Каменное литье

Намек на каменное литье. Инвернесс, упоминаемый в тексте, находится недалеко от знаменитого Лох-Несского озера.

ОСТЕКЛЕНЕННЫЕ КРЕПОСТИ В ГЕЙЛАНДЕ (Highlands), что в Шотландии

Остеклененные крепости, видимые в Гейланде и находящиеся на вершинах многих гор, имеют в себе странность совсем несвойственную сей части земного шара. Важнейшая из них была близ Инвернесса, имея во внутренности около трех сот футов длины и сто в ширину. Защита ее состояла в двух стенах, сделанных из разного вещества камней, посредством растопления тесно соединившихся между собою. От них и поныне остаются еще довольно большие массы. Шотландские ученые прилежно вникали, желая узнать, каким образом были растапливаны сии каменья – особливо в такой стране, где совсем нет лесу; однакож все их догадки не имеют никакого вероятия.

Из книги «ДОСТОПАМЯТНОСТИ В МИРЕ, или Описание существующих на земле редких произведений природы и искусства, как-то: великолепных или огромных зданий древних и новых времен, гротов, источников, пещер, подземелий, огнедышущих гор, развалин, памятников, воздушных явлений, редких животных, и словом, всего по чему либо достойнаго примечания; Сочинение, служащее для забавы и научения юношества обоих полов, Изданное Г. Пропиаком. Перевод с французскаго. ЧАСТЬ ПЕРВАЯ». Москва, 1822.

Фотография Шотландского нагорья взята по ссылке: https://visibleearth.nasa.gov/images/92040/a-clear-view-of-scottish-highlands

Книга Б.П. Вейнберга «Желтый уголь (Мощность лучистой энергии Солнца)», 1929 г.

Учёные из авторитетных институтов и научно-производственных объединений нашей страны считают, что строительство на Луне обитаемых помещений различного назначения будет возможно способом их печати солнечными 3D-принтерами из расплавленного лунного базальта. Об этом свидетельствуют многочисленные публикации в научных журналах и других изданиях. В качестве примера привожу ниже две статьи, взятые из сборников «Материалы 53-х Научных чтений памяти К.Э. Циолковского» (Калуга, 2018) и «Материалы 54-х Научных чтений памяти К.Э. Циолковского. Часть 2» (Калуга, 2019). Архив чтений можно скачать на сайте Государственного музея истории космонавтики имени К.Э. Циолковского: https://gmik.ru/muzeinaya-rabota/nauchnyie-chteniya-pamyati-k-e-tsiolkovskog/ Набрав в поисковой строке сборников за разные годы слова: «базальт» и «принтер» можно увидеть, что статей данной тематики в них много.

…

РАЗМЕР ОСВАИВАЕМОЙ ТЕРРИТОРИИ НА ЛУНЕ

Багров А.В., Леонов В.А.
Институт астрономии РАН, Москва

Характер освоения Луны будет определяться двумя доминантными факторами. Если добыча ресурсов и связанное с ней строительство обитаемых помещений на Луне будет определяться только собственными энергетическими возможностями колонии, то темп строительства (освоения источников минеральных ресурсов) будет ограничен поступлением солнечной энергии на осваиваемую территорию. Величина солнечной постоянной такова, что солнечная энергия может обеспечить тепловую переработку 1 грамма базальта в секунду с каждого квадратного метра сбора солнечного света. Один солнечный строительный 3-D принтер (10 м2 собирающей свет площади) позволит перерабатывать 10 тонн лунного базальта в месяц (за один лунный день). При такой производительности за год можно построить около 45 м2 обитаемого помещения [1]. Если же одновременно использовать 100 таких 3-D принтеров (т.е. использовать площадь сбора света 0,01 га), то объем строительства составит 4500 м2/год. Иными словами, приток солнечной энергии позволяет на площади сбора света строить в 4,5 раза больше полезной площади или возводить 4,5 этажа монолитного здания с толщиной стен и перекрытий по 0,5 метра. Для возведения постройки будет использоваться 12000 тонн лунного базальта в год, причем тоннели от выемки такого количества материала будут иметь объем 4800 м3, что при высоте тоннеля 4 метра даст еще 1200 м2 обитаемых помещений.
Прочность базальтов на сжатие позволяет без дополнительных креплений возводить на Луне здания в 2000 этажей. Наибольший объем внутренних помещений будет иметь сооружение приблизительно кубической формы. Одиночное здание высотой 2000 этажей при средней высоте помещений 3 метра будет иметь размер 6х6х6 км, причем полезная площадь каждого этажа составит около 36 млн. м2. Если принять, что жилая площадь составит 1 % от полезной площади, то один город-дом вместит 10 миллионов человек, причем на каждого жителя придется 72 м2. Скорость строительства помещений на Луне может быть увеличена только за счет увеличения площади сбора солнечного света 3-D принтерами.
Строительство обитаемых помещений на большой площади для Луны будет нецелесообразно. Полноценную защиту от космической радиации может обеспечить только слой базальта толщиной 4 метра, то есть над полностью безопасными помещениями должны располагаться еще 3 этажа с толщиной перекрытий по 0,5 м. То же самое можно сказать и о внешнем периметре надземных помещений.
В отличие от земных условий, на Луне будет неограниченная возможность подземного строительства, но только при условии полной утилизации добытого из проходок грунта. Создание терриконов из отвалов будет недопустимо, и с помощью строительных 3-D принтеров все отходы (в том числе не перерабатываемые бытовые) можно будет использовать для строительства. Таким образом, темпы строительства помещений на Луне будут определяться темпом добычи минерального сырья из недр под обитаемой территорией. Если потребности в минеральных ресурсах окажутся меньше, чем в вынимаемой породе при строительстве подземных помещений, то излишки не переработанной породы пойдут на строительство надземных этажей.
Сама логика строительства обитаемых помещений на Луне показывает, что лунные поселения будут компактными. На территории площадью 30 км2 может разместиться мегаполис с числом жителей не менее 10 миллионов человек. Поэтому при лицензировании деятельности на Луне [4] можно предложить ограничение на размер осваиваемой территории лунной поверхности кругом радиусом 10 миль (цифра – условная), так как такая территория в 1000 км2 в 30 раз больше, чем описанный мегаполис.

