединяет. При этом не формируются химические связи между частицами, что отличает этот подход от других. В результате создается структура, напоминающая «реголитовый мешок», состоящую на 99 процентов из реголита. Данный метод отличается относительно низкими температурными требованиями и коротким временем обработки, а полученные компоненты характеризуются повышенной прочностью на растяжение. Однако, прочность конечного материала может быть недостаточной.
Фенг и его соавторы создали количественную методику оценки 8IMEM, используя восемь параметров и систему начисления баллов. Это позволило им определить, какой из четырех методов добычи реголита является наиболее эффективным. При анализе исследователи принимали во внимание стоимость, производительность, безопасность, энергопотребление и затраты ресурсов, связанные с каждым методом.
Метод изоляции («реголитовый мешок») получил наибольшее количество баллов по системе команды Фенга. То есть, по мнению специалистов, из всех четырех способов он оказался самым лучшим — не только наиболее эффективным, но более безопасным и экономически выгодным. Эта технология требует меньшего количества материалов, оборудования и энергии, а также позволяет получить достаточно крупные строительные компоненты, необходимые для возведения помещений на Луне.
Ученые полагают, что их исследование в будущем позволит определить оптимальные методы возведения лунных баз и послужит руководством к действию для первых поселенцев.