У майбутньому людство планує започаткувати колонію на Місяці. Астронавти та науковці можуть жити та працювати у космосі тижнями або й місяцями. Однією із нагальних потреб стане житло, адже космічні модулі або модульні станції, виготовлені на Землі, можуть стати лише тимчасовим рішенням. Згодом доведеться вигадувати, як використати місцеві матеріали для зведення будівель.
Коли почнемо будувати міста на Місяці
У другій половині 2020-х років астронавти США у межах реалізації програми Artemis мають висадитися на південному полюсі Місяця і невдовзі почати спорудження бази. Конкретні креслення поки що невідомі, але вже можна сказати, що принаймні спочатку цей концепт базуватиметься на герметичних модулях. Виробництво відбуватиметься на Землі, а на Місяці їх мають приводити у робочий стан. Додатково житлові блоки обсипатимуть місячним реголітом задля захисту від сонячної радіації та метеоритів.
Принаймні, саме такими є всі концепти, що розроблялися протягом останніх десятиліть. Фактично, йдеться про ті самі технології, за допомогою яких досі відбувається будівництво орбітальних станцій. Однак це — найменш ефективний спосіб зведення споруд з-поміж взагалі коли-небудь застосованих людством. По суті, вартість кімнати складається з витрат на підйом кожного грама її стін на орбіту, транспортування крізь порожнечу та посадку на поверхню. Додайте до цього ціни на матеріали та створення з них конструкцій, які витримають космічну подорож.
Надувне житло і матеріали з Землі
Найпростішим способом розв’язання проблем із житлом на Місяці стали б надувні конструкції. Подібна технологія називається Bigelow Expandable Activity Module (BEAM) і вже декілька років поспіль функціонує на Міжнародній космічній станції. Поки що цей модуль служить виключно складом, оскільки основне його завдання — продемонструвати надійність таких конструкцій. Адже зрозуміло, що навіть крихітна дірочка у стінці може спричинити повне руйнування.
Для космічних станцій майбутнього житлові надувні модулі також уже випробовуються. І цілком можливо, що й на місячній базі вони стануть у пригоді. Щоправда, небезпеку становитиме реголіт з гострими краями, здатними пошкодити оболонку.
Якщо йти далі, можна взагалі відмовитися від заздалегідь виготовлених на Землі модулів. Усе, що треба — завантажити на ракету пластини, профільні деталі та кріпильні засоби для їхнього з’єднання. По суті — конструктор, з якого на Місяці можна буде зібрати будівлю, а потім герметизувати всі шви і почати розміщувати всередині обладнання.
Звичайно, матеріали для такого конструктора мають бути високоякісними, а конструкція — заздалегідь прорахованою. Та й збирати його на Місяці буде куди складніше, ніж на Землі. Проте застосування такої техніки дозволить зводити там будівлі, внутрішній об’єм яких вимірюватиметься сотнями кубічних метрів. Водночас матеріали на місячну поверхню зручно доправляти порівняно невеликими ракетами-носіями, тобто можна буде залучати приватні компанії.
Утім, вартість будівництва буде надзвичайно високою порівняно навіть із найдорожчими будівлями на Землі, якщо перерахувати на кубічний метр житлового простору. Знижувати її можна лишень за умови використання місцевих матеріалів. Але перш ніж розглянути таку можливість, варто визначитися із конструкцією будівель.
Якими мають бути будівлі на Місяці
На Місяці, на відміну від Землі, слід будувати так, аби виходити на поверхню доводилося лише тоді, коли це справді необхідно. Допомогти у цьому може система герметичних переходів. Проте треба зважати, що кожен з них буде окремою спорудою, зведення та експлуатація якої коштуватимуть надзвичайно дорого. Тому для максимальної ефективності такі тунелі мають бути короткими й малочисельними.
Оптимальна будівля для Місяця — це один велетенський герметичний комплекс, у якому зібрано усе, що потрібно. Виносити окремо варто хіба що виробничі приміщення та енергогенеруючі потужності, оскільки останні, найімовірніше, базуватимуться на радіоізотопних термоелектрогенераторах, а то й повноцінних ядерних чи термоядерних реакторах.
Усі комунікації у космічній будівлі, на відміну від Землі, також мають за можливості повністю розміщуватися всередині неї. Передусім, звичайно, це стосується систем водопостачання та водовідведення. У космосі, де відкритих річок для забору та скидання води немає, вони мають бути об’єднані у єдиний цикл перероблення води. І виносити водоочисну станцію за межі комплексу нелогічно, оскільки будь-яка аварія чи планове технічне обслуговування передбачатимуть вихід у скафандрах. Тому найкращий варіант — коли вода повністю циркулює всередині.
З системами вентиляції та теплопостачання все ще цікавіше. Це має бути єдиний комплекс інженерних мереж, що забезпечує визначену якість повітря. Ідеальним варіантом була б станція регенерації й очищення повітря від твердих забруднень, від якої у всі закутки комплексу розходилися б труби із примусовою циркуляцією. Також до системи мають входити нагрівачі повітря, зволожувачі й велика кількість датчиків, приєднаних до автоматизованої системи керування кліматом всередині споруди.
Ще тут обов’язково має бути великий простір, де ростиме сад, аби забезпечити психологічний комфорт мешканцям, які практично весь час перебуватимуть у закритих приміщеннях.
