|
Как создать строительные блоки для лунной базы
|
|
|
|
К 2028 году НАСА намерено высадить "первую женщину и первого цветного человека" на Луну в рамках миссии "Артемида III". Это будет первый раз, когда люди побывают на поверхности Луны с тех пор, как астронавты "Аполлона" в последний раз побывали там в 1972 году.
|
|
|
|
Вместе с международными и коммерческими партнерами НАСА надеется, что Artemis обеспечит "устойчивую программу исследования и освоения Луны", которая может включать в себя долгосрочные объекты и места обитания на Луне. Учитывая затраты на запуск тяжелых полезных грузов, отправка всего необходимого оборудования и материалов на Луну нецелесообразна.
|
|
|
|
Это означает, что конструкции на Луне должны изготавливаться с использованием местных ресурсов, процесс, известный как in-situ resources (ISRU). На Луне этот процесс использует достижения в области аддитивного производства (AM), или 3D-печати, для превращения лунного реголита в строительные материалы. К сожалению, технические проблемы означают, что большинство методов 3D-печати неосуществимы на поверхности Луны.
|
|
|
|
В недавнем исследовании, опубликованном на сервере препринтов arXiv, группа исследователей под руководством Университета Арканзаса предложила альтернативный метод, при котором для изготовления лунных кирпичей используется спекание на основе света, а не печать целых конструкций.
|
|
|
|
|
|
|
Исследовательскую группу возглавляет Ван Шоу, доцент кафедры машиностроения Университета Арканзаса. К нему присоединяются Коул Маккаллум, Ювен Лян и Нахид Тушар, почетный сотрудник колледжа, ассистент-исследователь и докторант инженерного колледжа университета. В состав команды также входили исследователи с факультета механики и аэрокосмической инженерии Хьюстонского университета и факультета инженерных и естественных наук Университета Тампере.
|
|
|
|
Как они отмечают в своей статье, создание постоянной (или полупостоянной) базы на Луне было предметом научных исследований и предложений со времен "Аполлона". Эти планы всегда были омрачены тем простым фактом, что для доставки необходимого оборудования и строительных материалов потребовалось бы много тяжелых ракет-носителей, что потребовало бы больших затрат. Хотя стоимость отправки полезных грузов за последнее десятилетие значительно снизилась, во многом благодаря разработке коммерческим космическим сектором ракет многоразового использования, стоимость запуска всего необходимого астронавтам для строительства лунного объекта по-прежнему непомерно высока.
|
|
|
|
В результате для создания баз на Луне будет достаточно только ISRU. К сожалению, большинство предлагаемых методов 3D-печати конструкций непрактичны в лунных условиях, где гравитация значительно ниже (на 16,5% по сравнению с Земной), а температуры экстремальны. В районе Южного полюса Луны - бассейна Эйткен, где НАСА и другие космические агентства планируют построить свои базы, температура колеблется от 54°C (130°F) на солнечном свету до -246°C (-410°F) в затененных областях. Это связано с тем, что для запуска большинства методов AM на Луну требуются дополнительные материалы, в том числе растворители, полимеры или другие связующие вещества.
|
|
|
|
В качестве примера можно привести работу Европейского космического агентства (ЕКА) с архитектурной фирмой Foster + Partners по созданию концепции лунной базы, напечатанной на 3D-принтере.
|
|
|
|
Как проф. Су объяснил: "Существует множество методов AM, которые требуют использования растворителя для приготовления пасты или композитов для экструзии или печати; эти подходы неосуществимы, поскольку транспортировка растворителей может быть очень дорогостоящей, а испарение растворителей может вызвать множество потенциальных проблем. В некоторых методах для реализации AM используются связующие вещества или полимеры; у них схожие проблемы — доставка дополнительных материалов, обработка отходов. Кроме того, для работы этих машин (например, принтеров) требуется энергоснабжение."
|
|
|
|
Технология спекания также изучалась как потенциальный метод 3D-печати конструкций на Луне. Она заключается в обработке реголита лазерами, микроволнами или другими источниками энергии для превращения его в расплавленную керамику. Затем эта керамика печатается слой за слоем, охлаждается и затвердевает под воздействием воздуха или вакуума лунной среды. Этот метод является энергоемким и, вероятно, потребует использования ядерного источника энергии, такого как реактор мощностью в киловатт.
