Лунная база может начинаться с купола над кратером, построенного из реголита

Когда первые астронавты высадились на Луну в рамках программы «Аполлон», концепция лунных поселений перестала быть предметом научной фантастики и стала объектом научных исследований. Поскольку несколько космических агентств планируют в ближайшее десятилетие отправить на Луну пилотируемые миссии, эти планы снова стали предметом научного интереса. Создание структур, которые обеспечат «устойчивую программу изучения и освоения Луны», является долгосрочной целью программы «Артемида» НАСА. У Китая, России и Европейского космического агентства схожие планы в отношении Международной лунной исследовательских станций и Лунной деревни.

Астронавт «Аполлона-12» Алан Л. Бин работает на лунном посадочном модуле. Фото: NASA
----------------

Чтобы сократить количество материалов, которые необходимо доставлять на Луну, и уменьшить зависимость от Земли, в этих планах будет предусмотрено использование местных ресурсов для производства строительных материалов и ресурсов — использование ресурсов на месте (ISRU).

В недавнем исследовании, опубликованном в Scientific Reports (https://www.nature.com/articles/s41598-025-07901-x), учёные из Польши и Великобритании предложили схему развития лунной среды обитания, которая начинается с купола, построенного из геополимера на основе реголита. Этот купол будет окружать кратер диаметром 17 метров в районе Моря Спокойствия, где разместятся все необходимые здания для лунной базы.

Структура покрытия кратера: (a–e) поперечное сечение покрывающей структуры — случаи A–E; (f) кратер; (g) визуализация структуры покрытия кратера.
-----------

Руководила исследованием Магдалена Мрожек, научный сотрудник факультета гражданского строительства Силезского технологического университета в Гливице, Польша. К ней присоединились Давид Мрожек и Матеуш Смолана, также исследователи из Силезского технологического университета, и Лорна Ангильяно, старший научный сотрудник Лондонского университета Брунеля и заместитель директора Центра разработки и обработки экологически чистых материалов имени Вольфсона.

Концепция, изложенная в их статье, представляет собой упрощённое описание лунной базы, которая будет использовать вторичную переработку ресурсов и производство геополимеров на месте. Расположение базы также имеет ряд преимуществ, не последним из которых является защита от столкновений с метеоритами и их осколками. Они также выбрали область Моря Ясности, которая находится ниже, чем высокогорные районы, и имеет более высокую плотность кратеров.

Кроме того, область Моря Спокойствия вблизи места посадки «Аполлона-11» (0,67 северной широты и 23,47 восточной долготы) была выбрана из-за данных, полученных из лунных пород, привезённых астронавтами «Аполлона-12». Как сообщил Мрожек изданию Universe Today по электронной почте:

Авторы проанализировали концепцию «крышки» для своего гипотетического лунного кратера диаметром 17 метров (~56 футов) и глубиной 6 метров (~20 футов). Это соответствует размерам кратеров в районе Моря Спокойствия, которые в среднем составляют 20 на 8 метров (65,5 на 26,25 фута). Следующим шагом был численный анализ для определения подходящих размеров и форм лунной конструкции, которая могла бы выдерживать нагрузки и поддерживать атмосферное давление, подобное земному (1013,25 миллибара или 1 бар). Следующим шагом был выбор строительных материалов, которые могли бы выдерживать внутренние напряжения и производиться на месте с использованием местных ресурсов.

В конечном счете, они выбрали геополимеры (GP) на основе лунного реголита, которые состоят из синтетических неорганических мономеров, в основном состоящих из алюминия и кремния, и обладают отличительными механическими свойствами, аналогичными цементному бетону. Это выгодно, учитывая, что лунный реголит содержит в среднем 45% оксида кремния (SiO) по весу. Созданный ими геополимер состоял из раствора гидроксида натрия (NaOH), силикатного стекла (NaO x nSiO x nHO) и имитатора реголита лунного высокогорья LHS-1 производства Exolith Lab.

Образец геополимера: (a) 40 на 40
Образец диаметром 160 мм; (b) дифрактограмма рентгеновских лучей (XRD); (c) изображение, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM).
-------------

Расположение объекта, который мы анализируем, — гипотетического кратера, расположенного на 0,67° северной широты и 23,47° восточной долготы в селенографической системе координат. Источник: НАСА
------

«Создание строительных материалов из оригинального лунного реголита нецелесообразно, поэтому необходимо использовать один из доступных на рынке имитаторов лунного реголита», — сказал Мрожек. «Мы выбрали LHS производства Space Resource Technologies. Используя этот материал, мы разработали геополимер, который впоследствии был протестирован для получения параметров прочности, заложенных в численную модель». Силы, действующие на лунную структуру, существенно отличаются от тех, с которыми мы сталкиваемся на Земле. Следовательно, нам пришлось отказаться от некоторых методов, применимых на Земле, и взглянуть на проблему с новой точки зрения.

Условия отверждения образцов были подобраны таким образом, чтобы имитировать лунные условия в районе Моря Спокойствия. Хотя температура колеблется от 120 °C в течение лунного дня до -180 °C в течение лунной ночи (от 248 до -292 °F), она не опускается ниже 60 °C (140 °F) в течение семи земных дней, что благоприятно для процесса геополимеризации. Учитывая эти соображения, команда подвергла образцы обработке в термовакуумной камере при температуре 60 °C и давлении 50 гПа (50 миллибар), что соответствует условиям, близким к вакууму, на Луне.

После полного затвердевания в течение 28 дней материалы были подвергнуты испытаниям на изгиб и сжатие, а также проанализированы с помощью электронной микроскопии (СЭМ) и рентгеновской дифракции (РДД). Эти испытания показали, что геополимер на основе реголита обладает прочностью и эластичностью, сравнимыми с прочностью и эластичностью цементно-песчаного кальций-силикатного раствора. Геополимер и выбранная конструкция вполне могут быть использованы для строительства лунных баз в кратерных морях, что является ключевой целью программы NASA «Артемида».

Саид Мрожек: «Мы инженеры-строители, поэтому наша статья посвящена именно этой области исследований. Однако в настоящее время мы сотрудничаем с самыми разными специалистами из разных стран в таких областях, как архитектура, физика, геология и химия. В настоящее время мы готовимся к запуску проекта по созданию лунной базы, который будет значительно более сложным и детализированным».