Исследователи из Университета Пердью разработали способ изготовления сверхлегкого теплоизоляционного материала из лунной пыли и целлюлозы. В качестве сырья предлагается использовать реголит и волокна из бумажных отходов, которые можно перерабатывать непосредственно на Луне. Такая технология в перспективе поможет сократить поставки строительных материалов с Земли и защитить будущие лунные поселения от экстремальных температур.

Строительный материал из местных ресурсов

Одна из главных задач при создании постоянных баз на Луне — максимально сократить зависимость от поставок с Земли. Доставка каждого дополнительного килограмма груза требует значительных ресурсов, поэтому исследователи ищут способы использовать материалы, уже доступные на поверхности спутника.

Команда Университета Пердью под руководством профессора химии Александра Вэя предложила превратить лунный реголит в основу аэрогеля — чрезвычайно легкого материала с выраженными теплоизоляционными свойствами. Вторым компонентом стала целлюлоза, которую в будущем можно получать из переработанной бумаги и других отходов обитателей базы.

Для первых экспериментов ученые использовали имитатор лунного грунта и целлюлозу из измельченной бумаги. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Sustainable Chemistry & Engineering.

Идея вписывается в концепцию использования ресурсов непосредственно на месте (ISRU): вместо того чтобы доставлять с Земли все необходимое для строительства и обслуживания поселения, будущие колонисты смогут перерабатывать местное сырье и собственные отходы в полезные материалы.

Как из лунной пыли и бумаги получается аэрогель

Аэрогели отличаются крайне пористой структурой: до 99% их объема может приходиться на пустоты. Благодаря этому тепло проходит через материал значительно хуже, чем через плотные твердые вещества.

На Земле эти поры обычно заполнены воздухом, а в условиях Луны внутри них может находиться вакуум. Он практически не проводит тепло, что делает подобные материалы перспективными для защиты жилых и технических модулей от температурных перепадов.

В эксперименте исследователи смешивали имитатор реголита, целлюлозные волокна из бумажных отходов и воду. Смесь обрабатывали в планетарной мельнице с тяжелыми керамическими шарами. В результате целлюлоза расщеплялась на тонкие нитевидные волокна диаметром менее одного микрометра. Полученная нанофибриллированная целлюлоза увеличивает площадь поверхности материала и помогает укрепить его структуру.

Затем смесь замораживали, чтобы подготовить к удалению воды. Один из рассматриваемых способов — лиофилизация, или сублимационная сушка. В этом процессе замороженная вода переходит непосредственно из твердого состояния в пар, минуя жидкую фазу.

По мнению Вэя, такой метод может оказаться особенно удобным для производства на Луне. Там уже есть естественный вакуум, а ночные температуры опускаются ниже нуля. Кроме того, воду, удаленную при сушке, можно собирать и повторно использовать, создавая замкнутый производственный цикл.

Между теплоизоляцией и прочностью

Исследователи изготовили несколько вариантов аэрогеля с разным соотношением реголита и целлюлозы, чтобы определить, как состав влияет на свойства материала.

Эксперименты выявили компромисс между теплоизоляцией и механической прочностью. Образцы с меньшей долей целлюлозы обычно получались менее плотными и лучше удерживали тепло. Увеличение содержания реголита также желательно с практической точки зрения: на Луне его гораздо больше, чем любых привозных материалов.

Однако именно целлюлозные волокна помогают аэрогелю сохранять механическую целостность. Поэтому при увеличении их доли материал становится прочнее, но его теплоизоляционные характеристики меняются не в лучшую сторону.

В будущем исследователям предстоит найти оптимальный состав, который обеспечит достаточную прочность для практического применения и одновременно сохранит низкую теплопроводность.

До лунного строительства еще предстоит пройти путь

Разработка пока находится на экспериментальной стадии. Ученые работали с имитатором реголита и переработанной бумагой, а не производили материал непосредственно на Луне. Поэтому возможность полноценного изготовления аэрогеля в лунных условиях еще предстоит проверить.

Кроме того, будущий строительный материал должен выдерживать не только температурные перепады, но и механические нагрузки, воздействие радиации и другие особенности лунной среды. Само наличие подходящего сырья еще не гарантирует, что его переработка окажется достаточно простой и экономичной.

Тем не менее подход интересен тем, что объединяет сразу две идеи: использование местного грунта и повторное применение отходов. Если технологию удастся масштабировать, будущие лунные базы смогут производить часть необходимой теплоизоляции из материалов, которые иначе считались бы бесполезными. Это не решит всех проблем строительства за пределами Земли, но может сделать длительное присутствие человека на Луне менее зависимым от регулярных грузовых поставок.