Литература

1. Багров А.В. и др. Анализ методов строительства конструкций лунных станций // Вестник ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина». 2014. № 4 (25). С. 75–80.
2. Багров А.В., Леонов В.А., Сысоев В.К. О возможности строительства обитаемых помещений на Луне до проведения пилотируемых миссий // Материалы XI Международной научно-практической конференции «Пилотируемые полеты в космос» / Звездный городок: НИИ «ЦПК им. Ю.А. Гагарина», 2015. С. 13–14.
3. Леонов В.А., Багров А.В. Поселения на Луне как единый социально-индустриальный кластер // Материалы 52-х Научных чтений памяти К.Э. Циолковского «Проблемы и будущее российской науки и техники» / Калуга: Изд-во АКФ «Политоп», 2017. С. 122–125.
4. Багров А.В., Леонов В.А. Нерешенные юридические проблемы освоения космоса // Материалы 50-х Научных чтений памяти К.Э. Циолковского «К.Э. Циолковский и этапы развития космонавтики» // Калуга: ИП Стрельцов И.А. (Изд-во «Эйдос»), 2015. С. 383–384.

Идеи К.Э. Циолковского в контексте современного развития науки и техники.
Материалы 53-х Научных чтений памяти К.Э. Циолковского. Калуга, 2018. С. 337–338.

…

Багров А.В.
доктор физико-математических наук,
ведущий научный сотрудник
Институт астрономии РАН,
г. Москва

