Будущее лунных баз зависит от освоения одного распространённого, но абразивного материала. Инженеры учатся превращать реголит в дороги, укрытия и объекты инфраструктуры.
Представьте, что вы строите дом, а ближайший строительный магазин находится более чем в 380 тыс. км от вас, и единственный доступный материал — это грубая, лишённая воздуха почва у вас под ногами. Именно с такой задачей столкнутся инженеры будущего на Луне.
Лунный реголит (поверхностный слой сыпучего грунта на Луне, состоящий из пыли и обломков пород) — на удивление универсальный строительный материал. Учёные считают, что эта серая мелкая пыль идеально подходит для изготовления кирпичей.
Они также утверждают, что её можно уплотнять для создания дорог, а извлечённые из неё материалы использовать для производства солнечных панелей. Другими словами, реголит может стать основой для строительства обширных лунных поселений в рамках будущих миссий.
Как объясняют учёные, лунный реголит состоит из фрагментов минералов, осколков горных пород и стекловидных частиц, образовавшихся в результате падения астероидов и древней вулканической активности.Лунный Гелий-3 – Американская компания начинает гонку за топливом будущего
Строительство Лунных баз
Если не брать в расчёт его пригодность для строительства, реголит — это, пожалуй, единственный реальный выбор для создания крупномасштабной лунной инфраструктуры.
В 2016 году НАСА подсчитало, что транспортировка строительных материалов на Луну обойдётся примерно в 22 000 долларов за 1 кг. Только доставка материалов для лунной базы, требующей тысяч тонн грузов, будет стоить миллиарды долларов.
Именно поэтому использование местных ресурсов (концепция, предполагающая добычу и переработку ресурсов напрямую на месте освоения), особенно лунного реголита, является наиболее перспективным и эффективным подходом для создания инфраструктуры на Луне.
Лунный реголит — широко распространённый материал. Он покрывает почти всю поверхность Луны, а его глубина варьируется примерно от 4 до 15 м.
Идея заключается в том, чтобы строить из того, что уже доступно на поверхности. Это снижает потребность в постоянных миссиях по снабжению и делает постоянное пребывание более реалистичным, и это самый практичный вариант для обеспечения долгосрочного присутствия на Луне.
Это не означает, что космические программы полностью откажутся от доставки стройматериалов с Земли.
Возможен и гибридный подход. Например, доставка с Земли определённых высокотехнологичных материалов, как специализированные связующие вещества, могла бы помочь более эффективно или при более низких температурах перерабатывать реголит в стройматериалы.
Существуют и другие интересные альтернативы, но научное сообщество достигло твёрдого консенсуса. Лунный реголит станет жизненно важной частью будущего строительства космических баз.
Есть немало интересных предложений по созданию лунных баз — от их размещения в бездействующих лавовых трубках до использования материалов с астероидов. Но, для тяжёлых компонентов и конструкций хотя бы частично потребуются местные материалы.
Строительство с использованием местных ресурсов экономит топливо и ценное место в ракетах, поэтому даже частичное возведение базы таким способом может иметь огромное значение.
Превращая лунную пыль в инфраструктуру
Помимо строительства жилых модулей, обработка лунного реголита может облегчить транспортировку к местам добычи водяного льда вблизи южного полюса Луны.
В 2023 году была опубликована научная статья на эту тему. В ней авторы подробно описали, как лазерная система или система фокусировки солнечного света может расплавлять лунный реголит. Эту технологию можно было бы использовать для создания дорожных покрытий на Луне.
При использовании лунного реголита для строительства возникает несколько проблем. Ведь это сложная смесь минералов, что затрудняет контроль над процессом обработки и прогнозирование свойств конечных материалов.
Одна из главных проблем — его высокая температура плавления, обычно составляющая от 1300 до 1500 °C. Если использовать лазеры или другие электрические источники тепла, потребности в энергии становятся серьёзным ограничением.
