На Луне и Марсе не обойтись без клеевых соединений

Как отмечали американские астронавты, лунная пыль хорошо прилипала к скафандрам, поверхностям космических аппаратов, приборам и устройствам микроэлектроники и т.п. Миссия «Apollo 16». Почтовая открытка. Фото NASA

С момента первой высадки американцев на Луну в 1969 году (всего было шесть экспедиций) прошло уже немало времени. С тех пор не прекращались исследования лунного грунта реголита (лунной пыли), которого за прошедшие годы доставлено на Землю американцами, а также советскими, китайскими миссиями луноходов и «автоматов» достаточно (около 400 кг).

Царство пыли

Реголит отличается от земных частичек песка и по размеру (его частицы гораздо меньше, их размеры от нанометров до нескольких сот микрометров, и электризованы, как правило, они положительно), и по форме (заостренные, с зазубренными краями). Это вполне объяснимо: на Луне нет ветров и поверхностной воды, которые полировали бы их до состояния морской гальки или шарообразных частичек. Поэтому лунная пыль будет доставлять много неприятностей будущим колонистам, проникая везде и всюду.

Как отмечали американские астронавты, лунная пыль хорошо адгезировала – прилипала к скафандрам, поверхностям космических аппаратов, приборам и устройствам микроэлектроники и т.п. Частички реголита склонны к самослипанию, они образуют пористые структуры, прочно закрепляются на коже человека, становясь причиной многих неприятных последствий для здоровья. Острая и смертоносная пыль из оксидов металлов и силикатов будет главной проблемой для колонистов и препятствием для нормальной работы на Луне наряду с повышенной радиацией.

Однако реголит может стать и основным материалом при строительстве дорог, зданий и стационарных сооружений, защитным слоем (1 м) от повышенной радиации, а также почвой для выращивания сельскохозяйственных культур. Эксперименты по выращиванию растений на реголите показали, что на лунном грунте (и марсианском тоже) хорошо растут морковь, сладкий картофель, сорго, чеснок, лук, батат, базилик и даже хмель. Водяного льда на полюсах Луны, особенно на Южном, также достаточно. Да и сам реголит содержит воду, оксиды металлов, углекислый газ, необходимый растениям.

NASA планирует построить космическую базу на Луне из кирпичей, изготовленных из соленой воды и лунного реголита. Уверенность в этом придали работы группы профессора Ранаджай Гоша из Калифорнийского технологического института (США). Ученые изготовили довольно прочные кирпичи из реголита, напечатанные на 3D-принтере.

А пока технологию приготовления цемента и смешивания его при строительстве базы на Луне испытывают на МКС. Бортинженер NASA Мэтью Доменюк исследовал влияние микрогравитации на производство цементных материалов. Полученные образцы отправят на Землю на борту корабля Space X Dragon для анализа. Высадка на Луну назначена на 2027 год. А желание построить базы на Луне высказали многие страны и организации: NASA, Европейское космическое агентство, Россия, Китай, Япония, Южная Корея.

Адгезия/электричество

Итак, строительного материала на Луне и Марсе достаточно. А там, где стройка, там и монтаж, необходимость соединять и крепить различные материалы. Не только болтами и гайками и даже не сваркой, а проще – с использованием клеев. Для этого будет достаточно тонких, почти невесомых клеевых прослоек. Повышенные температуры, требуемые при этом – дармовые: дневная сторона Луны нагревается до температуры 120 градусов Цельсия. Клеевые соединения стойки к действию как повышенных, так и пониженных (криогенных) температур, вакууму, повышенной радиации.

Учитывая, что гравитация на Луне в шесть раз ниже, чем на Земле, очень прочных адгезионных соединений часто и не потребуется. В ряде случаев удобно использовать полученные автором еще в 1967 году обратимые электроадгезионные соединения (Electroadhesive Joints) при воздействии внешнего электростатического поля (ВЭП). Такие соединения образуются менее чем за секунду и сохраняются длительное время после снятия ВЭП.

Доказано, что над поверхностью Луны имеется электрическое поле бароэлектрической природы. Периодически возникает и накапливается статическое электричество из-за бомбардировки поверхности Луны потоком высокоэнергетических электронов. Оцененная разность потенциалов – до 4,5 кВ. Электричество порождается солнечными лучами при их взаимодействии с поверхностью Луны.

