До возвращения человека на Луну остаются в лучшем случае годы — первый пилотируемый полет к лунной орбитальной станции Lunar Orbital Platform-Gateway ожидается не раньше середины 2020-х, а даже примерные сроки строительства лунной базы пока неизвестны. Тем не менее, разрабатывать технологии, которые потребуются нам на Луне, нужно уже сейчас, потому что они не могут достигнуть зрелости мгновенно. И одно из мест разработки таких технологий — подразделение Spaceship EAC в центре подготовки астронавтов Европейского космического агентства, Кёльн, ФРГ. В течение уже нескольких лет там исследуют возможность получения строительного материала из лунного реголита, запекая вулканические породы в гибриде 3D-принтера и солнечной печи, и не только.
3D-печать защитного купола лунной базы в представлении Европейского космического агентства
Проблемы и идеи
Поверхность Луны — негостеприимное место. Без атмосферы даже маленький метеор становится опасным, в условиях отсутствия магнитного поля ничто не останавливает солнечное излучение. Даже температура бросает вызов технике, потому что днем поверхность нагревается до +127°С, а ночью остывает до -173°С. Нужна какая-то защита. Но везти ее с собой с Земли очень дорого, поэтому, например, в исторических проектах лунных баз часто предлагалось закопать их поглубже. Сейчас у Европейского космического агентства другой подход, изложенный в концептуальном ролике 2014 года.
Самоходный бульдозер с 3D-принтером должен будет сгребать отвалом реголит и затем формировать купол по принципу птичьей кости — c твердыми элементами конструкции, держащими нагрузку, и большими объемами, заполненными рыхлым реголитом, между ними. Концепт создали не на пустом месте, в 2013 году при помощи 3D-принтера произвели полторы тонны стены из имитатора лунного грунта.
Фото ЕКА
Первоначально, судя по концепту, на 3D-принтере был бак с реагентом, и формирование твердых частей должно было происходить химическим способом. Но рассматриваются также и другие варианты.
С пылу с жару
Раз Солнце так сильно нагревает лунную поверхность, то его световую энергию можно использовать напрямую, без преобразования в электричество и обратно в тепло.
На фотографии — солнечная печь Немецкого аэрокосмического центра в Кёльне. 147 поворачивающихся зеркал обеспечивают температуру до 2500°С и плотность энергии до 5 Мегаватт на квадратный метр. Поскольку в Европе не всегда солнечно, поэтому у печи есть дублирующий источник света из ксеноновых ламп. В 2017 эту печь соединили с 3D-принтером, печатающим имитатором лунного реголита.
Принтер печатал слоями по 0,1 мм и нагревал имитатор реголита до 1000°С. На кирпич 20х10х3 см ушло примерно пять часов, и полученный материал имел твердость гипса.
Вид сверху, фото ЕКА
Вид сбоку
Полученные кирпичи далеко не идеальны — видна слоистость, по краям заметен изгиб (варпинг), да и твердость не такая уж большая. Но инженеры полны оптимизма — на уровне экспериментальной проверки концепции задача решена, а с нарушениями геометрии можно бороться изменением скорости печати.
В августе 2017 на имитаторе лунного реголита и обычном песке был успешно испытан концепт подвижной печатающей головки, не требующей отдельного здания солнечной печи.
Проект RegoLight, в рамках которого разрабатывалась эта головка, был начат в 2015 и закончен в 2017, но в целом работа, конечно же не остановилась.
Хороший имитатор
Как уже было сказано, эксперименты по строительству из местных ресурсов проводились на имитаторе лунного грунта. Что это такое? И на Земле и на Луне можно найти породы вулканического происхождения. На Луне они разрушаются под воздействием перепадов температуры, солнечных и космических лучей, а также ударов метеоритов. В результате получается пылеватый песок, который называют реголитом. А около Кёльна 45 миллионов лет назад были вулканические извержения, выбросившие базальты, весьма похожие на аналогичные породы с Луны. Нужно только размолоть их в пыль требуемого размера. Под названием EAC-1 они используются как имитатор лунного грунта в Spaceship EAC.
Конечно, породы на Земле и на Луне находились в разных условиях, и, например, воздействие кислорода не могло не оставить свой след. Случайно выбранные камни дадут только грубое подобие, и нужно исследовать как лунные, так и в земные породы, чтобы повышать качество имитатора. Например, лунная пыль имеет электрический заряд. Для воспроизведения подобных свойств имитатора частицы размололи еще сильнее, получили близкие электростатические свойства, но потеряли свойства поверхности, так что работы надо продолжать.
Еще одним свойством реголита является его крайне высокая абразивность. В отличие от земных условий, на Луне не было процессов эрозии, которые бы сгладили поверхность, и настоящая лунная песчинка выглядит примерно так.
Фото ЕКА
Такие острые и маленькие частички опасны не только для техники, но и для людей — все 12 астронавтов, ходивших по поверхности Луны, отмечали «лунную аллергию» — боль в горле, глазах, насморк, чихание, которые проходили спустя несколько дней. Но для людей, которые будут работать на поверхности неделями и месяцами, абразивная пыль может представлять прямую угрозу здоровью, повреждая клетки легких и, распространяясь по организму, даже . И здесь имитатор тоже пока что плохо справляется — механическое измельчение вулканических пород формирует песок со шлифованной поверхностью, нужно улучшать методы производства имитатора.
Но у лунного реголита есть и потенциально полезные свойства. Например, он содержит до 40% кислорода, который теоретически можно добывать и использовать. В целом, никакое долговременное поселение на Луне (или Марсе, неважно), не может обойтись без использования местных ресурсов. И студенты, работающие сейчас в Spaceship EAC, вполне могут увидеть реализацию на серьезном уровне технологий, которым дали начало ведущиеся сейчас эксперименты.
Автор: Филипп Терехов
