stringtranslate.com

Лунный бетон

Лунный бетон , также известный как « лунный бетон », идея, впервые предложенная Ларри А. Бейером из Питтсбургского университета в 1985 году, представляет собой гипотетический строительный агрегат , похожий на бетон , образованный из лунного реголита , который мог бы снизить затраты на строительство зданий на Луне . [3] Астробетон — более общая концепция, также применимая для Марса .

Ингредиенты

Только сравнительно небольшие количества лунной породы были доставлены на Землю, поэтому в 1988 году исследователи из Университета Северной Дакоты предложили смоделировать создание такого материала с использованием золы лигнитового угля . [3] Другие исследователи использовали разработанные впоследствии имитаторы лунного реголита , такие как JSC-1 (разработанный в 1994 году и используемый Toutanji et al.) и LHS-1 (разработанный и произведенный Exolith Lab). [4] [5] Однако некоторые мелкомасштабные испытания с реальным реголитом были проведены в лабораториях. [2]

Основные ингредиенты для лунного бетона будут такими же, как и для земного бетона: заполнитель, вода и цемент . В случае лунного бетона заполнитель будет лунным реголитом. Цемент будет производиться путем обогащения лунной породы с высоким содержанием кальция. Вода будет либо поставляться с Луны, либо путем соединения кислорода с водородом, полученным из лунного грунта . [2]

Лин и др. использовали 40 г образцов лунного реголита, полученных Аполлоном-16, для производства лунного бетона в 1986 году. [6] Лунный бетон был отвержден с помощью пара на сухой смеси заполнителя и цемента. Лин предположил, что вода для такого пара может быть получена путем смешивания водорода с лунным ильменитом при 800 °C, чтобы получить оксид титана , железо и воду. Он был способен выдерживать сжимающее давление 75 МПа и терял только 20% этой прочности после многократного воздействия вакуума. [7]

В 2008 году Хаусам Тутанджи из Университета Алабамы в Хантсвилле и Ричард Гругель из Центра космических полетов имени Маршалла использовали имитатор лунного грунта, чтобы определить, можно ли изготовить лунный бетон без воды, используя серу (получаемую из лунной пыли) в качестве связующего вещества. Процесс создания этого серного бетона требовал нагревания серы до 130–140 °C. После воздействия 50 циклов изменения температуры, от -27 °C до комнатной температуры, имитатор лунного бетона оказался способным выдерживать сжимающее давление 17 МПа, которое, по мнению Тутанджи и Гругеля, можно было бы повысить до 20 МПа, если бы материал был армирован кремнеземом ( также получаемым из лунной пыли). [8]

Литье и производство

Прежде чем станет возможным промышленное производство лунобетона, необходимо будет создать значительную инфраструктуру. [2]

Для литья лунарбетона потребуется среда под давлением, поскольку попытка литья в вакууме просто приведет к сублимации воды , и лунарбетон не затвердеет. Было предложено два решения этой проблемы: предварительное смешивание заполнителя и цемента, а затем использование процесса впрыскивания пара для добавления воды или использование завода по производству бетона под давлением, который производит готовые бетонные блоки. [2] [9]

Lunarcrete имеет тот же недостаток прочности на растяжение, что и земной бетон. Одним из предложенных лунных эквивалентных натяжных материалов для создания предварительно напряженного бетона является лунное стекло, также образованное из реголита, подобно тому, как стекловолокно уже иногда используется в качестве армирующего материала для земного бетона. [2] Другим натяжным материалом, предложенным Дэвидом Беннетом, является кевлар , импортируемый с Земли (который будет дешевле, с точки зрения массы, импортировать с Земли, чем обычную сталь). [9]

«Безводный бетон» на основе серы

Это предложение основано на наблюдении, что вода, вероятно, будет ценным товаром на Луне. Кроме того, сера набирает прочность за очень короткое время и не нуждается в периоде охлаждения, в отличие от гидравлического цемента. Это сократило бы время, которое астронавты-люди должны были бы подвергать воздействию поверхностной лунной среды. [10] [11]

Сера присутствует на Луне в форме минерала троилита (FeS) [12] и может быть восстановлена ​​для получения серы. Она также не требует сверхвысоких температур, необходимых для извлечения цементирующих компонентов (например, анортозитов ).

Серный бетон — это устоявшийся строительный материал. Строго говоря, это не бетон, поскольку в нем мало химических реакций. Вместо этого сера действует как термопластичный материал, связывающийся с нереактивным субстратом. Цемент и вода не требуются. Бетон не нужно застывать, вместо этого его просто нагревают выше точки плавления серы, 140 °C, и после охлаждения он сразу же достигает высокой прочности.

