루나크리트

Lunarcrete
실험실에서 정한 달 콘크리트[1][2] 특성
압축 강도 39~75.7 N/mm2(MPa)
영률 21.4 kN/m2
밀도 2.6 g/cm3
온도 계수 5.4 × 10−6 K−1

Lunarcrete는 Larry A가 처음 제안한 아이디어입니다.1985년 피츠버그 대학의 Beyer는 콘크리트와 유사한 달의 레골리스로 구성된 가설 건설 골재이다.[3] 달에서 건설하는 데 드는 건설 비용을 줄일 수 있습니다.AstroCrete는 화성에도 적용할 수 있는 보다 일반적인 개념이다.

재료

비교적 적은 양의 달 암석만이 지구로 운반되어 왔기 때문에 1988년 노스다코타 대학의 연구원들은 갈탄 석탄재를 [3]사용하여 그러한 물질의 건설을 시뮬레이션할 것을 제안했다.다른 연구자들은 JSC-1(1994년 개발, Toutanji 등에 의해 사용됨)[4]과 같이 이후에 개발된 달 레골리스 유사 물질을 사용했다.그러나 [2]실제 레골리스를 사용한 소규모 테스트는 실험실에서 수행되었습니다.

달 콘크리트의 기본 성분은 골재, 물, 시멘트 등 지상 콘크리트와 동일합니다.루나크리트의 경우, 골재는 루나 레골리스일 것이다.시멘트는 칼슘 함량이 높은 달암을 이용하여 제조될 것이다.물은 달에서 떨어진 곳에서 공급되거나, 달 [2]토양에서 생성된 수소와 산소를 결합하여 공급될 것이다.

린 등1986년 [5]아폴로 16호가 입수한 달 레골리스 시료 40g을 사용해 달 콘크리트를 생산했다.달 콘크리트는 건조한 골재/시멘트 혼합물에 증기를 사용하여 경화되었습니다.린은 이러한 증기를 위한 물을 800°C에서 수소와 달 일메나이트를 혼합하여 산화티타늄, 철, 물을 생산할 수 있다고 제안했다.75MPa의 압축압력을 견딜 수 있었고,[6] 진공에 반복적으로 노출되어도 그 강도의 20%만 손실되었습니다.

2008년 헌츠빌에 있는 앨라배마 대학의 하우스삼 투탄지와 마셜 우주 비행 센터의 리차드 그루겔은 유황(달 먼지에서 나오는 물질)을 결합제로 사용하여 물 없이 달 콘크리트를 만들 수 있는지 여부를 결정하기 위해 달 토양 유사제를 사용했습니다.이 황 콘크리트를 만드는 과정에서는 황을 130~140°C로 가열해야 했습니다.-27°C에서 실온까지 50주기의 온도 변화에 노출된 후, 달 [7]콘크리트는 17MPa의 압축 압력을 견딜 수 있는 것으로 확인되었으며, Toutanji와 Grugel은 물질이 실리카로 강화될 경우 20MPa까지 상승할 수 있다고 믿었다.

주조 및 제작

달 콘크리트의 산업적 규모의 생산이 [2]가능하려면 상당한 인프라가 갖춰져야 한다.

진공 상태에서 주조하려고 하면 단순히 물이 승화되고, 달 콘크리트가 경화되지 않기 때문에, 달 콘크리트는 가압된 환경이 필요합니다.이 문제에 대한 두 가지 해결책이 제안되었습니다. 골재와 시멘트를 미리 혼합한 다음 증기 주입 프로세스를 사용하여 물을 보충하거나, 또는 사전 주조 콘크리트 [2][8]블록을 생산하는 가압 콘크리트 제조 공장을 사용하는 것입니다.

