Ученые из Института наукоемких технологий и передовых материалов Дальневосточного федерального университета (ИТПМ ДВФУ) разработали технологию производства строительных материалов для защиты лунных баз от воздействия космической радиации. Разработанный метод основан на спекании лунного реголита со сложными соединениями бора и отличается простотой и высокой эффективностью. В настоящее время инновационная технология проходит испытания на прочность на научном реакторе, расположенном в Томске.
Космонавтов, отправляющихся в длительные миссии на Луну, ожидает ряд проблем, среди которых космическая радиация представляет опасность как для людей, так и для аппаратуры. Нейтроны, элементарные частицы, образующиеся при взаимодействии космических лучей с лунным грунтом, создают особую угрозу для будущих поселенцев на спутнике Земли.
Ученые с Дальнего Востока предложили решение сложной задачи. Для возведения лунных баз они предлагают использовать лунный реголит, дополненный соединениями бора — веществами, которые эффективно поглощают нейтронное излучение и обладают рядом других полезных качеств.
«Для укрепления реголита предполагается применение высокоплотных соединений бора, таких как карбиды (B 4C), нитриды (BN) и гексаборид лантана (LaB6), отобранные благодаря исключительной радиационной стойкости, термической стабильности и отсутствию вторичного облучения 4C эффективно поглощает нейтроны и отличается высокой твердостью. BN характеризуется химической инертностью и теплоизоляционными свойствами, а LaB 6 устойчив к термическому разрушению, что делает эти материалы идеальными для защиты лунных конструкций от космического излучения и микрометеоритов», — сообщил корреспонденту «Научной России» ведущий автор исследования, кандидат химических наук и сотрудник лаборатории ядерных технологий ИТПМ ДВФУ Олег Олегович Шичалин.
С помощью искрового плазменного спекания (англ. SPS) возможно получение материалов с улучшенными свойствами. Spark plasma sintering, SPS) благодаря перечисленным компонентам возможно получение керамических материалов, которые способны уменьшить воздействие радиации во внутренних помещениях космических колоний.
«Метод искрового плазменного спекания представляет собой уникальную технологию, которую можно назвать «мгновенной печью будущего» для производства материалов с исключительной прочностью. Можно представить, что порошок лунного грунта (реголит) и добавки, такие как карбид бора, помещаются в форму, после чего через эту смесь пропускаются мощные, короткие импульсы электрического тока под давлением, — объяснил О.О. Шичалин. — Образующиеся электрические разряды вызывают микромолнии между частицами, которые за короткое время нагревают материал до температуры 1000–2000°C, обеспечивая его соединение на атомном уровне. Параллельно с этим пресс, оказывая сильное давление, сжимает смесь, предотвращая её рассыпание. В конечном итоге, вместо рыхлого порошка формируется плотный материал с минимальным количеством дефектов – керамика или металлокерамика, готовая к использованию в лунных строительных проектах».
О.О. Шичалин назвал три важных преимущества новой технологии: быстроту (спекание за 5–15 минут против нескольких часов в обычной печи), экономию энергии (электричество уходит на нагревание материала, а не всей печи) и качество (в отличие от традиционного обжига, метод позволяет изготавливать керамику без пор и трещин).
«Россия располагает всеми необходимыми технологиями для осуществления лунных строительных проектов, — подчеркнул О.О. Шичалин. — Во-первых, в нашей стране разрабатываются ракеты нужной грузоподъемности —например, “Ангара-А5В” (для доставки до 37 тонн полезной нагрузки на низкую околоземную орбиту (НОО)) или “Енисей” (с грузоподъемностью около 100 тонн на НОО). Они позволят транспортировать на Луну оборудование для искрового плазменного спекания и другие строительные модули. Во-вторых, Россия располагает технологиями компактных атомных энергоустановок (таких как термоэмиссионная энергетическая установка “Топаз”) — это идеальный источник энергии для SPS-установки на лунной базе».
Применение лунных ресурсов при строительстве сооружений позволит сократить расходы на транспортировку материалов с Земли. Также, возможность изготовления строительных материалов непосредственно на Луне увеличит безопасность при длительном пребывании и работе на её поверхности.
В настоящее время новые материалы тестируются на прочность на исследовательском реакторе ИРТ-1 в Томске. Здесь воссоздаются условия, имитирующие лунные. Установка позволяет моделировать воздействие солнечной и галактической радиации на керамические материалы.
