Praful lunar ar putea fi un material de construcție eficient pe Lună, arată un test efectuat pe Staţia Spaţială Internaţională

Geopolimerii din regolit, testați în spațiu, și-au păstrat rezistența în afara Staţiei Spaţiale Internaţionale (SSI) — un indiciu practic pentru viitoarele construcții lunare. Pentru ca primele baze lunare să devină realitate, agențiile spațiale trebuie să rezolve o problemă fundamentală: costul uriaș al transportului materialelor de pe Pământ. Soluția viitoarelor construcții pe Lună depinde exclusiv de utilizarea resurselor locale.

Timp de 6 luni, probe de materiale de construcție de la Universitatea din Delaware au stat fixate pe exteriorul Stației Spațiale Internaționale, expuse la vid, radiații și variații constante de temperatură. La întoarcere, unele dintre ele s-au dovedit mai rezistente decât probele similare păstrate pe Pământ.

Rezultatul nu înseamnă că bazele lunare sunt pe cale să devină realitate. Însă oferă un semn încurajator pentru una dintre cele mai spinoase probleme practice ale explorării spațiale: cum construim drumuri, piste de aterizare, adăposturi și scuturi de protecție fără a căra cantități uriașe de materiale de construcție de pe Pământ.

Echipa lucrează cu geopolimeri,Materiale sintetice avansate, asemănătoare cimentului, obținute la temperaturi scăzute prin reacția chimică a pulberilor minerale (precum argila) cu un agent alcalin. un material asemănător cimentului care poate fi obținut prin legarea chimică a pulberilor bogate în argilă într-un solid. În acest caz, pulberile au simulat regolitul lunar și marțian — înlocuitori ai materialului prăfos de la suprafața acestor lumi. Rezultatele apar în Advances in Space Research, iar lucrările de procesare aferente sunt prezentate în revista Acta Astronautica și într-un număr special al Journal of Rheology.

„Regolitul este, în esență, un material silicatic asemănător argilei. Este unul dintre cele mai abundente materiale atât pe Pământ, cât și pe Lună, ceea ce îl face interesant pentru construcții.”, a declarat Norman Wagner, titularul catedrei Unidel Robert L. Pigford de Inginerie Chimică la Universitatea din Delaware.

Cum vom construi baze pe Lună? Testul geopolimerilor pe ISS

Ce este regolitul lunar? Acesta este stratul superficial de praf, fragmente de rocă și minerale care acoperă satelitul nostru natural și care s-ar putea transforma în „cimentul” viitorului.

Pentru viitoarele misiuni lunare, această abundență contează. Pe Lună nu există depozite de aprovizionare, iar lansarea materialelor de construcție de pe Pământ ar fi extrem de costisitoare. Avantajul geopolimerilor este că pot fi produși în mare parte din materiale locale, cu un consum de energie relativ redus, deoarece procesul nu necesită topirea ingredientelor la temperaturi ridicate.

Ca să afle dacă aceste materiale rezistă expunerii în spațiu, grupul lui Wagner a trimis plăci subțiri de geopolimer în cadrul misiunii MISSE-20 a NASA. Probele au fost montate în exteriorul stației spațiale timp de 201 de zile, interval în care au parcurs peste 132 de milioane de kilometri și au efectuat 3.216 orbite în jurul Pământului.

Experimentul a inclus patru formulări: două realizate din simulatori lunari, numiți LHS-1 și BP-1, una dintr-un simulator marțian, MGS-1C, și una din metacaolin,Un material de înaltă puritate obținut prin tratarea termică a argilei (caolin). Este folosit frecvent pe Pământ ca aditiv ecologic pentru creșterea rezistenței cimentului. un aluminosilicat de înaltă puritate folosit ca material de comparație. În timpul zborului, probele au fost expuse la temperaturi cuprinse între minus 11,75 și 35 de grade Celsius, cu variații de aproximativ 15 grade pe durata fiecărei orbite. De asemenea, ele au absorbit o doză cumulativă de radiații ultraviolete de 15,0 kilojouli pe centimetru pătrat.

Odată întoarse pe Pământ, probele care zburaseră au fost comparate cu probe de control păstrate în pungi opace pentru aceeași perioadă, precum și cu probe testate la scurt timp după fabricare.

Regolitul lunar s-a dovedit mai rezistent în spațiu decât pe Pământ

Concluzia principală a fost clară: geopolimerii obținuți din regolit lunar și regolit marțian au rezistat. Probele LHS-1, BP-1 și MGS-1C nu au prezentat o degradare evidentă și și-au menținut rezistența ridicată la compresiuneCapacitatea unui material de construcție (cum ar fi betonul sau geopolimerul) de a suporta greutăți sau forțe care îl presează, fără a se fisura sau zdrobi. după lunile petrecute pe orbita joasă a Pământului.Zona spațiului cosmic situată la o altitudine cuprinsă între 160 și 2.000 km deasupra Pământului, mediul în care operează Stația Spațială Internațională (ISS).

În două cazuri, probele expuse la zbor au avut performanțe mai bune decât omoloagele lor rămase pe Pământ. Probele LHS-1 expuse prin intermediul experimentului MISSE au atins o rezistență medie la compresiune de 60,3 megapascali, comparativ cu 44,7 megapascali pentru probele de control de pe Pământ — o diferență pe care echipa a raportat-o ca fiind semnificativă din punct de vedere statistic. Probele BP-1 au prezentat, de asemenea, o creștere semnificativă în comparație cu probele de control. Iar probele MGS-1C au înregistrat tot o tendință de creștere, deși această diferență nu a fost semnificativă din punct de vedere statistic.

Cercetătorii au constatat însă că cea mai mare creștere a rezistenței nu a fost cauzată de spațiul cosmic în sine, ci de testele de „bakeout” efectuate înainte de zbor, care au expus probele la temperaturi ridicate și presiune scăzută înainte de lansare. În cazul LHS-1, rezistența a crescut și la probele de laborator care au fost supuse unui tratament similar de variație a temperaturii, ceea ce indică o întărire suplimentară drept motiv probabil. Materialul pare să continue să reacționeze și să se întărească în timp.

Distincția este importantă: ea sugerează că geopolimerii nu doar au supraviețuit orbitei, ci au tolerat și etapele de pregătire necesare pentru a ajunge acolo.

Nu toate formulele au trecut însă la fel de bine testele.

Un singur material a dat greș — dar în alt mod

Geopolimerul de metacaolin s-a fisurat încă din timpul testelor de „bakeout” dinaintea zborului. Unele probe au dezvoltat fisuri mari, care traversau întreaga probă, iar aceste fisuri erau deja vizibile în primele imagini transmise de stație. În timpul misiunii, suprafețele expuse s-au întunecat, de asemenea, în mod vizibil.

Studiul a constatat că aceste fisuri erau legate de combinația dintre presiune și schimbările de temperatură din timpul procesului de uscare, și nu de expunerea la orbita terestră joasă în sine. Modelele de difracție cu raze X pentru probele de metacaolin care au zburat și cele de control de pe Pământ păreau aproape identice, ceea ce sugerează că nu a avut loc nicio schimbare chimică majoră în liant în timpul zborului. De asemenea, densitățile acestora au rămas practic neschimbate. Tomografia cu raze X a validat faptul că geopolimerii din regolit lunar au absorbit șocurile termice și variațiile de presiune mult mai eficient decât materialele de control de înaltă puritate terestră. Autorii au afirmat că printre explicațiile posibile se numără expansiunea apei captive în micropori sau nepotrivirea termică între diferite părți ale materialului.

În schimb, probele pe bază de regolit — LHS-1, BP-1 și MGS-1C — nu au prezentat fisuri comparabile după expunerea în spațiu. Nici tomografia cu raze X nu a evidențiat diferențe interne clare între versiunile care au zburat în spațiu și cele de control de pe Pământ ale acestor trei materiale.

Acesta este rezultatul cel mai important pentru construcțiile lunare, deoarece tocmai acestea sunt compozițiile menite să imite solurile din afara Pământului.

Sustenabilitatea viitoarelor construcții pe Lună: avantajele resurselor locale

Cercetarea nu se limitează la a demonstra că un material testat în spațiu poate rezista. Ea indică, de asemenea, o modalitate de a face construcțiile pe Lună mai practice.

Cercetătorii observă că apa utilizată în sinteza geopolimerilor nu este fixată chimic în structura finală a liantului și poate fi recuperată după întărire. Acest lucru le conferă geopolimerilor un avantaj față de cimentul Portland obișnuit, care leagă permanent apa de produsele sale de reacție. Pe Lună, unde fiecare kilogram contează, acest lucru ar putea face o diferență reală.

Echipa a analizat, de asemenea, ce ar fi necesar pentru a extinde această tehnologie la scară mai mare. Într-un exemplu, cercetătorii au estimat masa necesară pentru a produce un metru cub de beton geopolimeric LHS-1, cu o fracție volumică de agregate de 75%. Pornind de la aceste ipoteze, masa transportată de pe Pământ ar fi de 60,7 kilograme pe metru cub, constând în principal din hidroxid de sodiu și silice, în timp ce regolitul, agregatele și apa ar fi procurate local. O platformă de aterizare de 40 de metri, cu o grosime de 1,2 centimetri, ar necesita 15,0 metri cubi de material.

Solicitările preconizate pentru o platformă de decolare și aterizare verticală se situează cu mult sub rezistențele măsurate la aceste eșantioane. Acest lucru nu rezolvă problema inginerească, dar arată că materialul de bază se încadrează în intervalul adecvat.

Alte studii: solul lunar nu e uniform

Un al doilea studiu al grupului din Delaware a abordat un alt obstacol: solul lunar nu este uniform. Cercetătorii au dezvoltat un model de învățare automată care prezice rezistența geopolimerului pe baza proprietăților regolitului de pornire și a modului în care acesta este prelucrat.

În cadrul unor studii reologice separate, aceștia au identificat, de asemenea, un „punct critic de gelificare”Momentul exact dintr-o reacție chimică în care un amestec lichid sau vâscos încetează să curgă și începe să se transforme într-o structură solidă (pastă rigidă). — etapa în care suspensia încetează să se comporte ca o pastă maleabilă și începe să devină o structură solidă. Înainte de acest punct, amestecarea sau forfecarea nu modificau timpul final de întărire sau rezistența.

Asta sugerează că viitorii constructori lunari ar putea avea o anumită marjă de manevră pentru a amesteca, pompa și modela aceste materiale fără a le deteriora.

Concluzii: când vor deveni realitate primele infrastructuri lunare?

Concluzia imediată este că mai mulți geopolimeri pe bază de regolit pot rezista unui test important din faza inițială: expunerea prelungită în afara Stației Spațiale Internaționale. Acest lucru întărește argumentele în favoarea utilizării materialelor lunare locale, în locul betonului fabricat pe Pământ, în viitoarele habitate, ecrane de protecție împotriva radiațiilor, platforme de aterizare și alte infrastructuri.

Studiul delimitează, de asemenea, întrebările următoare. Materialele trebuie încă testate în condiții lunare mai severe, inclusiv frig mai intens, variații de temperatură mai mari, impacturi cu micrometeoriți și perioade de expunere mai lungi. La fel de important, inginerii vor avea nevoie de metode fiabile pentru a lăsa acești lianți să se întărească pe Lună, unde vidul și temperaturile scăzute pot încetini sau perturba dezvoltarea rezistenței.

Cu toate acestea, rezultatul este unul practic. Un material de construcție realizat în mare parte din praf local nu s-a dezintegrat în spațiu și, în unele cazuri, s-a întors mai rezistent decât înainte. Testarea cu succes a acestor materiale marchează un punct de cotitură; deși nu vom vedea baze lunare complet operaționale în următorul deceniu, fundația tehnologică pentru viitoarele construcții pe Lună a fost deja validată în vidul spațial.

Rezultatele cercetării sunt disponibile online în revista Advances in Space Research.

Merită să știe și alții asta?

Votează dacă ți-a plăcut articolul.

DA NU