Lunarcrete는 지상 콘크리트와 동일한 인장 강도 부족을 공유합니다.프리스트레스 콘크리트를 만들기 위해 제안된 달 등가 인장 재료 중 하나는 레골리스로 형성되는 달 유리로, 파이버글라스가 지상 콘크리트 보강재로 [2]이미 사용되고 있다.데이비드 베넷이 제안한 또 다른 긴장 물질은 지구에서 수입된 케블라이다. (질량 면에서, 지구에서 수입하는 것이 기존의 [8]강철보다 저렴할 것이다.)

유황계 '워터리스 콘크리트'

이 제안은 물이 달에서 귀중한 상품이 될 가능성이 높다는 관측에 근거한 것이다.또한 유황은 유압 시멘트와 달리 매우 짧은 시간에 강도를 증가시키고 냉각 기간이 필요하지 않습니다.이것은 인간 우주 비행사들이 달 표면 [9][10]환경에 노출되어야 하는 시간을 줄일 수 있을 것이다.

유황은 광물 트로일라이트(FeS)[11] 형태로 달에 존재하며 유황을 얻기 위해 환원될 수 있다.또한 시멘트 성분(예: 비정질)의 추출에 필요한 초고온도 필요하지 않습니다.

유황 콘크리트는 확립된 건축 재료이다.엄밀히 말하면 화학반응이 거의 없기 때문에 콘크리트가 아닙니다.대신 황은 비반응성 기질과 열가소성 재료 결합으로 작용한다.시멘트와 물은 필요 없습니다.콘크리트는 경화되지 않고 유황의 녹는점인 140℃ 이상으로 가열하여 냉각 후 즉시 고강도에 도달한다.

인장 강도 및 압축 강도를 위한 최상의 혼합물은 JSC-1 달 레골리스 시뮬레이션제 65%와 황 35%이며, 평균 압축 강도는 33.8MPa, 인장 강도는 3.7MPa입니다.금속섬유를 2% 첨가하면 압축강도가 43.0MPa로[12] 증가하고 실리카를 첨가하면 콘크리트의 [13]강도도 높아집니다.

이 유황 콘크리트는 먼지를 최소화하는데 특별한 가치가 있을 수 있다. 예를 들어,[11] 달을 떠나는 로켓의 발사대를 만드는 것이다.

AstroCrete

AstroCrete 개념의 그래픽 추상화

AstroCrete는 레골리스와 사람 혈액의 단백질인 인간혈청알부민(HSA)으로 만든 달이나 화성에 사용되도록 제안된 콘크리트 같은 물질이다.과학자들은 이러한 물질의 압축 강도가 25MPa인 반면 일반 콘크리트의 압축 강도는 20-32MPa인 것을 입증했다. 요소(뇨, 땀, 눈물 등의 부산물)를 첨가함으로써, 그 결과, 압축 강도는 [14][15][16]40MPa로 일반 콘크리트보다 상당히 강해졌다.

저자가 [15]지적한 바와 같이:

본질적으로, 우주 비행사들이 체내에서 생산한 인간 혈청 알부민은 반연속적으로 추출되어 달이나 화성의 레골리스와 결합하여 '피에서 돌을 얻는다'는 속담을 바꿔 표현한다.우리는 인간 혈청 알부민인 외계 레골리스 생물 복합체가 초기 화성 식민지에서 잠재적으로 중요한 역할을 할 수 있다고 믿는다.

연구원들은 또한 합성 거미 실크와 소 혈청 알부민을 레골리스 바인더로 실험했는데, 이러한 물질들은 생물 제조 [15]기술의 발전 이후 화성에서도 생산될 수 있다고 언급했다.

AstroCrete의 아이디어는 새로운 것이 아닙니다.저자들은 "생물학적 기원의 접착제와 바인더는 합성석유 유래 접착제가 개발되기 전 수천 년 동안 인류에 의해 널리 사용되었습니다.나무 수지, 발굽에서 추출한 콜라겐, 치즈에서 추출한 카제인, 동물 혈액은 모두 다양한 용도의 결합제 및 첨가제로 사용되었습니다."[15]

연구원들은 6명의 우주 비행사가 화성 [14]표면에서 2년간의 임무를 수행하면서 500kg 이상의 아스트로크리트를 생산할 수 있다고 계산했다.각 우주 비행사들은 "다른 우주 비행사를 부양할 수 있는 충분한 추가 서식 공간을 만들 수 있고, 잠재적으로 초기 화성 [16]식민지의 지속적인 확장을 가능하게 할 수 있다.