Лучшая смесь для прочности на растяжение и сжатие — это 65% имитатора лунного реголита JSC-1 и 35% серы, со средней прочностью на сжатие 33,8 МПа и прочностью на растяжение 3,7 МПа. Добавление 2% металлического волокна увеличивает прочность на сжатие до 43,0 МПа [13]. Добавление кремнезема также увеличивает прочность бетона. [14]

Этот серный бетон может иметь особое значение для минимизации пыли, например, при создании стартовой площадки для ракет, покидающих Луну. [12]

Проблемы с «серным бетоном»

Он обеспечивает меньшую защиту от космической радиации, поэтому стены должны быть толще, чем стены из бетона на основе портландцемента (вода в бетоне особенно хорошо поглощает космическую радиацию).

Сера плавится при 115,2 °C, а лунные температуры в высоких широтах могут достигать 123 °C в полдень. Кроме того, изменения температуры могут изменить объем серного бетона из-за полиморфных переходов в сере. [12] (см. Аллотропы серы ). [14]

Таким образом, незащищенный серный бетон на Луне, если он будет подвергаться непосредственному воздействию температур поверхности, должен быть ограничен высокими широтами или затененными местами с максимальной температурой менее 96 °C и ежемесячными колебаниями, не превышающими 114 °C.

Материал будет деградировать из-за повторяющихся температурных циклов, но последствия, вероятно, будут менее экстремальными на Луне из-за медленности ежемесячного температурного цикла. Внешние несколько миллиметров могут быть повреждены распылением от удара высокоэнергетических частиц солнечного ветра и солнечных вспышек. Однако это может быть легко исправить, повторно нагрев или повторное покрытие поверхностных слоев, чтобы спечь трещины и залечить повреждения.

АстроКрит

Графическая абстракция концепции AstroCrete

AstroCrete — это бетоноподобный материал, который предлагается использовать на Луне или Марсе, изготовленный из реголита и человеческого сывороточного альбумина (HSA), белка из человеческой крови. Ученые продемонстрировали, что такой материал имеет прочность на сжатие до 25 МПа, в то время как обычный бетон имеет 20–32 МПа. При добавлении мочевины (побочный продукт в моче, поте и слезах) полученный материал стал значительно прочнее обычного бетона, с прочностью на сжатие 40 МПа. [15] [16] [17]

Как отмечают авторы: [16]

По сути, человеческий сывороточный альбумин, вырабатываемый астронавтами in vivo, можно извлекать на полунепрерывной основе и объединять с лунным или марсианским реголитом, чтобы «получить камень из крови», если перефразировать пословицу. Мы считаем, что биокомпозиты человеческого сывороточного альбумина и внеземного реголита могут потенциально сыграть важную роль в зарождающейся марсианской колонии.

Исследователи также экспериментировали с синтетическим паучьим шелком и бычьим сывороточным альбумином в качестве связующих веществ для реголита, отметив, что эти материалы также могут быть произведены на Марсе после достижения успехов в технологии биопроизводства . [16]

Идея, лежащая в основе AstroCrete, не нова, что признают авторы: «клеи и связующие вещества биологического происхождения широко использовались человечеством на протяжении тысячелетий до разработки синтетических клеев, полученных из нефти. Древесные смолы, коллаген из копыт, казеин из сыра и кровь животных использовались в качестве связующих веществ и добавок для различных применений». [16]

Исследователи подсчитали, что экипаж из 6 астронавтов может произвести более 500 кг AstroCrete в течение двухлетней миссии на поверхности Марса. [15] Каждый астронавт «может создать достаточно дополнительного пространства для обитания другого астронавта, что потенциально позволит обеспечить устойчивое расширение ранней марсианской колонии». [17]

В 2023 году А. Д. Робертс написал статью об использовании «АстроКрета», который испытывается при создании строительного материала на Марсе, чтобы преодолеть проблему получения сыпучих материалов для строительства на планете. [18]

Использовать

Дэвид Беннетт из Британской цементной ассоциации утверждает, что лунный бетон имеет следующие преимущества в качестве строительного материала для лунных баз: [9]

Однако он отмечает, что лунный бетон не является герметичным материалом, и чтобы сделать его герметичным, потребуется нанести эпоксидное покрытие на внутреннюю часть любой конструкции из лунного бетона. [9]

