Керамика из марсианского сырья

Если люди когда-нибудь все-таки сумеют добраться до Марса и останутся там на продолжительное время жить и работать, возникнет вопрос максимального использования тамошних ресурсов для организации жизни членов экспедиций и поселенцев. Команда из Технического университета Берлина провела первые исследования в этом направлении, проведя для этого компьютерное моделирование марсианских почв. И из полученного материала они смогли изготовить вазы и круглые подставки.

Вазы, кружки и подставки из «марсианской керамики» в различных стадиях обжига.

Фото: TU Berlin / David Karl

При этом цели ставятся весьма амбициозные. В 2030 годах американское космическое агентство NASA планирует совместно со своими международными партнерами осуществить первый полет с астронавтами к Марсу - путешествие в глубины космоса, которое вызывает огромный интерес исследователей во всем мире. Команда Берлинского Технического университета с кафедры керамических материалов Института материаловедения и технологий материалов тоже занялась экспериментами, связанными с возможным полетом на Марс.

И ученым в рамках своей работы впервые удалось из смоделированного марсианского грунта «JSC-Mars-1A» получить сложные геометрические формы в виде ваз и круглых элементов (подставок). Копирующий марсианскую почву (реголит) материал имеет вулканическое происхождение, и он взят со склона самой высокой на Гавайях горы Мауна Кеа. Сам материал был разработан Джонсоновским космическим центром NASA и предоставлен научной общественности и исследовательским центрам для изучения на предмет In-situ. Свойства же этого материала соответствуют свойствам марсианского реголита.

Расстояние между Марсом и Землей непостоянно и колеблется между 56 и 401 миллионом километров. Предполагается, что при современных технологиях путешествие туда займет до восьми месяцев. «Для пребывания на Марсе для членов экспедиции будет очень важно производить собственные изделия из местных материалов. Такая практика называется in-situ resource utilization (использование ресурсов «на месте»), и именно она заложена в основу наших опытов», - говорит Давид Карл из Технического университета Берлина. Он вместе с Францем Камуцки является руководителем этой научной работы.

«Наша «марсианская керамика» состоит из земли, которая в химическом смысле очень похожа на марсианскую почву. В ходе работы мы измельчили образец смоделированной почвы вместе с водой, залили в гипсовые формы и запекли», - объясняет Камуцки. - «Использовались при этом только «марсианский грунт», гипс, вода и энергия - все эти ресурсы присутствуют на Марсе или могут быть дам добыты».

«Сначала мы подвергли материал различным процессам предварительной подготовки. Мы обработали его предварительно термически, просеяли, обогатили органическими добавками, измельченными в диспергаторе, и вяжущими веществами, и, в конце концов, сделали вывод, что самый простой из проверенных вариантов оказался самым стабильным», - объясняет Карл. Ученые добавили в смоделированный марсианский грунт воду в пропорции 50:50, после чего на протяжении 48 часов перемешивали его с одновременным растиранием. Получившийся в результате шликер (глиняная суспензия) был разлит по гипсовым формам - для ваз и горшков, где материал принял форму, затем был высушен на воздухе и подвержен обжигу при температурах от 1000 до 1300 градусов. Результатом стали полноценные керамические изделия, которые, в зависимости от температуры обжига, обладают похожими или даже более высокими характеристиками прочности, чем фарфор.

«Мы были в достаточной степени удивлены хорошими механическими характеристиками нашей «марсианской керамики». Теоретически она представляет интерес для широчайшего спектра применения, практически для всего диапазона использования фарфора и фаянса, существующего на Земле: от посуды до технических деталей и строительных материалов». - рассуждает Камуцки о значении проведенного эксперимента.

Но почему же ученые начали именно с изготовления ваз? «В концептуальной фазе нашего проекта мы долго дискутировали вопрос, какие инструменты стали бы важными для наших марсианских колонистов», -рассказывают исследователи. - «В конце концов, мы остановились на форме «марсианской керамики» в такой геометрии, которая производилась на протяжении земной истории всеми цивилизованными культурами, использовались ими, и которые до сих пор используются в нашем мире».

