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. Астробетон — более общая концепция, применимая также и 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. 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). Однако некоторые мелкомасштабные испытания с реальным реголитом были проведены в лабораториях.
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.
Лин и др. использовали 40 г образцов лунного реголита, полученных Аполлоном-16, для производства лунного бетона в 1986 году. 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 для получения оксида титана, железа и воды. Он был способен выдерживать сжимающее давление 75 МПа и терял только 20% этой прочности после многократного воздействия вакуума.
В 2008 году Хусам Тутанджи из Университета Алабамы в Хантсвилле и Ричард Грюгель из Центра космических полетов Маршалла использовали имитатор лунного грунта, чтобы определить, можно ли изготовить лунный бетон без воды, используя серу (полученную из лунной пыли) в качестве связующее вещество. Процесс создания серобетона требовал нагрева серы до 130–140 °C. Было обнаружено, что после воздействия 50 циклов изменения температуры, от -27 °C до комнатной температуры, имитирующий лунаркрит способен выдерживать сжимающее давление 17 МПа, которое, по мнению Тутанджи и Грюгеля, можно было бы поднять до 20 МПа, если бы материал был армирован кремнеземом. (также можно получить из лунной пыли).
Литье и производство
Прежде чем станет возможным промышленное производство лунобетона, потребуется создать значительную инфраструктуру.
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.
Лунаркрет имеет тот же недостаток прочности на разрыв, что и земной бетон. Одним из предложенных натяжных материалов, эквивалентных лунному материалу для создания предварительно напряженного бетона, является лунное стекло, также изготовленное из реголита, подобно тому, как стекловолокно уже иногда используется в качестве материала для армирования земного бетона. Еще один натяжной материал, предложенный Дэвидом Беннеттом, — это кевлар, импортированный с Земли (который с точки зрения массы было бы дешевле импортировать с Земли, чем обычную сталь).
«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 астронавтам-людям необходимо было бы подвергать воздействию поверхностной лунной среды.
Сера присутствует на Луне в виде минерала троилита (FeS) 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 до температуры выше точки плавления серы, 140 °C, и после охлаждения он сразу же достигает высокой прочности.
Лучшая смесь по прочности на растяжение и сжатие — 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. Добавление кремнезема также увеличивает прочность бетона.
Этот серный бетон может иметь особую ценность для минимизации пыли, например, при создании стартовой площадки для ракет, покидающих Луну.
АстроКрит
AstroCrete — это материал, похожий на бетон, который предлагается использовать на Луне или Марсе, изготовленный из реголита и человеческого сывороточного альбумина (HSA), белка человеческой крови. Ученые продемонстрировали, что такой материал имеет прочность на сжатие до 25 МПа, тогда как у обычного бетона — 20–32 МПа. Благодаря добавлению мочевины (побочный продукт мочи, пота и слез) полученный материал стал значительно прочнее обычного бетона с прочностью на сжатие 40 МПа.
Как отмечают авторы:
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 можно будет производить на Марсе после достижения успехов в технологии биопроизводства.
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».
Исследователи подсчитали, что экипаж из 6 астронавтов может произвести более 500 кг AstroCrete в течение двухлетней миссии на поверхности Марса. Каждый астронавт «может произвести достаточно дополнительного пространства для обитания, чтобы поддержать другого астронавта, потенциально позволяя устойчивое расширение ранней марсианской колонии».
В 2023 году А. Д. Робертс написал статью об использовании «АстроКрета», который испытывается при создании строительного материала на Марсе с целью преодоления проблемы получения сыпучих материалов для строительства на планете.
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. (см. Аллотропы серы).
Таким образом, незащищенный серный бетон на Луне, если он непосредственно подвергается воздействию температур поверхности, должен быть ограничен более высокими широтами или затененными местами с максимальными температурами 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.
Использовать
Дэвид Беннетт из Британской цементной ассоциации утверждает, что лунный бетон имеет следующие преимущества в качестве строительного материала для лунных баз:
Однако он отмечает, что лунобетон не является герметичным материалом, и чтобы сделать его герметичным, потребовалось бы нанесение эпоксидного покрытия на внутреннюю часть любой конструкции из лунобетона.
Беннетт предполагает, что в гипотетических лунных зданиях из лунного бетона, скорее всего, для внутренних отсеков и комнат будут использоваться низкосортные бетонные блоки, а для наружных обшивок — высококачественный бетон на основе цемента с частицами кремнезема.