Беннетт предполагает, что гипотетические лунные здания, построенные из лунного бетона, скорее всего, будут использовать низкосортные бетонные блоки для внутренних отсеков и комнат, а также высококачественный плотный цементный бетон с частицами кремния для внешних покрытий. [9]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ JA Happel (1993). «Местные материалы для лунного строительства». Applied Mechanics Reviews . 46 (6). Американское общество инженеров-механиков : 313–325. Bibcode : 1993ApMRv..46..313H. doi : 10.1115/1.3120360.
  2. ^ abcdef F. Ruess; J. Schaenzlin & H. Benaroya (июль 2006 г.). "Конструктивное проектирование лунной среды обитания" (PDF) . Журнал аэрокосмической инженерии . 19 (3). Американское общество инженеров-строителей : 138. doi :10.1061/(ASCE)0893-1321(2006)19:3(133).
  3. ^ ab «Инженеры UND хотели бы следовать по пути лунобетона». Grand Forks Herald . Северная Дакота. 1988-02-28.
  4. ^ Лонг-Фокс, Джаред; Лукас, Майкл П.; Ландсман, Зои; Миллуотер, Кэтрин; Бритт, Дэниел; Нил, Клайв (апрель 2022 г.). Применимость имитаторов при разработке лунных систем и инфраструктуры: геотехнические измерения имитатора лунных возвышенностей LHS-1. ASCE Earth and Space 2022. Денвер, Колорадо. стр. 11. doi : 10.1061/9780784484470.007.
  5. ^ H. Toutanji; MR Fiske & MP Bodiford (2006). "Разработка и применение лунного "бетона" для среды обитания". В Ramesh B. Malla; Wieslaw K. Binienda & Arup K. Maji (ред.). Труды 10-й двухгодичной международной конференции по проектированию, строительству и эксплуатации в сложных условиях (Земля и космос 2006) и 2-го семинара NASA/ARO/ASCE по гранулированным материалам в исследовании Луны и Марса, состоявшегося в Лиг-Сити/Хьюстоне, Техас, 5–8 марта 2006 г. Рестон, Вирджиния: Американское общество инженеров-строителей . стр. 1–8. doi :10.1061/40830(188)69. ISBN 0784408300.
  6. ^ Франсуа Спиеро и Дэвид К. Дананд (1997). «Моделирование эксплуатации марсианских материалов и ресурсов на исследовательском объекте с переменной гравитацией». В Томасе Р. Мейере (ред.). Дело о Марсе IV: международное исследование Марса — рассмотрение возможности отправки людей: протоколы четвертой конференции по делу о Марсе, состоявшейся 4–8 июня 1990 года в Университете Колорадо, Боулдер, Колорадо . Том 90. Univelt для Американского астронавтического общества . стр. 356. ISBN 9780877034216.
  7. ^ Джордж Уильям Герберт (1992-11-17). Норман Ярвин (ред.). "Luna concrete". Архивы: Космос: Наука, Исследование .
  8. ^ Колин Баррас (2008-10-17). «Астронавты могли бы смешивать самодельный бетон для дешевой лунной базы». New Scientist .
  9. ^ abcdefghi DFH Bennett (2002). «Бетон: материал — Лунный бетон». Инновации в бетоне . Thomas Telford Books. стр. 86–88. ISBN 0-7277-2005-8.
  10. ^ Выступление «Безводного бетона» Хауссам А. Тутанджи Стив Эванс Ричард Н. Гругель
  11. ^ ПРОИЗВОДСТВО ЛУННОГО БЕТОНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАСПЛАВЛЕННОЙ СЕРЫ, Заключительный отчет по исследованию для гранта НАСА JoVe NAG8 - 278, д-р Хусам А. Омар, кафедра гражданского строительства, Университет Южной Алабамы
  12. ^ abc I. Casanova (1997). «Осуществимость и применение серного бетона для разработки лунной базы: предварительное исследование» (PDF) . 28-я ежегодная конференция по лунной и планетарной науке, 17–21 марта 1997 г., Хьюстон, Техас . стр. 209.
  13. ^ ПРОИЗВОДСТВО ЛУННОГО БЕТОНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАСПЛАВЛЕННОЙ СЕРЫ. Окончательный отчет по исследованию для гранта НАСА NAG8 - 278 от JoVe, доктор Хусам А. Омар
  14. ^ ab Houssam Toutanji; Becca Glenn-Loper & Beth Schrayshuen (2005). "Прочность и долговечность безводного лунного бетона". 43-я конференция и выставка AIAA по аэрокосмическим наукам, 10–13 января 2005 г., Рино, Невада . Американский институт аэронавтики и астронавтики. doi :10.2514/6.2005-1436.
  15. ^ ab "Доступное жилье в космосе: ученые разрабатывают космический бетон из космической пыли и крови астронавтов". Манчестерский университет . Получено 25 октября 2021 г.
  16. ^ abcd Робертс, AD; Уиттолл, DR; Брейтлинг, R.; Такано, E.; Блейкер, JJ; Хей, S.; Скраттон, NS (сентябрь 2021 г.). «Кровь, пот и слезы: внеземные реголитовые биокомпозиты со связующими веществами in vivo». Materials Today Bio . 12 : 100136. doi : 10.1016/j.mtbio.2021.100136. PMC 8463914. PMID  34604732 . 
  17. ^ ab Blakemore, Erin (18 сентября 2021 г.). «Телесные жидкости астронавтов могут помочь построить убежища типа бетона на других планетах». Washington Post . Получено 25 октября 2021 г. .
  18. ^ Робертс, А.Д., 2023. Строительство на Марсе с использованием человеческой крови и мочи. Physics Today, 76(3), стр.62-63.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки