Lunarcrete - Википедия - Lunarcrete

Свойства лунного бетона, определенные в лаборатории[1][2]
Прочность на сжатие39–75,7 Н / мм2 (МПа )
Модуль для младших21,4 кН / м2
Плотность2,6 г / см3
Температурный коэффициент5.4 × 10−6 K−1

Lunarcrete, также известный как "лунный бетон", идея, впервые предложенная Ларри А. Бейером из Питтсбургский университет в 1985 году представляет собой гипотетическую совокупность строительный материал, похожий на конкретный, образованный из лунного реголит, что снизило бы затраты на строительство здания на Луна.[3]

Ингредиенты

Лишь сравнительно небольшое количество лунного камня было доставлено на Землю, поэтому в 1988 году исследователи из Университет Северной Дакоты предложил моделировать строительство из такого материала с помощью лигнитовый уголь пепел.[3] Другие исследователи использовали разработанные впоследствии имитатор лунного реголита материалы, такие как АО-1 (разработан в 1994 году и используется Toutanji et al.).[4] Однако некоторые мелкомасштабные испытания с реальным реголитом были выполнены в лабораториях.[2]

Основные ингредиенты для лунного бетона будут такими же, как и для наземного бетона: заполнитель, вода и цемент. В случае лунного бетона совокупностью будет лунный реголит. Цемент будет производиться приносящий пользу лунная порода с высоким содержанием кальция. Вода будет поступать либо с Луны, либо путем объединения кислорода с водородом, полученным из лунный грунт.[2]

Lin et al. использовали 40 г образцов лунного реголита, полученных Аполлон-16 производить лунный бетон в 1986 году.[5] Лунный бетон был отвержден с использованием пара на сухой смеси заполнитель / цемент. Лин предположил, что воду для такого пара можно производить путем смешивания водорода с лунным ильменит при 800 ° C, чтобы произвести оксид титана, утюг и вода. Он был способен выдерживать сжимающее давление 75 МПа и потерял только 20% этой прочности после многократного воздействия вакуума.[6]

В 2008 году Хусам Тутанджи из Университет Алабамы в Хантсвилле и Ричард Гругель из Центр космических полетов Маршалла, использовал имитатор лунного грунта, чтобы определить, можно ли изготовить лунный бетон без воды, используя сера (получается из лунной пыли) в качестве связующего. Процесс создания этого серный бетон потребовался нагрев серы до 130–140 ° С. После воздействия 50 циклов изменения температуры от -27 ° C до комнатной температуры имитирующий лунный бетон оказался способным выдерживать давление сжатия 17 МПа, которое, по мнению Тутанжи и Гругель, можно было повысить до 20 МПа, если бы материал был усилен кремнезем (также можно получить из лунной пыли).[7]

Литье и производство

Прежде чем производство лунобетона в промышленных масштабах станет возможным, потребуется наличие значительной инфраструктуры.[2]

Для заливки лунного бетона потребуется среда под давлением, потому что попытка заливки в вакууме просто приведет к образованию воды. сублимирующий, и лунный бетон не затвердевает. Было предложено два решения этой проблемы: предварительное смешивание заполнителя и цемента с последующим использованием процесса закачки пара для добавления воды или использование завода по производству бетона под давлением, который производит сборные бетонные блоки.[2][8]

Lunarcrete разделяет тот же недостаток предел прочности как земной бетон. Один предложил лунный эквивалент натяжного материала для создания предварительно напряженный бетон лунное стекло, также сформированное из реголита, во многом как стекловолокно уже иногда используется в качестве арматурного материала для наземного бетона.[2] Другой натяжной материал, предложенный Дэвидом Беннеттом, - это Кевлар, импортируемая с Земли (которая была бы дешевле по массе для импорта с Земли, чем обычная сталь).[8]

Безводный бетон на основе серы

Это предложение основано на наблюдении, что вода, вероятно, будет ценным товаром на Луне. Также сера набирает прочность за очень короткое время и не требует охлаждения, в отличие от гидравлического цемента. Это сократит время, в течение которого астронавтам придется находиться на поверхности Луны.[9][10]

Сера присутствует на Луне в виде минерала троилита (FeS).[11] и может быть восстановлен для получения серы. Он также не требует сверхвысоких температур, необходимых для извлечения вяжущих компонентов (например, анортозиты ).

Серобетон это признанный строительный материал. Строго говоря, это не бетон, так как там мало химической реакции. Вместо этого сера действует как термопластический материал, связывающийся с инертным субстратом. Цемент и вода не требуются. Бетон не нужно затвердевать, вместо этого он просто нагревается до температуры выше точки плавления серы, 140 ° C, и после охлаждения сразу достигает высокой прочности.

Лучшая смесь по прочности на растяжение и сжатие - 65% имитатора лунного реголита АО-1 и 35% серы, со средней прочностью на сжатие 33,8 МПа и пределом прочности на разрыв 3,7 МПа. Добавление 2% металлического волокна увеличивает прочность на сжатие до 43,0 МПа.[12] Добавление кремнезема также увеличивает прочность бетона.[13]

Этот серобетон может иметь особую ценность для минимизации пыли, например, для создания стартовой площадки для ракет, покидающих Луну.[11]

Проблемы с "серным бетоном"

Он обеспечивает меньшую защиту от космического излучения, поэтому стены должны быть толще бетонных (вода в бетоне является особенно хорошим поглотителем космического излучения).

Сера тает при 115,2 ° C, а лунные температуры в высоких широтах могут достигать 123 по Цельсию в полдень. Кроме того, изменения температуры могут изменить объем серобетона из-за полиморфных переходов в сере.[11] (видеть Аллотропы серы ).[13]

Таким образом, незащищенный серный бетон на Луне, если он подвергается прямому воздействию температуры поверхности, необходимо будет ограничить более высокими широтами или затененными местами с максимальной температурой менее 96 ° C и месячными колебаниями, не превышающими 114 ° C.

Материал будет разлагаться из-за повторяющихся температурных циклов, но эффекты, вероятно, будут менее сильными на Луне из-за медленности месячного температурного цикла. Внешние несколько миллиметров могут быть повреждены из-за разбрызгивания из-за удара высокоэнергетических частиц солнечного ветра и солнечных вспышек. Однако это может быть легко отремонтировать путем повторного нагрева или повторного покрытия поверхностных слоев, чтобы спекать трещины и залечивать повреждения.

Использовать

Дэвид Беннетт из Британской цементной ассоциации утверждает, что лунный бетон в качестве строительного материала для лунных баз имеет следующие преимущества:[8]

  • Производство лунного бетона потребует меньше энергии, чем производство лунного бетона. стали, алюминий, или же кирпич.[8]
  • На него не влияют колебания температуры от +120 ° C до -150 ° C.[8]
  • Он поглотит гамма излучение.[8]
  • На целостность материала не влияет продолжительное воздействие вакуума. Хотя свободная вода будет испаряться из материала, вода, которая химически связана в результате процесса отверждения, не испарится.[8]

Однако он отмечает, что лунобетон не является воздухонепроницаемым материалом, и чтобы сделать его воздухонепроницаемым, потребовалось бы применение эпоксидная смола покрытие для интерьера любой конструкции из лунобетона.[8]

Беннетт предполагает, что в гипотетических лунных зданиях из лунобетона, скорее всего, будет использоваться низкосортный бетонный блок для внутренних отсеков и комнат, а также высококачественный цемент с плотными частицами кремнезема бетон для наружных обшивок.[8]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Дж. А. Хаппель (1993). «Местные материалы для строительства Луны». Обзоры прикладной механики. Американское общество инженеров-механиков. 46 (6): 313–325. Bibcode:1993ApMRv..46..313H. Дои:10.1115/1.3120360.
  2. ^ а б c d е ж Ф. Рюсс; Дж. Шаенцлин и Х. Бенаройя (июль 2006 г.). «Структурный дизайн лунной среды обитания» (PDF). Журнал аэрокосмической техники. Американское общество инженеров-строителей. 19 (3): 138. Дои:10.1061 / (ASCE) 0893-1321 (2006) 19: 3 (133).
  3. ^ а б «Инженеры UND хотели бы пойти по лунной дороге». Grand Forks Herald. Северная Дакота. 1988-02-28.
  4. ^ Х. Тутанджи; М. Р. Фиске и М. П. Бодифорд (2006). «Разработка и применение лунного« бетона »для среды обитания». В Рамеш Б. Малла; Веслав К. Биниенда и Аруп К. Маджи (ред.). Материалы 10-й проходящей раз в два года международной конференции по проектированию, строительству и эксплуатации в сложных условиях (Земля и космос, 2006 г.) и 2-го семинара NASA / ARO / ASCE по гранулированным материалам в исследованиях Луны и Марса, прошедших в Лиг-Сити / Хьюстон, штат Техас, 5 марта –8, 2006 г.. Рестон, Вирджиния: Американское общество инженеров-строителей. С. 1–8. Дои:10.1061/40830(188)69. ISBN  0784408300.
  5. ^ Франсуа Спиеро и Дэвид К. Данан (1997). «Моделирование эксплуатации марсианских материалов и ресурсов на установке для исследования переменной силы тяжести». В Томас Р. Мейер (ред.). The Case for Mars IV: международное исследование Марса - соображения относительно отправки людей: материалы четвертой конференции Case for Mars, проходившей 4-8 июня 1990 г. в Университете Колорадо, Боулдер, Колорадо. 90. Univelt для Американское астронавтическое общество. п. 356. ISBN  9780877034216.
  6. ^ Джордж Уильям Герберт (1992-11-17). Норман Ярвин (ред.). «Луна бетон». Архивы: Космос: наука, исследования.
  7. ^ Колин Баррас (17.10.2008). «Астронавты могут делать самодельный бетон для дешевой лунной базы». Новый ученый.
  8. ^ а б c d е ж грамм час я Д. Ф. Х. Беннетт (2002). «Бетон: материал - лунный бетон». Инновации в бетоне. Томас Телфорд Книги. С. 86–88. ISBN  0-7277-2005-8.
  9. ^ Показатели «Безводный бетон» Хусам А. Тутанжи, Стив Эванс, Ричард Н. Гругель
  10. ^ ПРОИЗВОДСТВО ЛУННОГО БЕТОНА ИЗ РАСПЛАВЛЕННОЙ СЕРЫ, Заключительный отчет об исследованиях для JoVe, грант НАСА NAG8 - 278, доктор Хусам А. Омар, факультет гражданского строительства Университета Южной Алабамы
  11. ^ а б c И. Казанова (1997). «Технико-экономическое обоснование и применение серного бетона для разработки лунной базы: предварительное исследование» (PDF). 28-я Ежегодная конференция по изучению Луны и планет, 17–21 марта 1997 г., Хьюстон, Техас. п. 209.
  12. ^ ПРОИЗВОДСТВО ЛУННОГО БЕТОНА ИЗ РАСПЛАВЛЕННОЙ СЕРЫ Заключительный отчет об исследованиях для JoVe, грант НАСА NAG8 - 278byDr. Хусам А. Омар
  13. ^ а б Хусам Тутанджи; Бекка Гленн-Лопер и Бет Шрейшуэн (2005). «Прочность и долговечность безводного лунного бетона». 43-е собрание и выставка AIAA Aerospace Sciences 10 - 13 января 2005 г., Рино, Невада. Американский институт аэронавтики и астронавтики.

дальнейшее чтение