  • Scheme depicting the typical fabrication procedure for producing HSA-based biocomposites

    HSA 기반의 바이오 컴포지트 생산을 위한 일반적인 제조 절차를 기술한 스킴

  • 3D-printed Astrocrete samples. (a) after fabrication, (b) during compression testing, and (c) after compression testing.

    (a) 제작 후, (b) 압축 테스트 중, (c) 압축 테스트 후.

  • Life-cycle process flow diagram for HSA/Urea-based biocomposites

    HSA/요소 기반 바이오 컴포지트의 라이프 사이클 프로세스 흐름도

  • A hypothetical block diagram depicting how HSA could be produced in vivo from in situ resources available on Mars

    HSA가 화성에서 이용 가능한 현장 자원으로부터 어떻게 생체 내에서 생산될 수 있는지를 보여주는 가설 블록 다이어그램

'황 콘크리트' 문제

그것은 우주 방사선에 대한 보호를 덜 제공하기 때문에 벽은 콘크리트 벽보다 두꺼워야 합니다(콘크리트 안의 물은 우주 방사선의 특히 좋은 흡수체입니다).

황은 115.2°C에서 녹으며 고위도의 달 온도는 한낮에 123°C에 이를 수 있다.또한 온도변화에 따라 [11]유황의 다형성 천이로 인해 유황 콘크리트의 부피변화가 발생할 수 있다.([13]유황 동소체 참조).

따라서 달의 무방호 유황 콘크리트는 표면 온도에 직접 노출될 경우 최고 온도가 96°C 미만이고 월 변동이 114°C를 초과하지 않는 고위도 또는 그늘진 곳으로 제한되어야 한다.

이 물질은 반복되는 온도 주기에 의해 분해되겠지만, 달의 온도 주기가 느리기 때문에 그 영향은 덜 극심할 것이다.외부 수 밀리미터는 태양풍과 태양 플레어의 높은 에너지 입자의 충격으로 인해 손상될 수 있습니다.단, 표면층을 재가열 또는 되감아 균열을 소결시키고 손상을 치유함으로써 쉽게 수리할 수 있습니다.

사용하다

영국 시멘트 협회의 데이비드 베넷은 루나크리트가 달 [8]기지의 건축 자재로 다음과 같은 장점을 가지고 있다고 주장한다.

  • 달 콘크리트 생산은 강철, 알루미늄 또는 [8]벽돌의 달 생산보다 적은 에너지를 필요로 한다.
  • +120°C ~ -150°[8]C의 온도 변화에 영향을 받지 않습니다.
  • 그것은 [8]감마선을 흡수할 것이다.
  • 재료 무결성은 진공에 장기간 노출되어도 영향을 받지 않습니다.재료에서 자유수는 증발하지만 경화 공정의 결과로 화학적으로 결합된 물은 [8]증발하지 않습니다.

그러나 그는 루나크리트는 기밀성 재료가 아니며, 기밀성을 유지하려면 모든 루나크리트 [8]구조 내부에 에폭시 코팅이 필요하다고 관찰했습니다.

