När månutforskningsuppdraget utvecklas från utforskning till konstruktion och användning, blir in situ månkonstruktion ett absolut krav. Nyckeln är stelning och bildning av regolit, som syftar till att maximera lokalt resursutnyttjande samtidigt som transport- och underhållskostnader minimeras.
Nästan 20 tekniker har använts för att förbereda regolitbaserade konstruktionsmaterial, var och en med distinkta krav och möjligheter. Professor Feng från Tsinghua University har genomfört en omfattande granskning, exakt klassificering och kvantitativ utvärdering av regolitstelnande och -bildningstekniker, vilket belyser viktiga utmaningar och framtida utvecklingsriktningar. Uppsatsen publiceras i tidskriften Engineering .
Baserat på de tekniska mekanismerna för bindning och kohesion mellan partiklar, kan regolitstelnings- och formningsteknologier kategoriseras i fyra grupper:reaktionsstelning (RS), sintring/smältning (SM), bindningsstelning (BS) och instängningsformning (CF) metoder . Specifika tekniker kategoriseras vidare baserat på implementeringskrav, vilket skapar ett robust tekniskt sammansättningssystem. Denna forskning beskriver kvantitativt varje teknik, och sammanfattar processer och prestandaparametrar.
Vid reaktionsstelning binds regolitpartiklar samman genom reagerade föreningar. Denna metod bygger på reaktionsmaterial som transporteras av raketer, med lokal regolit som vanligtvis utgör 60 % till 95 % av den totala blandningen.
Sintring/smältning innebär att regoliten utsätts för högtemperaturbehandling, med in situ-förhållanden som vanligtvis når 100 %. Uppvärmningstemperaturer över 1 000°C kan dock innebära utmaningar när det gäller energiförsörjning och drift av utrustning.
Alternativt använder bindemedel stelning bindemedel för att vidhäfta partiklar, med ett förhållande in situ på 65 %–95 %. Denna metod kräver lägre temperaturer och kortare tid för stelning. Inneslutningsbildning använder tyg för att begränsa regolit, och bildar regolitpåskomponenter genom övergripande inneslutning utan att upprätta kopplingar mellan partiklar. Med ett in situ-förhållande på upp till 99 % kräver denna metod relativt låga temperatur- och tidskrav, medan de formade komponenterna uppvisar dragfördelar men kan sakna tillräcklig tryckhållfasthet.
I jakten på kostnadseffektiva och högpresterande material för månkonstruktion står forskare inför utmaningen att minimera resursförbrukning, energibehov och driftskomplexitet samtidigt som de säkerställer tillförlitlighet i månmiljön. För att ta itu med detta introducerar forskargruppen kvantifieringsmetoden 8IMEM, som omfattar åtta utvärderingsindikatorer och poängtrösklar skräddarsydda för byggbehov.
Enligt utvärderingsresultaten framstår regolithpåsning som den högst rankade tekniken, som kräver lägre material-, utrustnings- och energikrav och möjliggör snabb bildning av stora komponenter. Det erbjuder lovande utsikter för storskalig in situ månkonstruktion.
Sintrings-/smältningstekniker rankas konsekvent högt, medan gjuttekniker uppvisar exceptionell härdningshållfasthet, vilket gör dem lämpliga för tillverkning av kritiska komponenter. Solsmältningstekniker utnyttjar solenergi direkt, vilket gör dem idealiska för konstruktioner med låg energiförbrukning.
För att anpassa sig till månens konstruktionsförhållanden och de långsiktiga målen för de internationella månforskningsstationerna har en omfattande plan i fyra steg utarbetats:Laboratorium, Forskningsstation, Residence och Habitat. Varje etapp har specifika funktioner och distinkta konstruktionsmål, vilket säkerställer en progressiv och hållbar utveckling av månens infrastruktur.
Laboratoriestadiet stödjer i första hand obemannade forskningsprojekt, medan forskningsstationsstadiet rymmer astronauter för tillfälliga vetenskapliga forskningsuppdrag. Residence-scenen är designad för att möta alla arbets- och livskrav för astronauter på månen, som liknar en rymdstation i funktionalitet. Slutligen är Habitat-stadiet tänkt som en självförsörjande livsmiljö för mänskligt liv och en relästation för utforskning av rymden på djupet.
För att uppnå konstruktionsmålen för varje etapp analyserade forskargruppen vidare de strukturella konstruktionsmålen. Baserat på kvantitativa utvärderingar föreslog de regolith bag-teknologi som en lösning för månbaskonstruktion.
Genom att utnyttja de insikter som härrör från denna omfattande utvärdering kan forskare fatta välgrundade beslut om materialberedningstekniker, vilket banar väg för optimerade månkonstruktionssträvanden. Dessutom är den föreslagna månhabitatdesignen baserad på regolitpåsar en praktisk referens för framtida forskning.
Mer information: Charun Bao et al, Lunar In Situ Storskalig konstruktion:Kvantitativ utvärdering av Regolith Solidification Techniques, Engineering (2024). DOI:10.1016/j.eng.2024.03.004
Tillhandahålls av Engineering Journal