Именно поэтому предлагается использовать концентрированный солнечный свет, собираемый с помощью линз и зеркал. Этот подход может значительно сократить или даже полностью устранить энергетические затраты на обработку реголит.
Этот метод, известный как световое спекание (процесс уплотнения порошкового материала путём нагрева сфокусированным светом) не единственный.
В прошлом месяце была опубликована статья на сервере препринтов arXiv. В этом исследовании предполагается, что будущие покорители Луны смогут плавить реголит с помощью солнечного света или лазеров. А затем они смогут изготавливать множество компонентов с помощью аддитивного производства (более известного как 3D-печать).
Ведь без связующих веществ создавать точные конструкции довольно сложно из-за неоднородности реголита. Чтобы обойти эту проблему, можно делать небольшие кирпичи, которые собирать и разбирать для создания более крупных конструкций. Однако для сборки этих кирпичей в крупные сооружения на Луне может понадобиться дополнительное оборудование.
Опасная лунная пыль: взвешивая все за и против
Как однажды сказал Энакин Скайуокер в приквелах «Звёздных войн»: «Ненавижу песок. Он грубый, жёсткий, неприятный. И он повсюду».
Эта фраза на удивление точно описывает реальные опасности космической пыли. Лунная пыль действительно проникает повсюду, и это может стать серьёзной проблемой для будущих колонистов.
Лунная пыль очень липкая. Она электростатически заряжена из-за взаимодействия с солнечным излучением. Это заставляет её прилипать к оборудованию и скафандрам, создавая серьёзные проблемы.
В 2020 году НАСА обратилось к университетам в поисках новых идей для решения проблемы лунной пыли. Тогда космическое агентство выделило лишь ключевые моменты. А испытания, проведённые во времена программы «Аполлон», показали, что частицы лунной пыли могут быть размером менее 20 микрометров (мкм).
Она абразивна и остра, а значит, может повредить скафандры. Лунная пыль также способна проникать в воздушные фильтры, создавая реальный риск повреждения лёгких для исследователей Луны.
В исследовании прошлого года учёные проверили, как лунная пыль может загрязнять жизненно важные системы очистки воды. Их тесты показали, что лунный реголит вызывает изменения уровня pH, мутности и концентрации алюминия. Все эти показатели превысили нормативы Всемирной организации здравоохранения для безопасной питьевой воды.
Чему учатся инженеры-строители
Если НАСА сможет преодолеть эти трудности, строительство с использованием лунного реголита может принести большую пользу человечеству.
Хотя лунная инфраструктура не принесёт прямой выгоды гражданскому населению, инженерные решения, необходимые для её создания, могут оказать огромное положительное влияние.
Компания Blue Origin, например, разработала технологию Blue Alchemist, способную производить солнечные панели, используя только лунный реголит. Подобная технология могла бы использовать широко распространённые на Земле материалы для ускорения энергетического перехода.
Строительство жилых модулей из лунного реголита также может подсказать пути создания строительных материалов с низким содержанием углерода и малым потреблением воды для засушливых или удалённых районов нашей планеты.
Разработка строительных технологий для Луны заставляет искать новые способы строительства с минимальными ресурсами, используя местные материалы и полагаясь на возобновляемую энергию.
Например, если мы научимся строить прочные конструкции, используя только реголит и солнечный свет, подобные методы можно будет адаптировать для удалённых или бедных ресурсами регионов на Земле.
Эти инновации могут помочь сократить выбросы от традиционных строительных процессов и способствовать внедрению более устойчивых и децентрализованных подходов к строительству.
Инженеры уже используют аддитивное производство для создания оборудования для возобновляемой энергетики на Земле. Например, усовершенствование технологии 3D-печати для работы в суровых космических условиях может повысить её способность решать важнейшие проблемы на Земле.
Для инженеров на Земле Луна — это не просто новый рубеж, это лаборатория. То, что мы узнаем о лунном реголите, может определять то, как мы будем строить на нашей собственной планете в течение многих будущих десятилетий.