Любопытству человека воистину нет равных. Мы не знаем и половины о планете, которую населяем, но наш взгляд уже давно обращен к звездам. И если когда-то нам было достаточно обрести возможность рассмотреть поверхность Луны, то сейчас многие хотят ее колонизировать. Такой скачок в амбициозности не был бы возможен, если бы не технологический прогресс. И если проблема транспортировки счастливых колонистов с Земли на Луну или даже Марс относительно решена, то вот проблема их там проживания пока еще сохраняется. Естественно, у любого человека есть свои индивидуальные потребности, но есть и общие, неудовлетворение которых идет наперерез самого существования. К числу базовым нуждам человека помимо еды, воды и сна относится и кров, т. е. безопасное жилище. А когда речь идет о столь чуждой и опасной среде как Марс или Луна, то вопрос, как и из чего строить это жилище стоит очень остро. Ученые из Манчестерского университета (Великобритания) разработали новый тип бетона, сделанный из космической пыли и крахмала. Почему были выбраны именно эти ингредиенты, в чем особенности полученного материала, и что из него можно построить? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Между «экскурсией» на Луну или Марс и постоянным там пребыванием существует большая и вполне очевидная разница. Для устойчивого присутствия человека на поверхности Луны и Марса потребуются жилые помещения с толстыми стенами и потолками для защиты от радиационного облучения и метеоритов. Принцип «все свое ношу с собой», т. е. привезти вместе с колонистами все необходимые стройматериалы, не подходит, так как это будет чрезвычайно дорого, а потому необходимо реализовать тактику ISRU (in situ resource utilisation, т. е. использование местных ресурсов). На поверхности Луны, к примеру, полно реголита — остаточного грунта, который является продуктом космического выветривания породы. Если разработать эффективный метод его преобразования из рыхлого состояния в твердый бетоноподобный материал, то его можно использовать для строительства.


Изображение №1

На данный момент уже есть несколько идей, но все они обладают теми или иными серьезными недостатками: чрезвычайно высокое потребление энергии/воды или необходимость в дополнительном крупногабаритном горнодобывающем, транспортном, обрабатывающем или производственном оборудовании (изображение №1).

Одним из возможных решений является использование встречающихся в природе биополимеров в качестве агентов, связывающих реголит, для производства ERB (extraterrestrial regolith biocomposite, т. е. внеземной реголитный биокомпозит). Поскольку биополимеры производятся в относительно мягких условиях с низким энергопотреблением, они потенциально могут преодолеть многие недостатки, с которыми сталкиваются другие методы. К примеру, ранее был разработан метод стабилизации марсианского реголита с помощью биополимерного связующего на основе хитозана, полученного из кутикулы членистоногих. Этот ERB, названный марсианским биолитом, достигал прочности на сжатие (UCS от ultimate compressive strength) до 3.6 МПа.

В других исследованиях было показано, что белок, полученный из плазмы коровьей крови (BSA от bovine serum albumin, т.е. бычий сывороточный альбумин), также может действовать как эффективное связующее для производства ERB с UCS до 22.2. МПа – примерно такой же прочности, как у обычного кирпича. Показатель действительно впечатляющий, но с транспортировкой коров на Луну или Марс могут быть, мягко говоря, сложности. Чем заменить коров? Людьми, конечно же. Вместо BSA можно использовать HSA (от human serum albumin, т. е. человеческий сывороточный альбумин). HSA, полученный из плазмы крови человека, может быть объединен с мочевиной (в большом количестве содержится в моче человека) и реголитом для получения ERB с прочностью на сжатие до 39.7 МПа. В таком случае показатели еще лучше, но использовать людей в качестве источника строительного материала чревато последствиями для здоровья. И тогда в жилищах не будет смысла, так как некому будет их строить.

В таком случае можно перевести внимание на другие ресурсы, которые должны быть возобновляемыми в условиях колонии на Луне или Марсе. Речь идет о продуктах питания, а именно о выращиваемых овощах. Организовывать постоянные поставки пищи на другие планеты будет так же неэффективно, долго и дорого, как и поставки стройматериалов. Потому колонистам необходимо будет построить собственные «космические» фермы, где будут выращиваться неприхотливые культуры.

Из отходов этих растений можно выделить то, что сможет случить связующим элементом для ERB. Одним из таких растительных ресурсов может быть крахмал. Правда, крахмал уже исследовался в качестве связующего для биокомпозитных материалов на основе растительных волокон, но относительно плохие механические свойства (прочность на сжатие < 2.5 МПа) и чувствительность к влаге ограничивают их применимость. Но это касается именно органических волокон. Когда кукурузный крахмал применили в качестве связующего для неорганических заполнителей (песок и известняковый порошок), прочность на сжатие полученного материала достигала 30 МПа. Этот материал, к слову, назвали CoRncrete (контаминация слов «corn» и «concrete»).

