Regolith as raw material for the production of aggregates and concrete-like composites on the Moon

• Autorzy: Katzer Jacek , Kobaka Janusz

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2024.151888

Warianty tytułu

PL

Regolit jako surowiec do produkcji kruszyw i kompozytów betonopodobnych na Księżycu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The presented research program is focused on harnessing lunar regolith as raw material for the production of aggregates and concrete-like composites on the Moon. The proposed complex technological solution covers technology of lunar aggregate production, lunar concrete-like composites, shape of a lunar habitat, a type of its structure and erection technique. Each element of the proposed solution is supported by tests or calculations. In authors’ opinion magnetic separation seems to be the most promising technology of lunar aggregate production, habitats should be in egg-shaped form and the structure should be 3D printed as a Voronoi mesh. The research program was conducted using scientifically proven lunar soil simulants which were thoroughly tested by the authors. Production of lunar aggregate and subsequently concrete-like composite based on it is inevitable. The authors’ proposed approach to the erection of lunar habitats is fully based on in-situ resource utilization philosophy increasing its feasibility. Necessary future research areas were pointed out.

PL

Stała obecność człowieka na Księżycu nastąpi prawdopodobnie w ciągu najbliższej dekady. Zapewnienie właściwych warunków życia i pracy załogi bazy księżycowej będzie wymagało dużego wysiłku budowlanego związanego z budową lądowisk, habitatów, magazynów, kopalń i obiektów związanych z produkcją paliwa. Przedsięwzięcia takie będą prowadzone w bardzo niekorzystnych warunkach i przy znikomej dostępności materiałów i komponentów przywiezionych z Ziemi. Jedynym możliwym rozwiązaniem jest stosowanie wyłącznie surowców lokalnie dostępnych na Księżycu. Regolit, czyli rozdrobniona skała księżycowa, w założeniu przyszłych misji nastawionych na długi pobyt ludzi, będzie stanowił główny surowiec do produkcji kruszyw budowlanych oraz kompozytów betonopodobnych niezbędnych do stworzenia podstawowych warunków bytowych dla człowieka. W referacie autorzy przedstawiają propozycje produkcji kruszyw budowlanych oraz kompozytów betonopodobnych (charakteryzujących się właściwościami wytrzymałościowymi podobnymi do betonu zwykłego) wytworzonych z regolitu księżycowego, wsparte wynikami badań własnych oraz oryginalnymi propozycjami pełnych rozwiązań technologicznych, które w założeniu będą mogły być zaimplementowane na Księżycu. Wykonanie materiału betonopodobnego na powierzchni Księżyca zapewniającego odpowiednie właściwości konstrukcyjne, wiąże się z odpowiednim przygotowaniem regolitu. Oddzielenie cięższych frakcji regolitu, cechujących się właściwościami ferromagnetycznymi, czyli zawierającymi żelazo, kobalt i nikiel od frakcji lżejszych jest niezbędne w celu uzyskania tych cennych metali. Innym zastosowaniem może być użycie ich do wykonania księżycowych odpowiedników betonów ciężkich o zwiększonej wytrzymałości oraz zdolności pochłaniania promieniowania. W ramach przeprowadzonego programu badawczego zrealizowano serię prób materiałów betonopodobnych, które mogłyby być wykonane na Księżycu z dostępnych tam materiałów. Testy początkowe wykonano z wykorzystaniem piasku normowego CEN w celu doboru właściwych proporcji składników, następne próby przeprowadzono z wykorzystaniem symulantu gruntu księżycowego. Wyniki badań wytrzymałościowych wykazały, że możliwe jest otrzymanie materiału spełniającego wymagania wytrzymałościowe powyżej 40 MPa. W przypadku symulantu gruntu księżycowego LHS-1 było to 44,1 MPa przy zawartości siarki na poziomie 30%. Wewnętrzna struktura tego materiału była najbardziej zwarta z badanych, co odzwierciedla również gęstość pozorna na poziomie 2,43 g/cm3. Wciąż prowadzone są prace badawcze nad wyborem najbardziej optymalnej bryły zewnętrznej habitatu. Jednym z rozwiązań sprawdzonych w ciągu milionów lat ewolucji, które podsuwa natura jest forma jajka. Posiada ona zalety takie jak: trwałość konstrukcyjna oraz zwiększona wysokość w stosunku do formy sfery. Tego rodzaju habitaty z uwagi na niebezpieczeństwo uderzenia meteorytów oraz promieniowanie powinny być zabezpieczone dodatkową warstwą ochronną w postaci regolitu. Wykorzystanie surowców naturalnych znajdujących się na naszym naturalnym satelicie w racjonalny sposób jest kluczem do utworzenia trwałych miejsc pobytu bezpiecznych dla przebywających tam ludzi.

