Исследователи моделируют и тестируют грунтовые условия на Луне
С 1967 по 1972 год NASA провела серию миссий на Луну. На Землю было доставлено почти 400 кг образцов грунта. Норвежский геотехнический институт (NGI) использует КТ-сканы 10 000 лунных частиц с экспедиций «Аполлон», чтобы изучить поведение лунного грунта при будущем строительстве.
В рамках предстоящих миссий «Артемида» NASA планирует снова отправить людей на Луну. Астронавты смогут работать и жить там продолжительное время. Но как построить обитаемую базу? Какие нагрузки выдержит лунный грунт? Как ведут себя материалы, например, частица реголита, в лунных условиях?
«Селенотехника — аналог геотехники на Земле — изучает поведение лунных грунтов (реголита). Понимание их фундаментальных свойств, таких как прочность и форма зерен, критически важно для получения реалистичных знаний о грунтовых условиях на Луне. В NGI мы создаем обновленную базу знаний об этих свойствах», — говорит Дилан Майкселл, старший геофизик и главный исследователь.
Эта база знаний будет важна для подготовки будущих миссий и для организаций, которые будут строить инфраструктуру или доставлять оборудование, например, луноходы.
Лунная пыль и экстремальные температуры
Когда Нил Армстронг ступил на Луну 21 июля 1969 года, он мало что знал о том, что его ждет. Он обнаружил ландшафт, покрытый реголитом. Этот грунт, смесь пыли, более крупных частиц и фрагментов, может достигать толщины 10 метров. На Луне нет атмосферы, а гравитация очень низкая по сравнению с Землей. Вода присутствует в основном в виде льда, замерзшего между частицами грунта.
Без ветра и воды, которые стачивают острые края на Земле, частицы лунного грунта могут быть острыми как бритва и опасными для оборудования, включая скафандры. Температурные перепады на Луне экстремальны: от минус 130°C до более 120°C. Солнечная радиация может быть в 200 раз выше, чем на поверхности Земли, а частицы из космоса беспрепятственно падают на поверхность, так как у Луны нет защитного магнитного поля.
Еще одно отличие: на Луне статическое электричество помогает удерживать частицы грунта вместе, тогда как на Земле эту роль играет вода. Это влияет на прочность грунта.
Моделирование условий Луны
«Мы не можем отправиться на Луну в качестве лунных геотехников. Однако в NGI у нас есть передовые методы испытаний грунтовых условий на Земле. Мы используем их как отправную точку для анализа условий на Луне», — говорит Люк Гриффитс, старший исследователь NGI.
10 000 частиц с экспедиций «Аполлон» были отсканированы на КТ, и данные отправлены в NGI. Частицы извлекаются из сканов для создания каталога 3D-зерен. Затем компьютерные модели калибруются с помощью лабораторных испытаний NGI для Земли. Но как воссоздать особые условия Луны, например, пониженную гравитацию?
«Снижая настройки приборов в лаборатории до минимума, мы можем имитировать условия на глубине пяти метров под поверхностью Луны. Однако мы не можем опустить настройки настолько, чтобы сымитировать саму поверхность. Тогда приборы останавливаются. Этот пробел в знаниях необходимо заполнять с помощью компьютерного моделирования. Это единственный способ, пока мы не начнем проводить эксперименты на Луне», — говорит Алекс Х. Хервс, постдокторант NGI.
Использование местных ресурсов (ISRU)
Если люди будут долго жить и работать на Луне, будет невозможно транспортировать все жизненно важные ресурсы, такие как вода и энергия, с Земли.
Поэтому важно знание о ресурсах, найденных на Луне, и о том, как их лучше использовать — так называемое использование местных ресурсов (In Situ Resource Utilization, ISRU). Например, как использовать солнце в качестве источника энергии? Что мы знаем о ландшафте Луны и металлах/минералах в реголите? Где нужны новые знания?
«В своей стратегии до 2030 года Европейское космическое агентство призывает европейские научные сообщества и промышленность взять на себя ведущую роль в разработке важных технологий ISRU. По поручению Норвежского космического агентства NGI провела картирование экспертизы в области ISRU, которой норвежские организации могут способствовать и развивать — как в исследованиях и разработках, так и коммерчески», — говорит Шон Салазар, старший исследователь NGI.
Исследование показало, что Норвегия обладает обширным опытом в сборе, обработке и хранении природных ресурсов в энергетике и горнодобывающей промышленности, а также специализированным вкладом в нескольких технологических областях — от сенсоров для разведки до разработки энергетических реакторов и запуска спутников.
«Норвегия находится в отличном положении, чтобы внести вклад в будущее развитие методов максимального использования ресурсов Луны», — говорит Салазар.