Конструкція будівлі
Оптимальну форму будівлі можна буде визначити математично, з огляду на ефективність щодо певного найважливішого параметра. На Місяці це має бути забезпечення максимального об’єму за мінімальної площі поверхні. Йдеться про сферу. Щоправда, будувати її навіть на небесних тілах, де сила тяжіння досить невелика, проблематично через необхідність забезпечення міцних опор. Тому кращим, хоча й не таким оптимальним буде рішення у вигляді напівсфери.
Надійним та ефективним тут стане купол — конструкція, відома ще з часів Римської імперії. Головним плюсом купольної споруди є перерозподіл власної ваги на основу, на яку вона спирається. Завдяки цьому її конструкції навіть за достатньо великих розмірів будуть доволі легкими.
Варто зазначити, що на Місяці є можливість забезпечити будівлі форму, максимально близьку до ідеальної сферичної, і водночас захистити її від радіації та метеоритів. Щоправда, зробити це вдасться не будь-де.
Найрозумнішим видається знайти невеликий кратер максимально правильної форми, який можна накрити куполом. Обсипати поверхню місцевим ґрунтом — і западина перетвориться на пагорб, що вміщатиме сотні, а то й тисячі людей.
Бетон на Місяці та Марсі
Тож з яких місцевих матеріалів можна будувати ці гігантські куполи? Стандартним рішенням тут було б використовувати ті самі сплави, з яких би ми їх будували, якби завозили усе з Землі. Алюмінію та титану у місячному камінні достатньо, хоча останній зустрічається далеко не всюди — лише там, де поширена гірська порода ільменіт. А от із залізом, хромом та магнієм все значно гірше.
Проте використання сплавів, та ще й таких дорогих, для виготовлення будівельних матеріалів безпосередньо на місці є не найкращим рішенням. Оскільки вироби не доведеться нікуди везти на ракеті, вони можуть бути не такими міцними.
Масове будівництво на Землі спирається на загальнодоступність бетону. Цей композитний матеріал складається з подрібнених гірських порід, піску та цементу, який реагує із водою з утворенням міцного каменю, що зрештою і зв’язує усі компоненти в одне ціле. Бетону можна надати будь-якої форми, а поєднавши його зі сталевою арматурою, можливо будувати конструкції, які не надто поступаються за легкістю та міцністю алюмінієвим сплавам.
Проте цей найважливіший будівельний матеріал практично нереально застосовувати на Місяці. Гранітних і базальтових уламків, зокрема й дуже дрібних, там вдосталь, та цемент виготовляти нема з чого. Для цього потрібні глини та кальцієвмісні породи. Дещо віддалено схоже на перше на Місяці є, а от з другим — серйозні проблеми.
Крім того, суміш цементу з водою на поверхні Місяця не затвердне з набиранням достатньої міцності через відсутню або занадто тонку атмосферу. Вода з суміші просто випарується, перш ніж відбудеться хімічна реакція.
Теоретично, на Місяці у достатніх кількостях можна виготовляти водні розчини силікатів калію. На Землі вони відомі як рідке скло, або силікатний клей. Ця речовина твердне саме шляхом випаровування води, тож ми не виготовляємо з неї будівельні композити тут через відносно тривалий час затвердіння. Однак там, де немає атмосфери, це станеться значно швидше. Утім, не виключено, що процес відбуватиметься моментально і це ускладнить виготовлення конструкцій правильної форми.
Плавлення каміння на Місяці
Аби створити на Місяці чи Марсі матеріал для будівництва куполів, зовсім необов’язково будувати хімічні заводи для перетворення місцевих порід на цемент або рідке скло. І навіть виплавляти з них метали у великій кількості не знадобиться.
Річ у тім, що камінь, передусім граніт та базальт, можна просто розплавити та зробити з них будівельні вироби необхідної форми. Звісно, за температури, вищої за тисячу градусів. На Землі арматуру та плитку з базальту виготовляють уже достатньо давно. А мінеральна вата, яку широко використовують як утеплювач, насправді є дуже дрібними волокнами з розплавленого і застиглого каменю.
Якщо забезпечити розплавленому базальту достатню однорідність, вироби з нього за своїми характеристиками не надто поступаються алюмінію та сталі. З них, наприклад, можна виготовити каркас купола та панелі для нього. Зібрати конструкцію, а потім герметизувати її.
Як зводити стіни на Місяці
Попри все це, будувати на Місяці надзвичайно складно. Переважно це пов’язано із необхідністю виконувати всі роботи у скафандрах, що перетворює рутинні на Землі операції на справжній виклик. Викласти стіну з обтесаних кам’яних блоків і навіть скріпити їх розчином того ж рідкого скла технічно було б можливо і подеколи навіть мало б сенс, але це фізично дуже важко.
Тому усі будівельні роботи на Місяці за можливості мають бути автоматизовані та механізовані. І йдеться не тільки й не стільки про використання будівельних 3D-принтерів. Автоматизувати можна, наприклад, процес збирання купола з окремих блоків за допомогою підйомних кранів. Також можна застосовувати роботизовані платформи для перевезення матеріалів та обсипання будівель ґрунтом.
А от переваг у будівництва на Місяці не так багато. По суті, їх дві: геологічна стабільність та низька гравітація. Це означає, що конструкції тут можуть бути тоншими, ніж на Землі, і піднімати їх буде легше. А облаштування фундаментів не буде таким складним, як зазвичай.
Ця стаття була опублікована у № 2 (191) 2024 року в журналі Universe Space Tech. Придбати цей номер в паперовій або в електронній версії можна у нашому магазині.
