Стройматериалы для защиты лунных баз от космической радиации разработали на Дальнем Востоке

Технологию создания строительных материалов для защиты будущих лунных баз от космической радиации разработали исследователи из Института наукоемких технологий и передовых материалов Дальневосточного федерального университета (ИТПМ ДВФУ). Метод прост и эффективен — спекание лунного реголита с соединениями бора. В настоящее время инновация проходит испытания на прочность на научном реакторе в Томске.

Одна из проблем, поджидающая космонавтов во время долговременных миссий на Луне, — космическая радиация, опасная как для людей, так и для оборудования. Особую угрозу для колонистов на спутнике Земли несут нейтроны — элементарные частицы, выделяющиеся в результате взаимодействия космических лучей с лунным грунтом.

Решение непростой задачи представили исследователи с Дальнего Востока. Для строительства лунных баз ученые предлагают использовать лунный реголит с добавлением соединений бора — веществ, с высокой эффективностью поглощающих нейтронное излучение и обладающих другими полезными свойствами.

«Для усиления реголита планируется использовать высокоплотные соединения бора: карбиды (B₄C), нитриды (BN) и гексаборид лантана (LaB₆), выбранные за их исключительную радиационную стойкость, термическую стабильность и отсутствие вторичного облучения. B₄C эффективно поглощает нейтроны и обладает высокой твердостью, BN отличается химической инертностью и теплоизоляционными свойствами, а LaB₆ устойчив к термическому разрушению, что делает эти материалы идеальными для защиты лунных конструкций от космического излучения и микрометеоритов», — рассказал корреспонденту «Научной России» ведущий автор исследования, сотрудник лаборатории ядерных технологий ИТПМ ДВФУ, кандидат химических наук Олег Олегович Шичалин.

С помощью искрового плазменного спекания (англ. Spark plasma sintering, SPS) из перечисленных «ингредиентов» можно получить керамические материалы, способные снизить уровень облучения во внутренних помещениях космических колоний.

Ведущий автор исследования О.О. Шичалин проводит эксперимент на установке электроимпульсного плазменного спекания.

Фото предоставлено пресс-службой ДВФУ

«Метод искрового плазменного спекания — это своеобразная “мгновенная печь будущего” для создания сверхпрочных материалов. Представьте, что вы берете порошок лунного грунта (реголит) и добавки вроде карбида бора, засыпаете в форму, а затем пропускаете через эту смесь мощные короткие импульсы электрического тока под давлением, — объяснил О.О. Шичалин. — Электрические разряды создают между частицами микромолнии, которые за считанные минуты разогревают материал до 1000–2000°C, буквально “спаивая” частицы на атомном уровне. Одновременно пресс, как гигантский кулак, сжимает смесь, не давая ей рассыпаться. В результате вместо рыхлого порошка получается плотная, почти бездефектная керамика или металлокерамика — готовая плита для лунного строительства».

О.О. Шичалин назвал три важных преимущества новой технологии: быстроту (спекание за 5–15 минут против нескольких часов в обычной печи), экономию энергии (электричество уходит на нагревание материала, а не всей печи) и качество (в отличие от традиционного обжига, метод позволяет изготавливать керамику без пор и трещин).

«Россия обладает всеми ключевыми технологиями для реализации лунных строительных проектов, — подчеркнул О.О. Шичалин. — Во-первых, в нашей стране разрабатываются ракеты нужной грузоподъемности —например, “Ангара-А5В” (для доставки до 37 тонн полезной нагрузки на низкую околоземную орбиту (НОО)) или “Енисей” (с грузоподъемностью около 100 тонн на НОО). Они позволят транспортировать на Луну оборудование для искрового плазменного спекания и другие строительные модули. Во-вторых, Россия располагает технологиями компактных атомных энергоустановок (таких как термоэмиссионная энергетическая установка “Топаз”) — это идеальный источник энергии для SPS-установки на лунной базе».

Так как доступ к «натуральному» лунному грунту ограничен, для экспериментов ученые в том числе используют близкие к нему по составу вулканические породы (на фото — пробы с вулкана Горелый).

Фото: Олег Шичалин / предоставлено пресс-службой ДВФУ

Использование местной породы в создании лунных построек позволит частично сэкономить затраты на доставку грузов с Земли. Кроме того, возможность производить стройматериалы «на месте» повысит безопасность длительной работы на Луне.

В настоящее время новые материалы проходят «проверку на прочность» на исследовательском реакторе ИРТ-1 в Томске, где моделируются условия, близкие к лунным. В частности, установка позволяет воспроизвести воздействие на керамику солнечной и галактической радиации.

