Майбутні колоністи Місяця зіткнуться з непростим завданням. Їм потрібно буде навчитися зводити споруди на місячній поверхні з реголіту. Адже із Землі “цеглу і дошки” доставляти не будуть через дорожнечу перевезень. Дослідники давно довели, що реголіт можна перетворити на необхідний будівельний матеріал. Сьогодні існує приблизно 20 методів створення будівельних компонентів із реголіту. Група вчених із Китаю з’ясувала, який із них найефективніший.
Усі доступні на сьогодні способи отримання будівельних матеріалів з реголіту можна розділити на чотири групи: метод реакційного затвердіння, метод спікання/плавлення, метод зв’язуючого затвердіння, метод утримання / © Charun Bao
Колонізація Місяця неможлива без укриттів і тимчасових жител, необхідних для захисту поселенців від радіації, низьких (до мінус 170 градусів вночі) і високих (до плюс 130 градусів вдень) температур. На відміну від Землі, її супутник позбавлений щільної атмосфери і магнітного поля, які служать щитом для нашої планети.
Щоб на Місяці звести будинки та інші споруди, потрібні будівельні компоненти, які із Землі завозити складно і дорого. Тому вчені запропонували будувати місячні бази з місцевого матеріалу – реголіту, якого там в достатку.
Місячний реголіт віддалено нагадує земний пісок: він складається з уламків місячних порід і мінералів розміром від кількох мікрометрів до кількох міліметрів у діаметрі, скла, фрагментів метеоритів. Реголіт утворився через кілька факторів: різкі перепади температури, вивітрювання, виверження, метеоритне бомбардування. Метеорити врізалися в місячну поверхню протягом мільярдів років і розбивали мінеральні породи на найдрібніші частинки або зернятка.
До хімічного складу реголіту в основному входять оксид кремнію (SiO), оксид заліза (FeO), оксид алюмінію (Al2O3) і деякі інші речовини. Вважається, що він йде вглиб поверхні на 5-10 метрів (крім деяких базальтових рівнин, де його товщина нижча).
Дослідники давно довели, що реголіт можна застосовувати як будівельний матеріал для зведення великомасштабних споруд. Для виробництва “цегли і дощок” з реголіту вчені розробили близько 20 методів, які мають свої особливості та недоліки. У всіх цих методах використовують різні джерела енергії та добавки, різні умови, в яких відбуваються “приготування”, а також різну тривалість. Але у них спільна мета – домогтися затвердіння реголіту, тобто на виході отримати міцний і твердий матеріал.
Команда китайських інженерів під керівництвом Пенг Фенга (Peng Feng) з Університету Цінхуа вивчила всі доступні на сьогодні способи отримання будівельних матеріалів з реголіту, описала їхні мінуси та плюси, а також виявила найефективніші з них. Результати роботи опубліковано в журналі Engineering.
Залежно від технічних особливостей кожного методу, хімічних процесів, що беруть участь в отриманні готового продукту, Фенг і його колеги розділили всі наявні методи на чотири категорії:
– Метод реакційного затвердіння (reaction solidification). Процес чимось нагадує отримання бетону. Частинки реголіту з’єднуються одна з одною за допомогою реакції з добавками – іншими хімічними сполуками. Ці сполуки потрібно буде доставити на Місяць. У результаті такого процесу утворюється твердий матеріал, у якому реголіт становить 60-95 відсотків від загальної суміші.
Затверділі зразки матеріалу, зроблені з аналога реголіту. Використовувався метод плавлення. (a) плавлення реголіту за допомогою концентрованого сонячного випромінювання; (b) лазерне плавлення; (c) кам’яне лиття / © Charun Bao
– Метод спікання/плавлення (sintering/melting). Передбачає плавлення реголіту під впливом високих температур. Цей спосіб дає змогу отримати твердий матеріал, що складається повністю з реголіту. Однак для його отримання знадобиться температура понад 1000 градусів Цельсія, що саме по собі може створити труднощі і проблеми з енергопостачанням та експлуатацією обладнання на поверхні Місяця.
– Метод сполучного затвердіння (bonding solidification). Процес передбачає використання сполучної речовини для “склеювання” частинок реголіту. Як і в першому випадку (реакційне затвердіння), на виході виходить продукт, що містить від 65 до 95 відсотків реголіту. Такий метод вимагає нижчих температур, ніж плавлення, що робить його безпечнішим.
Крім того, виробництво реголіту цим способом займає набагато менше часу, ніж при реакційному затвердінні.
– Метод утримання (confinement). Використовується спеціальна тканина для “утримання” частинок реголіту, яка їх “скріплює”, при цьому будь-які додаткові хімічні зв’язки між частинками не утворюються, на відміну від інших методів. У результаті з’являється “реголітовий мішок”, який на 99 відсотків складається з реголіту. Цей метод вимагає відносно низьких температур і часу, а сформовані компоненти мають переваги при розтягуванні. Однак такий матеріал може бути недостатньо міцним.
Отримання будівельного матеріалу з аналога реголіту методом спікання (плавлення) / © Charun Bao
Фенг і його колеги розробили кількісний метод оцінки 8IMEM, що ґрунтується на восьми показниках і системі балів, щоб зрозуміти, який із чотирьох способів отримання реголіту найефективніший. Дослідники враховували вартість кожного способу, продуктивність, безпеку, енергоспоживання і потребу в ресурсах.
Метод ізоляції (“реголітовий мішок”) отримав найбільшу кількість балів за системою команди Фенга. Тобто, на думку фахівців, з усіх чотирьох способів він виявився найкращим – не лише найефективнішим, але й безпечнішим та економічно вигіднішим. Ця технологія потребує меншої кількості матеріалів, обладнання та енергії, а також дає змогу отримати досить великі будівельні компоненти, необхідні для зведення приміщень на Місяці.
На думку вчених, результати їхнього дослідження допоможуть у майбутньому підібрати правильний метод будівництва місячних баз і стануть практичним посібником для перших колоністів.