Применение реголита при возведении базы на Луне

В настоящее время перед человечеством стоит множество разнообразных задач в области освоения космоса. Рано или поздно человечеству придется столкнуться с проблемой освоения дальнего космоса. На данный момент все многочисленные запуски (86 стартов за 2015 год) аппаратов для полета в космос осуществляются с поверхности Земли, что пагубно сказывается на состоянии озонового слоя и как следствие ухудшения экологического состояния нашей планеты. Вследствие данной проблемы, одной из актуальных задач, является организация космического центра на поверхности Луны и последующего переноса программы по освоению космоса (запуска космических аппаратов, анализа полученных материалов и т. п.) с нашей планеты на Луну.

Не менее актуальной задачей на данный момент является поиск альтернативных источников энергии, в связи с этим существует интерес к развитию термоядерной энергетики. На Луне и в атмосферах таких планет, как Юпитер, обнаружены огромные количества изотопа гелий-3, который потенциально интересен в качестве основного топлива для ядерного синтеза, до сих пор недосягаемой мечты энергетиков. Гелий-3 практически не имеет недостатков в качестве источника топлива. Элемент не является радиоактивным, что делает его идеальным топливом для чистой термоядерной энергетики. Даже небольшое количество этого элемента позволяет получить огромное количество энергии из реакции синтеза — 0,02 грамма гелия-3 содержит количество энергии, равное одному баррелю нефти.

Гелий-3 применяется при исследовании термоядерного синтеза. На Земле его добывают в очень небольших количествах, исчисляемых несколькими десятками граммов за год. Причиной тому служит наша атмосфера, способствующая процессам реакции гелия-3 с другими веществами.

Тот факт, что Луна обогащена гелием-3, известен с тех пор, как на Землю было впервые доставлено лунное вещество. В образцах лунного грунта, привезенных американскими астронавтами в ходе экспедиций «Аполлон» и доставленных советскими автоматическими аппаратами «Луна», относительная концентрация изотопа гелия оказалась в тысячу раз выше, чем в земном гелии. Гелий-3 — результат облучения незащищенной атмосферой поверхности Луны корпускулярным излучением Солнца. В течение миллиардов лет в поверхностный пылевидный слой Луны (реголит) внедряются атомы элементов, испускаемых Солнцем, больше всего — водород и гелий в изотопном соотношении, присущем Солнцу. Другой факт — что гелий-3является эффективным термоядерным горючим — известен был физикам ещё раньше. Однако никакого практического вывода из этих фактов в те годы не делалось. Земная энергетика обеспечивалась за счёт быстро развивающейся добычи нефти и газа. Атомная энергетика базировалась на доступном урановом сырье. Управляемый термоядерный синтез не был осуществлен даже на более простой реакции дейтерия с тритием. На Земле гелий-3 в промышленных количествах отсутствует, в отличии от Луны.

Принимая во внимание вышеизложенный материал, очевидно, что добыча на поверхности Луны изотопа Гелия это перспективная причина для рассмотрения возможности организации станции на поверхности Луны.

Об объективных причинах создания автоматической строительно-технологической лаборатории на поверхности Луны, а так же необходимости использования лунного грунта для создания защитных конструкций для размещения под ними жилых модулей предполагаемой базы, транспорта, робототехники и инструментария, повествует Раков А. П. в своей работе [1]. Примеры экспериментов, которые прямо или косвенно способствуют актуализации создания базы на Луне приводит Игнатов в [2], рассматривая возможность организации строительства технических построек на поверхности Луны с использованием ресурсов лунного грунта реголита.

Многими национальными космическими агентствами США, Европы, Японии, Китая, Индии планируется создание исследовательских долговременных станций на Луне. Проектирование лунных конструкций должно вестись с учетом особенностей физико-технических условий на поверхности Луны:

1. Воздействие микрометеоритов;
2. Суточный перепад температур в более чем 200ºC;
3. Вакуум;
4. Наличие радиационного воздействия;
5. Малоисследованное движение мелкодисперсной пыли в приповерхностном слое.

Сооружение сложных конструкций на Луне ограничено материально-техническими и энергетическими ресурсами, которые можно доставлять космическими экспедициями с Земли. Поэтому использование природных лунных материалов является обязательным условием всех проектов капитального строительства на Луне. В качестве строительного материала можно использовать лунный грунт — Реголит, он имеет низкую теплопроводность [2], поэтому идеально подходит для использования его как материала, обеспечивающего теплосбережение лунной базы.