«Предыдущие космические миссии планировались в периоды низкой солнечной активности, когда уровень космического излучения был менее интенсивным, что указывает на необходимость разработки более эффективных методов радиационной защиты для будущих длительных миссий, таких как полеты на Марс или другие планеты, особенно в условиях высокой солнечной активности или за пределами магнитосферы Земли. Эти эксперименты помогают изучить возможности защиты космонавтов в условиях, приближенных к реальным межпланетным полетам», — сказал О.О. Шичалин.

Эксперименты позволят определить, какая концентрация бора нужна для соблюдения наиболее эффективного баланса между защитой от излучения и прочностью конструкций. Помимо этого, испытания помогут оценить устойчивость новых материалов к экстремальным скачкам температуры (от -250°C до +250°C).

«Керамический материал на основе лунного реголита с добавлением бора обладает выдающимися физико-механическими свойствами, что делает его одним из наиболее перспективных вариантов для строительства долговременных лунных баз. Однако в условиях постоянного воздействия космической радиации, микрометеоритной бомбардировки и экстремальных термических перепадов даже этот прочный материал со временем будет подвергаться постепенной деградации, — пояснил О.О. Шичалин. — Именно для изучения этих процессов и поиска эффективных решений на исследовательском реакторе в Томске проводятся комплексные длительные эксперименты по моделированию воздействия космического излучения на различные композитные материалы, включая керамику на основе реголита. Эти исследования крайне важны, но требуют значительного времени, так как необходимо не только воспроизвести условия космического воздействия, но и отследить долговременные изменения свойств материалов, разработать эффективные методы защиты (такие как оптимизация состава, легирование, нанесение специальных покрытий) и создать системы мониторинга состояния конструкций. Полученные данные позволят создать действительно надежные материалы, способные сохранять свои свойства в течение десятилетий эксплуатации в экстремальных лунных условиях, хотя определенное постепенное изменение характеристик под воздействием космических факторов все равно неизбежно».

В отдаленной перспективе новую технологию «запекания» стройматериалов нужно будет испытать непосредственно на Луне.

Подготовка имитатора лунного грунта к измерениям.

Фото: Олег Шичалин / предоставлено пресс-службой ДВФУ

Так как доступ к «натуральному» лунному грунту ограничен, для экспериментов ученые используют не только образцы реголита, но и близкие к нему по химическому и минеральному составу вулканические породы Камчатки и Приморского края.

«Трудности, с которыми мы сталкиваемся, типичны для инициативных научных проектов такого уровня, — отметил О.О. Шичалин. — Основные сложности связаны с ограниченным доступом к лунному реголиту (приходится использовать его аналоги или минимальные образцы), необходимостью сотрудничества с внешними организациями, такими как томский реактор ИРТ-1 (что требует дополнительных согласований), и дефицитом финансирования — работа ведется параллельно основной нагрузке, а гранты покрывают лишь часть затрат. Однако эти барьеры постепенно преодолеваются за счет сетевого взаимодействия (объединения ресурсов нескольких университетов), поиска альтернативных решений (например, моделирования реголита) и постепенного накопления данных, уже сейчас привлекающих внимание более крупных “игроков”. Главное, что даже в таких условиях удается двигаться вперед и подтверждать ключевые гипотезы. В будущем это поможет вывести проект на новый уровень при поддержке государственных или корпоративных программ».

Текущее исследование — не единственный проект ДВФУ, посвященный освоению спутника Земли. Например, ранее исследователи определили важное условие повышения прочности стройматериалов, получаемых из лунного реголита путем искрового плазменного спекания, — высокую скорость нагрева при обработке.

«Это инициативное исследование, выполняемое в рамках небольших грантовых программ университета, но при этом оно органично встраивается в более широкий контекст перспективных работ по лунному строительству, — поделился О.О. Шичалин. — Хотя масштаб текущих экспериментов ограничен бюджетом, их результаты формируют критически важный научный задел — они позволяют проверить ключевые гипотезы по радиационной стойкости материалов без дорогостоящих космических испытаний. Фактически, это “точечная” проработка конкретных технологических узлов (вроде состава керамики или режимов спекания), которая в будущем может быть масштабирована в рамках крупных федеральных программ по освоению Луны после выделения соответствующих ресурсов. Таким образом, даже скромное по финансированию университетское исследование выполняет стратегическую роль, снижая риски для последующих этапов проекта».

Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ

Фото на превью: предоставлено пресс-службой ДВФУ

Фото на странице: предоставлены пресс-службой ДВФУ, Олег Шичалин / предоставлены пресс-службой ДВФУ.