Słowa kluczowe

EN

aggregate; concrete-like composite; moon; regolith

PL

kruszywo; kompozyt betonopodobny; księżyc; regolit

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2024
• Tom: Vol. 70, nr 4
• Strony: 199--214
• Opis fizyczny: Bibliogr. 37 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Katzer Jacek

• University of Warmia and Mazury, Faculty of Geoengineering, Olsztyn, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-4049-5330

autor

Kobaka Janusz

• University of Warmia and Mazury, Faculty of Geoengineering, Olsztyn, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-3596-3187

Bibliografia

• [1] J. Kobaka, J. Katzer, K. Seweryn, P. Srokosz, M. Bujko, and P. Konečný, “A study of lunar soil simulants from construction and building materials perspective”, Case Studies in Construction Materials, vol. 18, 2023, doi: 10.1016/j.cscm.2023.e02082.
• [2] P. Kostrzewa-Demczuk and M. Rogalska, “Planning of construction projects taking into account the design risk”, Archives of Civil Engineering, vol. 69, no. 1, pp. 613-626, 2023, doi: 10.24425/ace.2023.144191.
• [3] B. Langier, J. Katzer, M. Major, J. Halbiniak, and I. Major, “Strength and durability characteristics of concretes with crushed side window glass as partial aggregate substitution”, Archives of Civil Engineering, vol. 69, no. 2, pp. 5-21, 2023, doi: 10.24425/ace.2023.145249.
• [4] J. Ciazela, et al., “Lunar ore geology and feasibility of ore mineral detection using a far-IR spectrometer”, Front Earth Science (Lausanne), vol. 11, 2023, doi: 10.3389/feart.2023.1190825.
• [5] R.N. Grugel and H. Toutanji, “Sulfur ‘concrete’ for lunar applications - Sublimation concerns”, Advances in Space Research, vol. 41, no. 1, pp. 103-112, 2008, doi: 10.1016/j.asr.2007.08.018.
• [6] D. Juracka, J. Katzer, J. Kobaka, I. Świca, and K. Seweryn, “Concept of a 3D-Printed Voronoi Egg-Shaped Habitat for Permanent Lunar Outpost”, Applied Sciences (Switzerland), vol. 13, no. 2, 2023, doi: 10.3390/app13021153.
• [7] C. Heinicke and M. Arnhof, “A review of existing analog habitats and lessons for future lunar and Martian habitats”, REACH, vol. 21-22, 2021, doi: 10.1016/j.reach.2021.100038.
• [8] G. Cesaretti, E. Dini, X. De Kestelier, V. Colla, and L. Pambaguian, “Building components for an outpost on the Lunar soil by means of a novel 3D printing technology”, Acta Astronautica, vol. 93, pp. 430-450, 2014, doi: 10.1016/j.actaastro.2013.07.034.
• [9] T. Watari, Z. Cao, A.C. Serrenho, and J. Cullen, “Growing role of concrete in sand and climate crises”, iScience, vol. 26, no. 5, art. no. 106782, 2023, doi: 10.1016/J.ISCI.2023.106782.
• [10] T. Sik Lee, J. Lee, and K. Yong Ann, “Manufacture of polymeric concrete on the Moon”, Acta Astronautica, vol. 114, pp. 60-64, 2015, doi: 10.1016/j.actaastro.2015.04.004.
• [11] H.A. Toutanji, S. Evans, and R.N. Grugel, “Performance of lunar sulfur concrete in lunar environments”, Construction and Building Materials, vol. 29, pp. 444-448, 2012, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2011.10.041.
• [12] C.S. Ray, S.T. Reis, S. Sen, and J.S. O’Dell, “JSC-1A lunar soil simulant: Characterization, glass formation, and selected glass properties”, Journal of Non-Crystalline Solids, vol. 356, no. 44-49, pp. 2369-2374, 2010, doi: 10.1016/j.jnoncrysol.2010.04.049.
• [13] K.T. Wang, P.N. Lemougna, Q. Tang, W. Li, and X. min Cui, “Lunar regolith can allow the synthesis of cement materials with near-zero water consumption”, Gondwana Research, vol. 44, 2017, doi: 10.1016/j.gr.2016.11.001.
• [14] P.J. Collins, J. Edmunson, M. Fiske, and A. Radlińska, “Materials characterization of various lunar regolith simulants for use in geopolymer lunar concrete”, Advances in Space Research, vol. 69, no. 11, pp. 3941-3951, 2022, doi: 10.1016/J.ASR.2022.03.012.
• [15] D.S. McKay and D.W. Ming, “Mineralogical and chemical properties of the lunar regolith”, in Lunar Base Agriculture: Soils for Plant Growth. American Society of Agronomy, 1989, doi: 10.2134/1989.lunarbaseagriculture.c4.
• [16] L.A. Taylor, et al., “Mineralogical and chemical characterization of lunar highland soils: Insights into the space weathering of soils on airless bodies”, Journal of Geophysical Research Planets, vol. 115, no. E2, 2010, doi: 10.1029/2009JE003427.
• [17] J. Katzer and J. Kobaka, “Influence of fine aggregate grading on properties of cement composite”, Silicates Industriels, vol. 74, no. 1-2, 2009.