ТЕМПЫ СТРОИТЕЛЬСТВА ПОМЕЩЕНИЙ НА ЛУНЕ СОЛНЕЧНЫМИ 3D-ПРИНТЕРАМИ

THE PACE OF CONSTRUCTION OF THE PREMISES ON THE
MOON SOLAR 3D PRINTERS

Хозяйственная деятельность на Луне будет связана с промышленной переработкой основных лунных пород – базальтов – с целью извлечения из них кислорода и металлов. Одновременно будет вестись строительство помещений в недрах Луны и на ее поверхности из лунного реголита, излишков извлеченных при проходке тоннелей пород и переработанного базальта. Однако строительство жилых, лабораторных и производственных помещений будет являться первоочередной задачей при освоении Луны. На начальном этапе освоения именно строительство будет основным потребителем добываемого минерального сырья [1]. Поверхность Луны покрыта тонким слоем реголита – дробленого вещества основной лунной породы – базальтов. Прочность реголита очень низка, поэтому капитальные постройки на Луне будет выгодно возводить на очищенном от реголита скальном основании. Само строительство будет вестись с помощью строительных 3D-принтеров, использующих солнечную энергию для плавления реголита и другого измельченного минерального сырья, и строительства из этих каменных пород монолитных зданий. Монолитный базальт имеет высокую прочность, достаточную, чтобы возводить из него здания в несколько тысяч этажей без применения дополнительных крепежных элементов. Поскольку возводимые здания будут выполнять функцию защиты внутренних помещений от космической радиации, толщина стен этих построек должна быть не менее 0,5 м.
Лунный реголит покрывает поверхность Луны слоем от нескольких сантиметров до нескольких метров, поэтому одного только реголита для масштабного строительства будет недостаточно. Другим методом строительства помещений будет прокладка шахт и тоннелей в скальных недрах Луны. Эти помещения тоже не будут нуждаться в крепях, поскольку на Луне не бывает землетрясений, а прочность базальта очень высока. Извлеченный при проходке базальт не должен попадать в отвалы, а должен полностью утилизироваться в качестве строительного материала. В дальнейшем базальт будет использоваться как основное сырье для извлечения из него кислорода и металлов (базальты наполовину состоят из окислов металлов и наполовину – из окислов кремния). Отходы от переработки базальтов также могут быть использованы для строительства.
Строительные 3D-принтеры будут представлять собой концентраторы солнечного света – сферические зеркала из пленочных материалов, в фокусе которых температура будет достигать несколько тысяч градусов [2]. Если в пятно сфокусированного солнечного света сыпать порошкообразное минеральное сырье (реголит или измельченный базальт), то оно будет плавиться. Температура плавления базальтов составляет от 1100 ºС до 1400 ºС, а при температуре 3500 ºС составляющие базальты окислы будут распадаться на кислород и металлы [3]. Энергии собираемого солнечного светового потока одним зеркалом площадью 10 м2 достаточно, чтобы плавить 10 г базальта в секунду. Один строительный 3D-принтер с таким зеркалом способен выплавлять 15 тонн строительных конструкций в год. Если на строительстве будет одновременно работать 1000 принтеров (площадь сбора света 1 га), то темп переработки базальта вырастет до 10 кг/с, или до 15000 тонн/год. В этом случае перерабатываемый объем камня составит 6000 м3. Если принять высоту помещений равную 3 метрам, то годовой прирост площади помещений за счет проходки тоннелей и использования добытого материала дойдет до 8000 м2 в год. Принимая потребности в площади 100 м2/чел., ежегодно можно создавать помещения для 20 новых поселенцев. Этот расчет соответствует темпу строительства, использующему исключительно попадающему на стройку потоку солнечного света. Темпы строительства могут быть существенно увеличены, если к месту строительства подводится энергия из удаленных источников.
На полное строительство помещений для колонии из 50 миллионов человек площадью 5000 миллионов м2 потребуется 250 лет. 500-этажный «мегадом» такой площади разместится на территории 3х3 км, на которой разместится 100000 принтеров. Простота конструкции строительных 3D-принтеров позволит наладить их массовый выпуск непосредственно на Луне, а одновременное использование большого числа строительных 3D-принтеров позволит при необходимости обеспечить жилыми помещениями на Луне всех жителей Земли в очень короткие сроки.

Литература

1. Багров А.В., Митькин А.С., Москатиньев И.В. и др. Предложения по развитию инженерной инфраструктуры как важного этапа в исследовании и освоении Луны // Вестник НПО им. С.А. Лавочкина. 2018. № 1/42. С. 24–30.
2. Valentin K. Sysoev, Alexander V. Bagrov and Vladislav A. Leonov Solar 3D-printer for lunar construction // Abstr. book of the 3rd Intern. Conf. and Exhibition on Satellite & Space Missions // V. 6. Issue 2 (Suppl.). 2017. P. 74.
3. Багров А.В., Сысоев А.К., Сысоев В.К., Юдин А.Д. Моделирование спекания имитаторов лунного грунта солнечным излучением // Письма о материалах. 2017. Т. 7. № 2. С. 130–132.

Научное наследие и развитие идей К.Э. Циолковского.
Материалы 54-х Научных чтений памяти К.Э. Циолковского. Часть 2. Калуга, 2019. С. 268–271.

…

Обо всём этом стоит сказать следующее. Людям, которые не сталкивались с плавлением базальта, идея 3D-печати им различных конструкций может казаться вдохновляющей и привлекательной. Но специалисты знают, что послойное сплавление базальта невозможно. 10 г базальта в секунду, расплавленные солнечным принтером, быстро остыв, тут же превратятся в стекло, которое не будет иметь прочности. Напечатанная дорожка из базальта-стекла лопнет, если принтер нальёт на неё новую из расплавленного базальта. Напечатать помещение не получиться.
Чтобы строить на Луне базальтовые дома и развернуть там большое строительство, нужно прежде всего запустить на ней ядерный реактор, с помощью которого можно будет плавить базальт, а также отжигать его после заливки в формы. Во время отжига базальт закристаллизуется и снова превратится в камень. Блоки из плавленого базальта разной величины станут хорошим стеновым материалом для освоения планеты.
Но, плавка базальта солнечной энергией (без 3D-печати), безусловно, заслуживает внимания. Изготовить оптическое плавильное устройство и начать на нём плавки-эксперименты является моей давней мечтой. Уверен, что результат будет. Солнечная установка позволит выплавлять в небольшом объёме базальтовые стекла технического и декоративного назначения (развитие народного творчества). А если к ней добавить ещё одну, то на второй установке можно будет осуществлять отжиг базальтовых отливок, т.е. в целом получить мини-лабораторию-мастерскую по каменному литью, причём передвижную! Всех неравнодушных коллег призываю к работе в этом направлении. Поможет на этом пути книга Б.П. Вейнберга «Желтый уголь (Мощность лучистой энергии Солнца)», 1929 г. Книга редкая, её стоимость (в электронном виде; отсканирована в высоком качестве) – 1000 руб. Содержание и образцы страниц прилагаю. Для заказа обращайтесь по телефону: +7 902–47–322–21 (Telegram, WhatsApp, Viber) или электронной почте: sergey@ogaryshev.org