«Ранее планирование космических миссий осуществлялось в периоды слабой солнечной активности, характеризующейся меньшей интенсивностью космического излучения. Это подчеркивает важность создания более совершенных технологий радиационной защиты для перспективных длительных экспедиций, например, полетов к Марсу или другим планетам. Особенно это актуально при высокой солнечной активности или за пределами зоны защиты магнитосферы Земли. Проводимые эксперименты позволяют оценить эффективность различных способов защиты космонавтов в условиях, максимально приближенных к реальным межпланетным перелетам», — сказал О.О. Шичалин.
Исследования позволят установить оптимальную концентрацию бора, обеспечивающую наилучший компромисс между защитой от излучения и прочностью конструкций. Также испытания помогут выявить, насколько новые материалы устойчивы к значительным перепадам температур, варьирующимся от -250°C до +250°C).
«Благодаря своим выдающимся физико-механическим характеристикам, керамический материал, созданный из лунного реголита с добавлением бора, представляет собой одно из наиболее перспективных решений для возведения долгосрочных лунных баз. Тем не менее, под воздействием космической радиации, микрометеоритной бомбардировки и экстремальных температурных колебаний даже этот прочный материал будет постепенно разрушаться, — пояснил О.О. Шичалин. — Для изучения этих процессов и поиска действенных решений на исследовательском реакторе в Томске организованы масштабные и продолжительные эксперименты, моделирующие воздействие космического излучения на различные композитные материалы, в том числе керамику на основе реголита. Эти исследования имеют ключевое значение, однако требуют существенных временных затрат, поскольку необходимо не только воссоздать условия космического воздействия, но и проанализировать долгосрочные изменения свойств материалов, разработать эффективные методы защиты (например, оптимизировать состав, использовать легирование или наносить специальные покрытия) и создать системы контроля состояния конструкций. Накопленные данные позволят разработать действительно надежные материалы, способные сохранять свои характеристики в течение десятилетий эксплуатации в суровых лунных условиях, хотя некоторое постепенное изменение свойств под воздействием космических факторов все равно предвидится».
Для оценки перспективности новой технологии производства строительных материалов потребуется ее тестирование в лунных условиях.
Учитывая ограниченность доступа к подлинному лунному грунту, для проведения экспериментов исследователи используют не только образцы реголита, но и вулканические породы Камчатки и Приморского края, обладающие схожим химическим и минеральным составом.
«Проблемы, возникающие в процессе реализации, характерны для новаторских научных разработок подобного масштаба, — отметил О.О. Шичалин. — Основные трудности обусловлены ограниченными возможностями получения лунного реголита (поэтому приходится использовать его заменители или небольшие порции), необходимостью взаимодействия с внешними структурами, например, с томским реактором ИРТ-1 (что влечет за собой дополнительные согласования), и недостаточным финансированием — работа выполняется в дополнение к основной деятельности, а гранты покрывают лишь часть расходов. Тем не менее, эти препятствия постепенно устраняются благодаря сетевому взаимодействию (объединению ресурсов нескольких университетов), поиску альтернативных подходов (например, моделированию реголита) и систематическому накоплению данных, которые уже сейчас вызывают интерес у крупных компаний. Важно, что даже в сложившихся обстоятельствах удается продвигаться вперед и подтверждать ключевые предположения. В перспективе это позволит вывести проект на качественно новый уровень при поддержке государственных или корпоративных инициатив».
Наряду с текущим исследованием, Дальневосточный федеральный университет реализует и другие проекты, направленные на изучение спутника Земли. Так, ранее ученые определили важное условие повышения прочности стройматериалов, получаемых из лунного реголита путем искрового плазменного спекания, — высокую скорость нагрева при обработке.
«Это исследование, инициированное в рамках небольших грантовых программ университета, при этом гармонично дополняет масштабные разработки в области лунной инфраструктуры, — поделился О.О. Шичалин. — Несмотря на то, что текущие эксперименты ограничены бюджетом, их результаты создают важную научную базу, позволяющую проверить основные гипотезы о радиационной стойкости материалов без проведения дорогостоящих космических испытаний. По сути, это детальная проработка отдельных технологических элементов, таких как состав керамики или режимы спекания, которую в дальнейшем можно будет расширить в рамках масштабных федеральных программ по освоению Луны после привлечения необходимых ресурсов. Таким образом, даже скромное по финансированию университетское исследование играет стратегически важную роль, уменьшая риски для последующих этапов проекта».
Материал создан при содействии Министерства науки и высшего образования Российской Федерации
Фото на превью: предоставлено пресс-службой ДВФУ
Фото на странице: предоставлены пресс-службой ДВФУ, Олег Шичалин / предоставлены пресс-службой ДВФУ.