• [18] J. Chen, J. Wang, and W. Jin, “Study of magnetically driven concrete”, Construction and Building Materials, vol. 121, pp. 53-59, 2016, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2016.05.152.
• [19] P.K. Zarzycki and J. Katzer, “A proposition for a lunar aggregate and its simulant”, Advances in Space Research, vol. 65, no. 12, pp. 2894-2901, 2020, doi: 10.1016/j.asr.2020.03.032.
• [20] H.A. Omar and M. Issa, “Production of lunar concrete using molten sulfur”, in Proceedings of the 4th International Conference on Engineering, Construction and Operations in Space. 1994, pp. 952-959.
• [21] M.H. Shahsavari, M.M. Karbala, S. Iranfar, and V. Vandeginste, “Martian and lunar sulfur concrete mechanical and chemical properties considering regolith ingredients and sublimation”, Construction and Building Materials, vol. 350, art. no. 128914, 2022, doi: 10.1016/J.CONBUILDMAT.2022.128914.
• [22] H.A. Toutanji, S. Evans, and R.N. Grugel, “Performance of lunar sulfur concrete in lunar environments”, Construction and Building Materials, vol. 29, pp. 444-448, 2012, doi: 10.1016/J.CONBUILDMAT.2011.10.041.
• [23] Z. Hu, et al., “Research progress on lunar and Martian concrete”, Construction and Building Materials, vol. 343, 2022, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2022.128117.
• [24] C. Montes, et al., “Evaluation of lunar regolith geopolymer binder as a radioactive shielding material for space exploration applications”, Advances in Space Research, vol. 56, no. 6, pp. 1212-1221, 2015, doi: 10.1016/j.asr.2015.05.044.
• [25] G. Xiong, X. Guo, S. Yuan, M. Xia, and Z. Wang, “The mechanical and structural properties of lunar regolith simulant based geopolymer under extreme temperature environment on the moon through experimental and simulation methods”, Construction and Building Materials, vol. 325, 2022, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2022.126679.
• [26] M. Arnhof, S. Pilehvar, A.L. Kjøniksen, and I. Cheibas, “Basalt fibre reinforced geopolymer made from lunar regolith simulant”, presented at Proceedings of the 8TH European Conference for Aeronautics and Space Sciences (EUCASS), 2019.
• [27] Exolith, “Lunar Highlands (LHS-1) High-Fidelity Moon Dirt Simulant”. [Online] Available: https://exolith simulants.com/collections/regolith-simulants/products/lhs-1-lunar-highlands-simulant.
• [28] V.G. Narushin, M.N. Romanov, and D.K. Griffin, “Egg and math: introducing a universal formula for egg shape”, Annals of the New York Academy of Sciences, vol. 1505, no. 1, pp. 169-177, 2021, doi: 10.1111/nyas.14680.
• [29] V.G. Narushin, M.N. Romanov, and D.K. Griffin, “Non-destructive measurement of chicken egg characteristics: Improved formulae for calculating egg volume and surface area”, Biosystems Engineering, vol. 201, pp. 42-49, 2021, doi: 10.1016/j.biosystemseng.2020.11.006.
• [30] M. Özcan and U. Yaman, “A continuous path planning approach on Voronoi diagrams for robotics and manufacturing applications”, Procedia Manufacturing, vol. 38, pp. 1-8, 2019, doi: 10.1016/J.PROMFG.2020.01.001.
• [31] C.C. Tung, Y.Y. Lai, Y.Z. Chen, C.C. Lin, and P.Y. Chen, “Optimization of mechanical properties of bio-inspired Voronoi structures by genetic algorithm”, Journal of Materials Research and Technology, vol. 26, pp. 3813-3829, 2023, doi: 10.1016/J.JMRT.2023.08.210.
• [32] B. Bostan, M. Küsbeci, M. Çetin, and M. Kırca, “Buckling performance of fuselage panels reinforced with Voronoi-type stiffeners”, International Journal of Mechanical Sciences, vol. 240, art. no. 107923, 2023, doi: 10.1016/J.IJMECSCI.2022.107923.
• [33] https://cfbrasz.github.io/Voronoi.html.
• [34] B. Sherwood, “Principles for a practical Moon base”, Acta Astronautica, vol. 160, pp. 116-124, 2019, doi: 10.1016/J.ACTAASTRO.2019.04.018.
• [35] J.M. Sarkissian, “Return to the Moon: A sustainable strategy”, Space Policy, vol. 22, no. 2, pp. 118-127, 2006, doi: 10.1016/J.SPACEPOL.2005.12.007.
• [36] N.I. Cool, et al., “Matrix transformation of lunar regolith and its use as a feedstock for additive manufacturing”, iScience, vol. 26, no. 4, art. no. 106382, 2023, doi: 10.1016/J.ISCI.2023.106382.
• [37] K. Seweryn, P. Paśko, and G. Visentin, “The Prototype of Regolith Sampling Tool Dedicated to Low Gravity Planetary Bodies”, in Mechanisms and Machine Science, vol. 73. Springer, 2019, pp. 2711-2720, doi: 10.1007/978-3-030-20131-9_268.