Имея чрезвычайно ограниченное количество воды, вопрос чувствительности к влаге не имеет значения для лунной и марсианской среды. Это означает, что материал, подобный бетону, может хорошо подходить для строительства. А учитывая, что крахмал присутствует во многих основных культурах питания человека (кукуруза, рис, картофель), но его добыча не должна быть проблемой, так как колонисты должны будут в любом случае организовать выращивание этих культур для пропитания.

В рассматриваемой нами сегодня работе ученые решили детально изучить концепцию создания строительных материалов на основе крахмала с применением реголита. Вместо кукурузного был выбран картофельный крахмал, а потому название материала было изменено на StarCrete (контаминация слов «starch» и «concrete»). Прочность на сжатие полученного материала достигла рекордных показателей в 72.0 МПа (лунный реголит) и 91.7 МПа (марсианский реголит).

Результаты исследования

Изображение №2

Клейстеризация крахмала происходит через сложный многофазный переход, на который влияют такие факторы, как источник крахмала, концентрация, профиль температуры, рН и наличие солей металлов, ферментов и других добавок. Более того, размер, форма и кристалличность крахмальных зерен, а также молекулярная масса и соотношение амилозы и амилопектина оказывают сильное влияние на клейстеризацию крахмала и значительно различаются между разными видами растений. Селекция также привела к наличию значительных отличий внутри определенного вида, так как появились разные сорта кукурузы, риса или картофеля с высоким содержанием амилопектина (воскообразные). После разработки базовой процедуры изготовления ERB на основе крахмала несколько источников крахмала были проверены для определения наиболее перспективного типа (таблица №1).


Таблица №1

Результаты этого скринингового эксперимента показали, что картофель был наиболее эффективным источником крахмала, имеющим UCS 17.7 МПа. Картофельный крахмал отличается от большинства других относительно крупными гранулами (до 100 мкм), относительно низкой температурой клейстеризации (60-65 °С), минимальным содержанием жира и белка, а также относительно высоким содержанием фосфатов.

Следующий эксперимент включал в себя проверку ряда добавок, которые можно было получить с марсианской поверхности и которые, как считалось, потенциально могли оказать благотворное влияние на свойства создаваемых ERB. Были выбраны следующие добавки: MgCl₂, уксусная кислота, Na₂CO₃, FeSO₄, мочевина и слюна человека. На поверхности Марса ранее были обнаружены отложения солей хлоридов металлов, которые влияют на клейстеризацию крахмала. Уксусная кислота также может быть получена из крахмала путем анаэробной ферментации (например, рисового уксуса или солодового уксуса), и также может влиять на клейстеризацию крахмала. Na₂CO₃ уже применялся в качестве добавки к крахмальным клеям, а соли железа и сульфата (например, FeSO₄) могли быть получены с поверхности Марса и могли способствовать образованию ионных мостиков. Мочевина может образовывать прочные водородные связи и в изобилии содержится в моче человека, а слюна человека содержит амилозу — фермент, активный в отношении крахмала, который использовался для производства клеев на его основе. Эти добавки вводились в ERB путем замены деионизированной воды на высококонцентрированные водные растворы этих веществ. Затем проводилась оценка прочности на сжатие (UCS от ultimate
compressive strength) полученных ERB были оценены (таблица ниже).


Таблица №2

Результаты показали, что мочевина и уксусная кислота оказали сильное положительное влияние на показатели UCS (примерно на 50% сильнее), тогда как человеческая слюна оказала незначительное влияние, а другие добавки и вовсе негативно повлияли на UCS. Однако было замечено, что MgCl₂ существенно изменил вязкоупругие свойства смеси после клейстеризации (т. е. смесь была «более липкой», чем другие) и поэтому был включен для последующего исследования, наряду с мочевиной и уксусной кислотой.

После накопления значительного количества переменных процесса и параметров рецептуры был проведен статистический эксперимент окончательного скрининга (DSD от definitive screening design). Эксперимент DSD — это высокоэффективный способ быстрого просмотра переменных в сложной системе для определения, какие факторы и взаимодействия факторов являются значимыми и, следовательно, должны быть в центре внимания последующей оптимизации. В этом эксперименте были проверены десять входных переменных, а именно соотношение крахмала и реголита, эффективная концентрация крахмала, концентрация мочевины, концентрация MgCl₂, концентрация уксусной кислоты, температура клейстеризации, время клейстеризации, усилие сжатия, температура сушки и время сушки. Измеряемой выходной переменной (или откликом) была прочность на сжатие (UCS).

Всего было проведено 25 экспериментов, которые показали, что температура и время клейстеризации были очень важными факторами, диапазоны которых (70-90 °C и 10-60 минут соответственно) были установлены слишком низкими. Это означает, что влияние других факторов затмевается этими доминирующими эффектами, но значительно лучшие характеристики можно получить, просто увеличив температуру и время клейстеризации.