|
|
|
|
"Из-за этого наша команда представляет себе систему, в которой для самих конструкций требуется только лунный материал, что устраняет проблемы при доставке материалов с Земли", - добавил Коул, который был первым автором статьи, описывающей их результаты.
|
|
|
|
Метод, который они протестировали и рекомендуют, известен как световое спекание, при котором солнечный свет концентрируется с помощью оптических приборов для бомбардировки и расплавления лунного реголита в сырье. Исследователи протестировали эту технологию на Земле, используя имитатор лунного реголита для производства стекла и зеркал. На Луне солнечная энергия присутствует постоянно и в изобилии в освещенных солнцем регионах, что делает ее гораздо более надежной, чем источник питания, который необходимо транспортировать. Простота системы делает ее весьма востребованной в сложных условиях, где ремонт в случае поломки будет затруднен.
|
|
|
|
Однако эксперименты показали, что технология по-прежнему сталкивается с проблемами при использовании для создания целых конструкций. С этой целью команда Sou сосредоточилась на производстве строительных компонентов.
|
|
|
|
Коул сказал: "Хотя большинство исследований на эту тему по-прежнему основаны на смеси связующего вещества и лунного грунта, содержание кремнезема в реголите таково, что при достаточно высоких температурах он может связываться сам с собой при спекании. При попытке проделать это с более крупными конструкциями мы обнаружили, что в создаваемых нами деталях было меньше однородности и, следовательно, меньшей точности.
|
|
|
|
"Исходя из этого, мы пришли к выводу, что наилучшим вариантом использования нашего метода было бы сосредоточиться на изготовлении большого количества взаимосвязанных и реконфигурируемых кирпичей для использования в крупномасштабных конструкциях. Мы считаем, что такой подход к созданию "кирпичиков Lego" полезен еще и потому, что оборудование может соответствовать ограничениям по объему для лунных миссий, поскольку общее пространство, необходимое для изготовления каждого блока, намного меньше".
|
|
|
|
Их работа основана на существующих исследованиях технологии спекания, которая использует различные источники энергии для расплавления лунного реголита и создания строительных материалов. Это включает в себя работу НАСА с космической архитектурной фирмой SINTERHAB, которая предложила оснастить вездеход агентства Extrater-Explorer (ATHLETE) с шестигранными конечностями технологией микроволнового спекания. Однако, по словам Коула, их концепция особенно привлекательна из-за способа производства реконфигурируемых кирпичей.
|
|
|
|
"Возможность реконфигурации наших кирпичных узлов, в частности, привлекает внимание благодаря гибкости, которой мы можем достичь в процессе строительства. Поскольку к различным деталям предъявляются разные требования к материалам, мы можем использовать множество методов в зависимости от решаемой задачи. Для конструкций, где требуется большой объем материала и где не требуется высокая точность, как в случае с защитой от радиации, мы считаем, что наш метод является многообещающим".
|
|
|
|
Однако, прежде чем концепция будет реализована, предстоит еще многое сделать. Как указывает Шоу, необходимы дополнительные исследования для оптимизации параметров спекания и свойств материала. Команда также планирует создать прототип и провести лабораторные испытания, которые, как они надеются, позволят им усовершенствовать и масштабировать технологию для использования на Луне. Им также необходимо продумать, как полученный в результате 3D-принтер будет перемещаться по поверхности Луны, на какие параметры питания он будет полагаться, и другие соображения.
|
|
|
|
"Когда дело доходит до полной реализации, еще предстоит проделать большую инженерную работу", - заключил Коул. "В будущем нам нужно будет рассмотреть, как изменится процесс спекания в вакууме или какие изменения потребуются для платформы сборки, чтобы, например, можно было надежно изготавливать детали, отслеживая движение солнца.
|
|
|
|
"Кроме того, наше устройство должно быть способно выдерживать суровые условия по сравнению с лабораторной средой, в которой мы работали во время этого исследования. Все это сложные задачи, но, в конечном счете, наука, стоящая за всем этим, хорошо изучена".
|
|
|
|
Источник
|