С другой стороны, индийская станция «Чандроян-3», прилунившаяся в районе Южного полюса, обнаружила большую разность температур на поверхности Луны (+ 50–60 градусов Цельсия) и на глубине всего 10 см – минус 10 градусов Цельсия. Со временем научатся использовать на Луне и этот вид энергии, основанный на эффекте Зеебека. Вполне возможно наличие естественных (теллурических) токов на Луне и Марсе, хотя однозначно это не доказано, но и не опровергается.

Ювенильные поверхности

С учетом процессов адгезии можно рекомендовать изготовление скафандров со сверхскользкими поверхностями, способными отталкивать лунную пыль. Другая крайность – сверхгладкие, ювенильные поверхности типа свежерасщепленных поверхностей листочков слюд, которые прекрасно сцепляются без использования клеев при легком прижиме. На Луне их просто получить, удалив тонкую пленку оксида с поверхности металлов или распилив металл.

Некоторый опыт по скреплению тел на Луне пришлось пережить, когда астронавты США столкнулись с первыми поломками на Луне. Так, при разгрузке приборов командир корабля миссии «Апполон-17» Юджин Сернан случайно уронил геологический молоток, который упал на пластиковый брызговик ровера. Юджин закрепил брызговик с помощью скотча. Однако изолента не выдержада, и брызговик снова отвалился. Астронавт доложил о случившемся в Центр управления полетом в Хьюстоне, и там посоветовали из имеющихся на борту лунного модуля четырех геологических карт сложить прямоугольник и проклеить скотчем швы. На отремонтированном ровере астронавты проехали еще 36 км и собрали 110 кг образцов лунных пород.

Поездка заняла 7 часов, но этого хватило для проникновения лунной пыли в скафандр. Лицо Сернана покрылось пылью, как у шахтера. Некоторые астронавты жаловались на жжение в глазах и забитый нос. А ведь скафандры были герметичными.

Скучно не будет

Еще ранее автор писал о склеивании в космосе и невесомых соединениях (см., например, «Химия и жизнь», № 4, 1980). Предлагалось использовать в космосе липкие ленты и быстротвердеющие клеи на основе эпоксидных и кремнийорганических смол. Примерно так прошел ремонт технологических отверстий, обнаруженных позднее в российском сегменте МКС.

Кроме этого, предлагалось изготовление в условиях Луны и Марса легких и прочных сотовых конструкций на основе бумаги и адгезивов. В ряде случаев возможно использование известных «карандашных» клеев, полимерных клеев-расплавов в виде твердых прутков или цилиндров, плавящихся при повышенных температурах. При смазывании ими поверхностей твердых тел и прижиме можно прочно скреплять различные материалы. Они были бы удобны для создания куполообразных разворачивающихся конструкций различного типа на Луне и Марсе.

Оказалось, что в качестве «клеев» для скрепления полимерных пленок различной природы и характеристик успешно прошли апробацию тетраподы на основе оксида цинка в виде «якорьков». Методика сцепления довольно проста. При дублировании пленок из различных несоединяемых материалов (фторопласт и полидиметилсилоксан) на полоску одного из полимеров напыляют тетраподы оксида цинка, сверху накладывается слой другого полимера. Затем эта система нагревается до 100 градусов и остается остывать до комнатной температуры под некоторой нагрузкой. Тетраподы острыми выступами проникают в пленки полимеров и механически скрепляют их. Немецкие ученые из Университета Киля (Германия) сообщают, что прочность, необходимая для разделения слоев, достигает значений 200 Н/м, что сравнимо с адгезионной прочностью при сцеплении липких лент с поверхностью стекла, к примеру.

Тетраподное «склеивание-сцепление» подошло бы для лунных технологий. Например, для скрепления различных материалов на поверхности Луны – да и Марса – с помощью реголита. Его частички имеют заостренные края, что позволяет им хорошо прилипать к самым различным материалам.

О серьезности колонизации Луны говорит тот факт, что руководитель NASA Шон Даффи объявил о плане создания на Луне первой АЭС и об отправке на естественный спутник Земли ядерного реактора. Причем уже к 2030 году. Россия также объявила о готовности доставки на Луну ядерного реактора.

Что-то подсказывает мне, что в свете последних научных данных об обнаружении бактерий Chroococcidiopsis, живущих внутри камня, колонисты на Луне могут оказаться не одинокими. Скучно не будет, возможно, придется думать о биокоррозии и многих иных проблемах.