Когда в рамках программы «Аполлон» первые астронавты ступили на Луну, концепция лунных баз перестала быть предметом научной фантастики и стала предметом научного изучения. Поскольку несколько космических агентств планируют отправить экипажи на Луну в ближайшее десятилетие, эти планы снова стали предметом научного интереса. Структуры, которые позволят реализовать «устойчивую программу лунных исследований и разработок», являются долгосрочной целью программы НАСА «Артемида». Китай и ЕКА имеют аналогичные планы в отношении Международной лунной исследовательской станции (ILRS) и Лунной деревни.

Чтобы ограничить количество материалов, которые необходимо будет везти на Луну, и уменьшить зависимость от Земли, эти планы будут включать местные ресурсы для строительных материалов и ресурсов – эта схема называется in-situ resource utilization (ISRU). В недавнем исследовании учёные из Польши и Великобритании предложили путь развития лунной среды обитания, который начинается с купола, построенного с использованием геополимера на основе реголита. Этот купол будет окружать кратер диаметром 17 метров в районе Моря Спокойствия, в котором разместятся все необходимые здания для лунной базы.

Исследование проводилось под руководством Магдалены Мрожек, научного сотрудника факультета гражданского строительства Силезского технологического университета в Гливице, Польша. К ней присоединились Давид Мрозек и Матеуш Смолана, также работающие в Силезском технологическом университете, и Лорна Ангилано, старший научный сотрудник Лондонского университета Брунеля и помощник директора Центра Wolfson по разработке и обработке экологически чистых материалов. Статья, в которой описываются полученные результаты, недавно появилась в журнале Scientific Reports.

Концепция, изложенная в статье, представляет собой упрощённую концепцию лунной базы, которая будет использовать ISRU и производство геополимеров на месте. Место расположения базы также имеет ряд преимуществ, не последним из которых является защита от ударов метеороидов и образующихся при этом выбросов. Также была выбрана область Моря, которая ниже по высоте, чем горная местность, и имеет более высокую плотность кратеров. Кроме того, регион Моря Спокойствия вблизи места посадки «Аполлона-11» был выбран из-за данных об образцах лунных камней, привезённых астронавтами «Аполлона-12». Как рассказал Мрозек:

Концепция использования кратера для строительства имеет большое экономическое значение, поскольку позволяет уменьшить объём необходимых конструкционных материалов, сосредоточившись исключительно на создании покрытия. На этапе нашего исследования, представленного в этой статье, конкретное местоположение кратера не было главным. Мы выбрали кратер с размерами, подходящими для нашего проекта, расположенный в регионе, где температурный диапазон способствует производству геополимеров без необходимости использования дополнительной энергии.

Авторы проанализировали концепцию крышки для своего гипотетического лунного кратера, диаметр которого составляет 17 метров, а глубина — 6 метров. Это соответствует кратерам в районе Моря Спокойствия, которые в среднем имеют размеры 20 на 8 метров. Следующим шагом было проведение численного анализа для определения подходящих размеров и форм лунной конструкции, которая могла бы выдержать передачу нагрузки и поддерживать внутри атмосферное давление, подобное земному (1013,25 миллибар или 1 бар). Следующим шагом был выбор строительных материалов, которые могли бы выдержать внутреннее распределение напряжений и которые можно было бы изготовить с использованием местных ресурсов.

В итоге были выбраны геополимеры (ГП) на основе лунного реголита, которые состоят из синтетических неорганических мономеров, в основном из алюминия и кремния, и имеют механические свойства, аналогичные цементному бетону. Это выгодно, учитывая, что лунный реголит содержит в среднем 45 % оксида кремния (SiO) по весу. Созданный геополимер состоял из раствора гидроксида натрия (NaOH), силикатного натриевого стекла (NaO x nSiO x nHO) и симулятора лунного реголита LHS-1 производства Exolith Lab.

«Создавать строительные материалы из оригинального лунного реголита не получится, поэтому необходимо было использовать один из доступных на рынке симуляторов лунного реголита, — говорит Мрожек. — Мы выбрали LHS, производимый компанией Space Resource Technologies. Используя этот материал, мы разработали геополимер, который впоследствии был испытан для получения параметров прочности, которые были введены в численную модель. Силы, действующие на лунную конструкцию, значительно отличаются от земных, поэтому нам пришлось отказаться от некоторых методик, применяемых на Земле, и рассмотреть проблему с новой точки зрения».

Условия затвердевания образцов были подобраны таким образом, чтобы имитировать лунные условия в районе Моря Спокойствия. Хотя там температура колеблется от 120 °C в течение лунного дня до -180 °C в течение лунной ночи, она не опускается ниже 60 °C в течение семи земных дней, что вполне приемлемо для процесса геополимеризации. Исходя из этих соображений, команда отверждала образцы в термовакуумной камере при температуре 60 °C и давлении 50 гПа (50 миллибар), что соответствует почти вакуумным условиям на Луне.

После полного отверждения в течение 28 дней материалы были подвергнуты испытаниям на изгиб и сжатие и проанализированы с помощью электронной микроскопии и дифракции рентгеновских лучей. Эти испытания показали, что геополимер на основе реголита обладает прочностью и эластичностью, сравнимыми с кладочным цементно-песчаным кальций-силикатом. Геополимер и выбранная ими конструкция вполне могут позволить строить лунные базы в кратерных районах маревых месторождений, тем самым реализуя одну из ключевых целей программы НАСА «Артемида». Мрозек сказал:

Мы — инженеры-строители, поэтому наша статья посвящена именно этой области исследований. Однако в настоящее время мы сотрудничаем с целым рядом специалистов из разных стран по таким дисциплинам, как архитектура, физика, геология и химия. В настоящее время мы занимаемся подготовкой к началу реализации проекта лунной базы, который будет значительно сложнее и детальнее.