Ученые Лаборатории ядерных технологий Института наукоёмких технологий и передовых материалов ДВФУ разработали метод получения материалов, пригодных для строительства баз на Луне

Сотрудники Лаборатории ядерных технологий Института наукоемких технологий и передовых материалов Дальневосточного федерального университета (ИТПМ ДВФУ) совместно с коллегами из Дальневосточного геологического института Дальневосточного отделения Российской академии наук (ДВГИ ДВО РАН) разработали метод получения из лунного грунта высокопрочных керамических материалов, которые можно будет использовать для строительства баз на Луне. Основой для исследования стали вулканические породы – андезибазальты, схожие по составу с лунными породами. Разработанная технология позволит при строительстве на Луне использовать местный материал, что сократит потребность в доставке с Земли объемного груза.

Лаборатория ядерных технологий ИТПМ ДВФУ

Результаты работы опубликованы в научном журнале Construction and Building Materials: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0950061824026953?dgcid=coauthor .Метод предусматривает использовании ресурсов на месте (англ.: in-situ resource utilization, ISRU) и применении электроимпульсного плазменного спекания (ЭИПС, англ.: spark plasma sintering, SPS) для создания высокопрочных керамических материалов. Для имитации лунного грунта в работе ученые использовали андезибазальты с приморского вулкана Барановский и камчатского вулкана Горелый.

Концепция ISRU становится ключевой в планировании будущих космических миссий и долгосрочной стратегии освоения космоса. Она охватывает широкий спектр процессов, включая добычу воды, производство кислорода, создание строительных материалов и даже синтез топлива из лунных источников. Такой подход позволяет существенно оптимизировать логистику и ресурсоемкость космических экспедиций. Применение концепции ISRU в лунных миссиях значительно снизит их стоимости и сложность за счет уменьшения объема груза, который необходимо доставлять с Земли. Это важно для реализации долгосрочных проектов – для создания и поддержания жизнеспособности постоянных лунных баз. Более того, развитие технологий ISRU стимулирует прогресс в смежных областях науки и техники, способствуя появлению инновационных решений, которые могут найти применение не только в космосе, но и на Земле.

Макет лунохода в Музее вулканологии, Петропавловск-Камчатский

Использование земных аналогов сыпучего лунного грунта – реголита – открывает широкие перспективы для проведения экспериментов и разработки технологий, необходимых для будущих лунных миссий. Подлинный реголит – редкий и чрезвычайно ценный ресурс, доступ к его образцам ограничен. Ученые Лаборатории ядерных технологий ИТПМ ДВФУ предположили, что вулканические породы могут выступать аналогом реголита при проведении исследований, и их использование позволит разрабатывать методы добычи кислорода из реголита, создавать строительные материалы и другие технологии ISRU, которые будут критически важны для будущих лунных миссий и постоянного присутствия человека на Луне.

Кратер на вершине вулкана Горелый

Олег Шичалин, кандидат химических наук, ведущий автор исследования:

– Получить для работы образцы лунного реголита – невероятно сложно, это действительно очень редкий и ценный материал. Поэтому мы решили попробовать работать с его аналогами и целенаправленно выбрали породы с вулканов Горелый и Барановский, я сам слетал на Камчатку, поднялся на вулкан и собрал образцы пород. Эти вулканы доступны для сбора образцов и имеют схожий состав лав (андезито-базальтовый), их химический и минеральный состав поразительно близок к лунному грунту, что позволило нам с высокой точностью воссоздать процесс создания строительных материалов в лунных условиях.

Олег Шичалин, кандидат химических наук, ведущий исследователь проекта, во время восхождения на вулкан Горелый

Инновационность разработанного подхода заключается в применении метода электроимпульсного плазменного спекания порошков, полученных из этих вулканических пород. Результаты оказались лучше прогнозируемых: синтезированные керамические материалы продемонстрировали отличные физико-механические свойства и устойчивость к высоким температурам и радиации. Следует отметить, что полученные результаты сопоставимы с характеристиками высокопрочных конструкционных материалов, широко применяемых в земных условиях.

Исследователи установили, что ключевую роль в формировании оптимальной микроструктуры и свойств керамики играет скорость нагрева при спекании.

– Высокая скорость нагрева приводит к более интенсивной консолидации материала и позволяет получить более плотную и прочную керамику, что важно для строительства в экстремальных лунных условиях. Мы показали, что технология ЭИПС в сочетании с концепцией ISRU может стать одним из возможных путей к масштабному строительству на Луне. Это открывает новые горизонты для международных проектов, таких как планируемая Россией и Китаем Международная лунная научная станция, – пояснил Антон Белов, кандидат химических наук, один из участников проекта.

Кандидат химических наук Олег Шичалин проводит эксперимент на установке электроимпульсного плазменного спекания

Исследователи отмечают, что принцип электроимпульсного плазменного спекания универсален и может применяться для работы с различными типами порошкообразных материалов. Ключевое преимущество подхода, разработанного учеными ИТПМ ДВФУ, заключается в разработке самой технологии спекания, которая, будучи более устойчивой к экстремальным условиям, может быть адаптирована к специфическим свойствам лунного реголита и применяться непосредственно на Луне. Это позволит в будущем эффективно использовать местные лунные ресурсы для строительства и производства на поверхности Луны.

Подобные исследования являются важным шагом на пути к реализации амбициозной цели человечества – созданию постоянной базы на нашем естественном спутнике. Они приближают эру устойчивого присутствия человека за пределами Земли, открывая новые горизонты в освоении космического пространства.

Олег Шичалин также рассказал, что лунное строительство – не единственное возможное применение нового материала:

– Материалы, полученные методом электроимпульсного плазменного спекания из вулканических пород или аналогов лунного реголита, имеют широкий спектр потенциальных применений. Строительство – для создания высокопрочных и термостойких строительных блоков, плит или других конструкционных элементов. Аэрокосмическая промышленность – например, для производства теплозащитных экранов космических аппаратов или деталей двигателей, устойчивых к высоким температурам. Полученный из вулканических пород материал можно применять также в энергетике, как компонент солнечных батарей, для решения задач экологии – как фильтр для очистки воды или воздуха, – в металлургии, электронике, для производства катализаторов и абразивных материалов.