Дополнительный эксперимент с повышенной температурой и большим временем клейстеризации показал, что это приводит к увеличению UCS до 53.5 МПа. При этом наблюдалась линейная зависимость, т. е. чем выше температура и время, тем выше показатель UCS, но лишь до определенного момента. При температуре 120-180°C и времени в 120-180 минут наблюдалось термическое разложение мочевины с выделением аммиака и изоциановой кислоты, которая является ядовитым газом. Следовательно, желаемая температура клейстеризации не должна превышать 120 °C.

Также опыты показали, что после клейстеризации полученный материал может быть полностью обезвожен и регидратирован без какого-либо вредного воздействия на UCS.

Получив более четкое представление о соответствующих параметрах процесса, ученые провели опыт с целью картирования экспериментального пространства с помощью модели поверхности отклика (RSM от response surface model). Опыт состоял из 54 прогонов, сгруппированных в шесть блоков. По результатам опыта были сделаны следующие выводы:

• оптимальным оказалось соотношение крахмал-реголит около 4.5%;
• более низкая эффективная концентрация связующего (т. е. больше воды на этапе клейстеризации) увеличивает UCS;
• более высокая сила сжатия немного увеличивала UCS;
• более длительное время клейстеризации увеличивает UCS;
• меньшая степень регидратации увеличивает UCS;
• мочевина и уксусная кислота были вредны для UCS, тогда как MgCl₂ был полезен.

Максимальная прочность на сжатие, достигнутая в этом эксперименте, составила 71.10 МПа.

В ходе дальнейшей оптимизации процесса было решено удалить мочевину и уксусную кислоту, поскольку было обнаружено, что их включение имеет негативный эффект. Это позволило использовать более высокие температуры клейстеризации без риска образования ядовитого газа изоциановой кислоты при разложении мочевины.

Степень регидратации была зафиксирована на уровне 5 %, поскольку более низкое значение (меньше 4 %) оказалось недостаточным и привело к получению материалов с плохими механическими свойствами.


Таблица №3

После оптимизации процедуры изготовления и состава было произведено и протестировано еще пять повторений для оценки воспроизводимости системы (изображение №3 и таблица №3).


Изображение №3

Среднее значение UCS для этих повторов составляло 71.95 ± 1.45 МПа. Следовательно, повторяемость вышеописанного процесса (и состава материала) сохраняется на высоком уровне, а какие-либо скрытые параметры, влияющие на результат, отсутствуют.

Затем вышеописанный процесс протестировали с применением лунного реголита (LHS-1), что дало в результате удивительно высокое значение UCS 91.68 ± 2.69 МПа. Как отмечают ученые, учитывая, что система была специально оптимизирована для MGS-1 (марсианский реголит), такое высокое значение для LHS-1 было неожиданным. Это увеличение UCS было связано с тем, что размер частиц, форма, распределение и химический состав LHS-1 лучше подходят, чем MGS-1, для ERB, что подтверждает наблюдения, сделанные в нашем предыдущем исследовании.

Также были проведены испытания марсианского и лунного StarCrete для определения прочности на изгиб и модуля упругости (3b). Образцы (55×55×12 мм) были изготовлены в соответствии с оптимизированной процедурой, установленной ранее. Результаты показали, что MGS-1 образцы имели прочность на изгиб 8.41 ± 0.60 МПа и модуль упругости 658.4 ± 43.7 МПа, тогда как LHS-1 образцы были слабее с прочностью на изгиб 2.14 ± 0.22 МПа и модулем упругости 137.3 ± 37.7 МПа. Для сравнения, обычный бетон имеет прочность на изгиб от 2.5 до 4.5 МПа.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые продемонстрировали новый тип строительного материала — бетон, сделанный на основе реголита и крахмала. Полученный материал оказался весьма прочным, что крайне полезно для любого строительства. Однако именно его состав обладает особой важностью, если стройка происходит на Луне или Марсе.

Дабы создать колонию людей, к примеру, на Марсе, необходимо в первую очередь удовлетворить основные потребности человека — вода, еда, сон и кров (еще, конечно, стоит сюда причислить и воздух). Если же учесть, что транспортировка всего этого с Земли на Марс будет стоить уйму денег и займет много времени, но необходимо придумывать методы местного производства. Второй важный аспект колонизации Марса — условия обитания, которые разительно отличаются от тех, что есть на Земле. Следовательно, постройки должны обеспечивать защиту колонистам от радиации и метеоритов.

Авторы рассмотренного нами сегодня труда предложили совместить собирательство, фермерство и строительство. Дело в том, что выращивание картофеля, риса или кукурузы не только позволит обеспечить колонистов пищей, но и может быть источником важного компонента для синтеза стройматериалов — крахмала. Второй важный компонент — реголит — имеется в избытке на поверхности Марса (или Луны). Объединяя эти компоненты можно получить StarCrete — бетон, прочность на сжатие которого достигает более 70 Мпа.

Некоторые энтузиасты очень торопятся с колонизацией Марса или Луны, но до полноценной реализации столь амбициозного плана еще далеко, ведь необходимо учесть множество важных факторов, игнорирование которых может привести к печальным последствиям для колонистов.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?