Forskere kvantificerer den ideelle in situ-konstruktionsmetode for månehabitater

Efterhånden som måneudforskningsmissionen udvikler sig fra udforskning til konstruktion og udnyttelse, bliver in situ månekonstruktion et bydende krav. Nøglen er regoliths størkning og dannelse, der sigter mod at maksimere lokal ressourceudnyttelse og samtidig minimere transport- og vedligeholdelsesomkostninger.

Næsten 20 teknikker er blevet brugt til at fremstille regolit-baserede byggematerialer, hver med forskellige krav og egenskaber. Professor Feng fra Tsinghua University har udført en omfattende gennemgang, præcis klassificering og kvantitativ evaluering af regoliths størknings- og dannelsesteknikker, hvilket har kastet lys over nøgleudfordringer og fremtidige udviklingsretninger. Artiklen er publiceret i tidsskriftet Engineering .

Baseret på de tekniske mekanismer for binding og kohæsion mellem partikler, kan regolith størknings- og dannelsesteknologier kategoriseres i fire grupper:reaktionsstørkning (RS), sintring/smeltning (SM), bindingsstørkning (BS) og indeslutningsdannelse (CF) metoder . Specifikke teknikker er yderligere kategoriseret baseret på implementeringskrav, hvilket etablerer et robust teknologisk sammensætningssystem. Denne forskning beskriver kvantitativt hver teknik, opsummerer processer og præstationsparametre.

Ved reaktionsstørkning bindes regolitpartikler sammen gennem reagerede forbindelser. Denne metode er afhængig af reaktionsmaterialer, der transporteres af raketter, hvor lokal regolit typisk udgør 60 % til 95 % af den samlede blanding.

Sintring/smeltning involverer at udsætte regolitten for højtemperaturbehandling, hvor in situ-forhold sædvanligvis når 100%. Dog kan opvarmningstemperaturer på over 1.000°C udgøre udfordringer med hensyn til energiforsyning og udstyrsdrift.

Alternativt anvender bindingsstørkning bindemidler til at klæbe partikler med et in situ-forhold på 65%-95%. Denne metode kræver lavere temperaturer og mindre tid til størkning. Indeslutningsdannelse anvender stof til at begrænse regolith, der danner regolithposekomponenter gennem overordnet indeslutning uden at etablere forbindelser mellem partikler. Med et in situ forhold på op til 99 % kræver denne metode relativt lave temperatur- og tidskrav, mens de dannede komponenter udviser trækfordel, men kan mangle tilstrækkelig trykstyrke.

I jagten på omkostningseffektive og højtydende materialer til månekonstruktion står forskerne over for udfordringen med at minimere ressourceforbrug, energibehov og driftskompleksitet og samtidig sikre pålidelighed i månemiljøet. For at løse dette introducerer forskerholdet 8IMEM-kvantificeringsmetoden, der omfatter otte evalueringsindikatorer og scoringstærskler skræddersyet til byggebehov.

Ifølge evalueringsresultaterne fremstår regolith-bagning som den højest vurderede teknik, der kræver lavere materiale-, udstyrs- og energikrav og muliggør hurtig dannelse af store komponenter. Det giver lovende udsigter for storstilet in situ månekonstruktion.

Sintrings-/smelteteknikker rangerer konsekvent højt, mens støbeteknikker udviser enestående hærdningsstyrke, hvilket gør dem velegnede til fremstilling af kritiske komponenter. Solsmeltningsteknikker udnytter direkte solenergi, hvilket gør dem ideelle til byggeri med lavt energiforbrug.

For at tilpasse sig månens konstruktionsforhold og de langsigtede mål for de internationale måneforskningsstationer er der udtænkt en omfattende fire-trinsplan:Laboratorium, Forskningsstation, Residence og Habitat. Hver etape har specifikke funktioner og særskilte konstruktionsmål, der sikrer en progressiv og bæredygtig udvikling af månens infrastruktur.

Laboratoriefasen understøtter primært ubemandede forskningsprojekter, mens Forskningsstationsfasen rummer astronauter til midlertidige videnskabelige forskningsmissioner. Residence-scenen er designet til at opfylde alle arbejds- og livskrav for astronauter på månen, der ligner en rumstation i funktionalitet. Endelig er Habitat-stadiet forestillet som et selvbærende levested for menneskeliv og en relæstation for udforskning af det dybe rum.

For at nå konstruktionsmålene for hver fase analyserede forskerholdet yderligere de strukturelle konstruktionsmål. Baseret på kvantitative evalueringer foreslog de regolith bag-teknologi som en løsning til månebasekonstruktion.

Ved at udnytte den indsigt, der er afledt af denne omfattende evaluering, kan forskere træffe informerede beslutninger om materialeforberedelsesteknikker, hvilket baner vejen for optimerede månekonstruktionsbestræbelser. Derudover er det foreslåede månehabitatdesign baseret på regolithposer en praktisk reference til fremtidig forskning.

Flere oplysninger: Charun Bao et al., Lunar In Situ Large-Scale Construction:Quantitative Evaluation of Regolith Solidification Techniques, Engineering (2024). DOI:10.1016/j.eng.2024.03.004

Leveret af Engineering Journal