베넷은 달 콘크리트로 만들어진 가상의 달 건물은 내부 구획과 방에 낮은 등급의 콘크리트 블록을 사용하고 외부 [8]피부에는 높은 등급의 고밀도 실리카 입자 시멘트 기반 콘크리트를 사용할 가능성이 높다고 제안했습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ J. A. Happel (1993). "Indigenous materials for lunar construction". Applied Mechanics Reviews. American Society of Mechanical Engineers. 46 (6): 313–325. Bibcode:1993ApMRv..46..313H. doi:10.1115/1.3120360.
  2. ^ a b c d e f F. Ruess; J. Schaenzlin & H. Benaroya (July 2006). "Structural Design of a Lunar Habitat" (PDF). Journal of Aerospace Engineering. American Society of Civil Engineers. 19 (3): 138. doi:10.1061/(ASCE)0893-1321(2006)19:3(133).
  3. ^ a b "UND Engineers Would Like to Follow the Lunarcrete Road". Grand Forks Herald. North Dakota. 1988-02-28.
  4. ^ H. Toutanji; M. R. Fiske & M. P. Bodiford (2006). "Development and Application of Lunar "Concrete" for Habitats". In Ramesh B. Malla; Wieslaw K. Binienda & Arup K. Maji (eds.). Proceedings of 10th Biennial International Conference on Engineering, Construction, and Operations in Challenging Environments (Earth & Space 2006) and 2nd NASA/ARO/ASCE Workshop on Granular Materials in Lunar and Martian Exploration held in League City/Houston, TX, during March 5–8, 2006. Reston, VA: American Society of Civil Engineers. pp. 1–8. doi:10.1061/40830(188)69. ISBN 0784408300.
  5. ^ François Spiero & David C. Dunand (1997). "Simulation of Martian Materials and Resources Exploitation on a Variable Gravity Research Facility". In Thomas R. Meyer (ed.). The Case for Mars IV: the international exploration of Mars — consideration for sending humans : proceedings of the fourth Case for Mars Conference held June 4–8, 1990, at the University of Colorado, Boulder, Colorado. Vol. 90. Univelt for the American Astronautical Society. p. 356. ISBN 9780877034216.
  6. ^ George William Herbert (1992-11-17). Norman Yarvin (ed.). "Luna concrete". Archives: Space: Science, Exploration.
  7. ^ Colin Barras (2008-10-17). "Astronauts Could Mix DIY Concrete for Cheap Moon Base". New Scientist.
  8. ^ a b c d e f g h i D. F. H. Bennett (2002). "Concrete: the material — Lunar concrete". Innovations in concrete. Thomas Telford Books. pp. 86–88. ISBN 0-7277-2005-8.
  9. ^ "Waterless Concrete" Houssam A의 성능투탄지 스티브 에반스 리처드 N. 그루겔
  10. ^ 녹은 황을 이용한 달 콘크리트 제조, JoVe NASA Grant NAG8 - 278, Dr. Husam A의 최종 연구 보고서.사우스앨라배마 토목공학과 오마르
  11. ^ a b c I. Casanova (1997). "Feasibility and Applications of Sulfur Concrete for Lunar Base Development: A Preliminary Study" (PDF). 28th Annual Lunar and Planetary Science Conference, March 17–21, 1997, Houston, TX. p. 209.
  12. ^ JoVe NASA Grant NAG8 - 278에 대한 용융황 최종연구보고서를 이용한 달 콘크리트 생산.후삼 A.오마르
  13. ^ a b Houssam Toutanji; Becca Glenn-Loper & Beth Schrayshuen (2005). "Strength and Durability Performance of Waterless Lunar Concrete". 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit 10 – 13 January 2005, Reno, Nevada. American Institute of Aeronautics and Astronautics. doi:10.2514/6.2005-1436.
  14. ^ a b "Affordable housing in outer space: Scientists develop cosmic concrete from space dust and astronaut blood". The University of Manchester. Retrieved 25 October 2021.
  15. ^ a b c d Roberts, A.D.; Whittall, D.R.; Breitling, R.; Takano, E.; Blaker, J.J.; Hay, S.; Scrutton, N.S. (September 2021). "Blood, sweat, and tears: extraterrestrial regolith biocomposites with in vivo binders". Materials Today Bio. 12: 100136. doi:10.1016/j.mtbio.2021.100136. PMC 8463914. PMID 34604732.
  16. ^ a b Blakemore, Erin (September 18, 2021). "Astronauts' bodily fluids might help build concrete-type shelters on other planets". Washington Post. Retrieved 25 October 2021.

추가 정보