Существующие исследования указывают на то, что использование «местного» материала является перспективным с точки зрения колонизации в будущем. Учитывая сходство лунных и земных горных пород, реализация может происходить по земным технологиям. В [3] представлены петрографические данные о строение лунного грунта, дана его технологическая минералого-петрографическая характеристика и сравнительный анализ с петрографическими данными синтетических минеральных сплавов. Результаты указывают на пригодность лунного реголита для синтеза литых синтетических материалов. В связи с вышеизложенным, в дальнейшем можно рассматривать использование Реголита для создания строительных блоков и использование их в качестве полноценного строительного материала.

Исходя из особенностей условий строительства и пребывания на Луне, предлагается использовать следующие материалы пирога ограждающих конструкций для обеспечения безопасного пребывания:

1. Кевлар, с прорезиненной внешней стенкой (Для формирования каркаса);
2. Вода (защита от радиации);
3. Экранно-вакуумный тепловой элемент (защита от больших перепадов температуры);
4. Реголит (защита от метеоритов).

Рис. 1. Схема пирога ограждающих конструкций

Суммарная теплопроводность ограждающей конструкции, в пироге (Рис.1) которого будут содержаться приведенные выше материалы — низкая, это обеспечит комфортное пребывание внутри лунной станции, в независимости от резких перепадов температур на поверхности Луны.

Известно, что форма архитектурного объекта и все её составляющие несут в себе определённый эмоциональный заряд, который способен влиять на психологическое состояние человека. Опираясь на материалы Ракова А. П. [4] в котором рассматривается проблема восприятия человеком окружающей, искусственно созданной среды, предлагается сделать Лунную станцию полуцилиндрической формы. Данная форма обусловлена благотворным влиянием на психологическое состояние человека, а так же простотой ее возведения, для упрощения работ по установке данной станции работы будут разделены на 3 этапа:

1. Возведение надувного модуля из кевлара, обшитого ЭВТИ;
2. Засыпка модуля слоем реголитом;
3. Заполнение пространства между слоями прорезиненного кевлара водой.

Рис. 2. Термический анализ ограждающей конструкции с использованием реголита

Проведенный термический анализ конструкции (Рис. 2) в условиях Лунной ночи (температура окружающей среды -153⁰С) наглядно показывает, что применение реголита в условиях сильного перепада температур актуально, поскольку, имея низкую теплопроводность, он надежно удерживает тепло внутри станции (при толщине реголитового слоя в 500 мм).

Проанализировав возможности возведения строительных конструкций на Луне, можно выделить наиболее перспективные:

− Использование 3D принтера для создания блоков из лунного грунта (реголита) [1];

− Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) — предполагает смешивать алюминиевую пудру и керамические материалы. Эта смесь в ходе реакции в специально созданной форме сплавляется в цельные слитки, которые можно использовать для создания конструкционных материалов для Луны [1];

− Наплавления лунного грунта с помощью солнечной энергии на наращиваемую поверхность. Данный способ состоит в насыпании струйки сыпучего материала на участок поверхности сооружения, на который сфокусирован пучок солнечного излучения [1];

В данное время на базе Политехнического университета проводится исследовательская работа «Теплофизический анализ ограждающих конструкций базы на Луне», позволяющая решать следующие задачи:

− Защита станции радиации на поверхности Луны;

− Защита станции от большого перепада температур;

− Использование лунного грунта «Реголита» в составе ограждающих конструкций.

Путем проведения анализа разных по составу пирогов ограждающих конструкций. В результате можно будет получить конструкцию пирога ограждающей конструкции, которая будет обеспечивать комфортное и безопасное пребывание космонавтов внутри исследовательской станции на поверхности Луны.

Литература:

1. Раков А. П. Предпосылки создания автоматической строительно-технологической лаборатории на поверхности Луны // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре. — 2011. — № 14. — С. 167–170.
2. Игнатова А. М., Игнатов М. Н. Использование ресурсов реголита для освоения лунной поверхности // Геолого-минералогические науки. — 2013. — № 11. — С. 101–110.
3. Флоренский К. П., Базилевский А. Т., Николаева О. В. Лунный грунт: свойства и аналоги // Академия Наук СССР Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского. — М.: 1975 г.. — С. 1–50.
4. Раков А. П. Принципы работы с формой в архитектуре экстремальных условий обитания // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. — 2010. — № 5(2). — С. 567–570.