Некоторые лунные реголиты лучше подходят для жизни
До середины 2030-х годов многие космические агентства надеются отправить пилотируемые миссии на Луну. Все эти планы предусматривают создание баз вокруг южного полярного региона Луны, включая базовый лагерь Артемиды и Международную лунную исследовательскую станцию (ILRS). Эти объекты позволят реализовать «устойчивую программу исследования и освоения Луны», согласно заявлению миссии НАСА «Программа Артемида». Во всех случаях планы строительства объектов на поверхности требуют процесса, известного как использование ресурсов на месте (ISRU), при котором местные ресурсы используются в качестве строительных материалов. Это представляет собой некоторую проблему, поскольку не весь лунный грунт (реголит) хорошо подходит для строительства. Как и в случае с инженерными и строительными проектами здесь, на Земле, строителям необходимо знать, на каком типе почвы они строят и можно ли ее использовать для изготовления бетона.
В своем исследовании геолог Кевин М. Кэннон предложил схему классификации лунного грунта для использования космических ресурсов. Это может иметь серьезные последствия для будущих миссий на Луну, где это поможет строить базы, среды обитания и другие объекты в зависимости от типа почвы и местоположения. Доктор Кэннон — доцент кафедры геологии и геологической инженерии и программы космических ресурсов Колорадской горной школы, инженерного университета в Голдене, штат Колорадо. Его исследования сосредоточены на роли геологических процессов в формировании и эволюции планетарных материалов на поверхностях различных тел Солнечной системы. Статья, описывающая предложенную им схему «Система классификации лунного грунта для использования космических ресурсов», появилась в журнале Planetary and Space Science.
Для космических агентств ISRU сводится к добыче местных ресурсов для создания строительных материалов и обеспечения основных потребностей экипажей (вода, воздух, топливо и т. д.). Это уменьшает количество готовых компонентов или материалов, которые необходимо запустить в космос, что значительно снижает затраты в этом процессе. В течение многих лет НАСА, ЕКА и другие космические агентства исследовали, как лунный реголит можно использовать в качестве сырья для 3D-принтеров. В сочетании со связующим веществом или спекании для получения расплавленной керамики этот реголит затем можно было «печатать» на надувных модулях для создания различных объектов. Благодаря анализу почвы и миссиям по возврату образцов, проведенным роботизированными миссиями и астронавтами Аполлона, ученые многое узнали о составе почвы на Луне. В частности, они узнали, что (как и почвы здесь, на Земле) состав варьируется от одного места к другому.
«В любом строительном проекте на Земле вы хотели бы знать, на каком грунте вы строите», — объяснил Кэннон по электронной почте. «То же самое почти наверняка будет верно и на Луне, и это помогает иметь последовательную схему, позволяющую одному человеку описать почву другому». Здесь, на Земле, схемы классификации почв используются для всего: от строительства и гражданского строительства до науки об окружающей среде. Типы почвы также могут влиять на вопросы содержания, например, насколько глубина фундамента необходима в зависимости от того, что строится, или какой уклон должен быть на насыпи шоссе. Однако эти схемы не применимы к лунной среде: «Классификация почв на Земле в значительной степени основана на том, насколько «пластична» почва из-за глины и воды, и часто вы получаете сортировку, которая происходит там, где, например, почва состоит в основном из крупного гравия или в основном из мелкого ила. На Луне нет глин. , почвы совершенно сухие, и почти везде имеется равномерная смесь частиц разного размера. Так что системы, которые мы используем на Земле, на самом деле просто не переносятся».
Кроме того, существуют и механизмы формирования, существенно отличающиеся на Луне. В то время как почва на Земле возникает в результате «выветривания» (эрозии) водой и ветром, лунный реголит был создан в результате сочетания вулканической активности и долгой истории ударов астероидов, метеороидов и микрометеороидов. В результате лунная поверхность покрыта толстым слоем обломков горных пород, стеклянных шариков (ударных и вулканических), алюминийсодержащих минералов (плагиоклаза) и агглютината — типа пирокластической магматической породы, образовавшейся из частично расплавившихся вулканических бомб, обнаруженных только на Луне. Для разработки своей схемы классификации Кэннон использовал данные образцов почвы с Аполлона и разработал концептуальные карты для всей Луны. Чтобы определить, какие типы почв хорошо подходят для строительных целей, его схема учитывала две ключевые характеристики лунного реголита: объемное содержание железа и размер зерен.
По составу лунный реголит состоит из (в порядке массовой доли) элементарного кислорода, кремния, железа, кальция, алюминия, магния и других микроэлементов. Кроме того, размеры зерен обычно находятся в диапазоне 40–800 микрометров (от 0,04 до 0,8 мм), причем большинство из них находится в диапазоне 45–100 микрометров. Полученная схема классификации проста, элегантна и может быть применена в любой точке Луны. «Лунная система должна быть простой и предполагает измерение химического состава почвы и среднего размера частиц. Эти два показателя дают вам для начала девять различных классов почвы», — сказал Кэннон. «Затем систему можно расширить с помощью «тегов», которые добавляют дополнительную информацию. Лунные грунты можно классифицировать, например, с помощью измерений на земле марсоходами или астронавтами или же с помощью спутниковых данных с орбиты».
К счастью, эта классификационная схема имеет применение, выходящее за рамки построения баз. Идентификация почв по их составу — отличный способ найти ресурсы, необходимые для конкретных задач. Сюда входят почвы, богатые водяным льдом, который можно использовать для чего угодно: от питьевой воды и орошения до газообразного кислорода и топлива — жидкого водорода и кислорода (LH2 и LOX). Он также включает в себя другие минеральные элементы, необходимые для производства инфраструктуры, транспортных средств и различных компонентов. Как резюмировал Кэннон: «Это имеет значение для всех видов вещей, которые мы делаем с почвами, например, для извлечения из них металлов и кислорода, но конкретно для строительства, мы на самом деле думаем, что многие конструкции в конечном итоге будут сделаны из самой почвы с помощью 3D-печати. Некоторые почвы типы будут плавиться при более низких температурах и иметь более равномерное распределение размеров зерен, что в этом случае обеспечит лучшее сырье. Или, для любого типа конструкции, степень сжимаемости почвы будет меняться от одного класса почвы к другому».