Кроме того, команда подчеркивает, что с помощью разработанной и проверенной технологии можно изготавливать практически любые комплексные формы, в которых возникнет необходимость. Шликовое литье с использованием гипсовых форм пригодно для больших тиражей изделий одинаковой геометрии. Сейчас команда продолжает работу уже над новыми процессами, которые предполагают использование шликерных систем в 3D-принтерах. Теоретически такая дистанционно управляемая или полностью автоматическая технология может обеспечить возможность производства строительных элементов с гибкой геометрией, причем не только для работы на Красной планете, но и здесь, на Земле.

Решена старая загадка ледяной шапки южного полюса Марса

Собственно говоря, ледяные массы вообще не должны там собираться и задерживаться, но взаимодействие сразу трех факторов предотвращает их дестабилизацию.

Южный полюс Марса покрыт наложившимися друг на друга многочисленными слоями льда из углекислого газа и воды. Фото: NASA/JPL

Марс - разумеется, помимо Земли - самая изученная планета в нашей Солнечной системе. Уже десятки зондов внимательно исследовали и исследуют Красную планету, как с орбиты и во время облета Марса, так и непосредственно на его поверхности.

Советские, американские, европейские и индийские миссии смогли ответить на многие остававшиеся до поры до времени без ответа вопросы, но новые наблюдения привели и к многочисленным новым загадкам. Одна из них связана с огромной, толщиной около километра, шапкой из углекислого газа и водяного льда на южном полюсе Марса. Ученым до сих пор было неясно, например, наблюдается ли там слоистая структура ледяных масс и существует ли у этой шапки связь с СО2 в марсианской атмосфере.

Точная симуляция

Одна из основных гипотез формирования ледяных слоев связана со слегка наклоненной осью вращения Марса, которая склоняется к Солнцу и отклоняется от него в течение года. И вот теперь новое моделирование подкрепило это объяснение. «Когда разрабатываешь модель, то обычно не ожидаешь, что ее результаты настолько приблизятся к наблюдениям», - говорит Питер Бюлер, планетолог из Лаборатории реактивного движения NASA. - «Но толщина слоев, предполагаемая нашей моделью, идеально совпадает с радиолокационными измерениями со спутников».

Когда в южном полушарии Марса господствует лето, его южный полярный ледяной покров сокращается до минимума. Снимок был сделан аппаратом NASA Mars Global Surveyor (апрель 2000 г.). Фото: NASA

Самое же странное в южной полярной шапке - это то, что она просто не должна существовать в таком виде: водяной лед термически более стабилен и темнее по цвету, чем лед CO2, поэтому ученые склонны были ожидать, что лед углекислого газа дестабилизируется при попадании под водяной лед. Но, как стало известно, шапка содержит столько же CO2, сколько вся теперешняя атмосфера Марса.

Три причины, почему ледяная шапка южного полюса существует

Согласно модели Бюлера и его команды, представленной в журнале Nature Astronomy, дестабилизации льда CO2 препятствовали три фактора: изменение наклона Марса при движении вокруг Солнца, различия в принципе, которым оба типа льда отражают солнечный свет и изменение атмосферного давления, когда лед СО2 сублимирует, то есть переходит в газообразное состояние.

Южная полярная шапка Марса в конце зимы. Постоянный ледяной покров в центре окружен сезонным льдом, который постепенно исчезает в последующие месяцы (Mars Global Surveyor, сентябрь 2001 г.). Фото: NASA

«Шатание» оси вращения Марса, так называемая прецессия, влияет на сезонное количество солнечного света, достигающего полюсов, как это происходит и на Земле. При этом в определенные месяцы лед СО2 образуется, а в другие месяцы сублимирует. Со временем меняющийся климат Красной планеты привел к тому, что не каждый раз лед СО2, когда это ему «положено», сублимирует, а вместо этого слои льда СО2 и водяного льда накладываются друг на друга. При этом модели демонстрируют, как этот процесс изменяет атмосферное давление: от четверти до двойного уровня наблюдаемого сейчас марсианского давления.

Старше 500 тысяч лет

По словам ученых, этот процесс наблюдается уже в течение примерно 510 тысяч лет, то есть с момента последней фазы экстремальной солнечной радиации, когда весь лед CO2 испарился в атмосферу Марса. «Наши предположения о колебаниях давления в марсианской атмосфере имеют основополагающее значение для понимания развития марсианского климата», - говорит Бюлер. - «И, конечно же, для понимания былой потенциальной пригодности Марса для жизни».

Черная дыра вместо солнца: благоприятные для жизни зоны вокруг черных дыр возможны

Загружается...

Популярное в

))}
Loading...
наверх