Почему на Луне моча астронавтов станет самым полезным ресурсом

НАСА без устали работает над проектом по отправке человека на Луну в 2024 году. Космическое агентство подписало контракты с тремя компаниями на разработку лунного посадочного модуля. Но высадка на Луну — это только первый шаг. К 2030 году НАСА планирует построить на Луне постоянно действующую базу, которая должна будет стать плацдармом для полетов на Марс.

Доставлять продукты питания с Земли слишком дорого, поэтому для пребывания на Луне на протяжении длительного времени астронавтам придется использовать местные ресурсы, в частности лунный грунт — реголит. Это отличный строительный материал. Еще на Южном полюсе Луны есть водяной лед, из которого можно производить ракетное топливо.

Но самым ценным ресурсом на Луне вполне может оказаться моча самих астронавтов. Европейские ученые, смешав мочевину (вторая главная составляющая мочи после воды) с лунным грунтом, получили геополимер, который имеет свойства, схожие с бетоном. Он может использоваться для строительства посадочных площадок, жилья и прочих объектов.

На Земле геополимеры широко применяются в качестве экологичной альтернативы обычному бетону. Один из главных компонентов бетона — цемент, при производстве которого выделяется большое количество двуокиси углерода. Производство геополимеров не требует больших затрат энергии. Вместо цемента в них используются измельченные камни или летучая зола, которая образуется при сжигании угля. Смешав эти компоненты с водой и определенными реактивными соединениями, можно получить мягкий материал, которому легко придать нужную форму.

Большая часть лунной инфраструктуры, скорее всего, будет печататься на промышленных 3D-принтерах. Использование кирпичей было бы неэффективным и существенно ограничило бы круг возможных построек, тогда как роботизированные 3D-принтеры могли бы самостоятельно строить более сложные объекты.

Лунный реголит имеет схожие с летучей золой свойства, поэтому геополимеры выглядят привлекательным вариантом для строительства на Луне. Недостаток геополимеров в том, что для сохранения текучести (необходимой для их использования в 3D-принтерах) понадобится много воды.

«Вода — очень ценный ресурс на Луне, — говорит Марлис Арнхоф из Европейского космического агентства. — Целью нашего исследования было снизить количество воды, которая потребуется для производства геополимеров».

Для снижения содержания воды в бетоне и геополимерах без потери текучести используются материалы, которые называются суперпластификаторами. Самые распространенные суперпластификаторы — это нафталин и поликарбоксилат.

Арнхоф и ее коллеги обнаружили, что мочевина ничуть не хуже справляется с этой задачей, к тому же ее легко можно добывать на Луне. Вместо того, чтобы очищать мочу и перерабатывать сточные воды, ученые предлагают хранить мочу в цистерне и выделять из нее мочевину.

Чтобы проверить свою идею на практике, ученые смешали синтетическую мочевину с имитатором лунного реголита, придали им форму цилиндров размером с кулак и высушили под прессом. Затем они симулировали прохождение через сопло 3D-принтера, выдавив полученный материал из шприца. После этого они сравнили полученный образец с традиционными геополимерами. «Результаты обнадеживают, — говорит Анна-Лена Кёниксен, материаловед из Университетского коллежда Эстфолла. — Особенно в том, что касается предотвращения образования трещин».

Новый полимер из мочевины может помочь в постройке убежищ, защищающих астронавтов от ионизирующего излучения. У Луны нет ни атмосферы, ни мощного магнитного поля, чтобы отражать солнечную радиацию. Это означает, что, пребывая на лунной поверхности, астронавты будут подвергаться повышенному риску развития рака. Геополимеры доказали свою эффективность при иммобилизации жидких радиоактивных отходов. Арнхоф считает, что это их свойство можно использовать и на Луне для защиты астронавтов, только вместо того, чтобы предотвращать утечку радиации наружу, геополимеры будут предотвращать ее попадание внутрь.

Европейское космическое агентство сейчас проводит исследование, которое должно помочь установить, насколько геополимер из мочевины эффективно защищает от радиации. Кроме того, ученым еще предстоить доказать, что материал можно производить на Луне.

В предыдущем исследовании Арнхоф и ее коллеги создавали геополимер при комнатной температуре и на открытом воздухе. Но печатать на 3D-принтере в условиях вакуума намного труднее. К тому же геополимер должен выдерживать высокие перепады температуры на Луне (от −173 °C ночью до +127 °C в подсолнечной точке).

Геополимеры (с использованием мочевины или без) — многообещающая альтернатива спеканию, еще одному возможному подходу к строительству объектов на Луне, считает Фил Метцгер, планетолог из Университета Центральной Флориды и эксперт по полезным ископаемым Луны.

При спекании реголит необходимо будет расплавлять. На Луне трудно добывать энергию, и для постройки крупных объектов потребуется несколько солнечных электростанций. Строительство на базе полимеров организовать проще, но Метцгер сомневается в возможности использовании мочи в качестве суперпластификатора на Луне. Он считает более вероятным, что полимеры будут доставляться с Земли или добываться из лунного льда.

«На Луне просто не будет столько людей, чтобы обеспечить достаточное количество мочи», — говорит Метцгер.

Вряд ли НАСА станет отправлять на Луну ракеты с мочой, чтобы восполнить недостаток этого ресурса. Но для мочи астронавтов есть достаточно других применений и помимо производства цемента. Можно, например, перерабатывать ее в питьевую воду, как это делают астронавты на МКС. На Южном полюсе Луны есть замерзшая вода, но до сих пор неясно, насколько трудно будет ее добывать. К тому же в ней содержатся такие токсичные вещества, как ртуть и сероводород, а значит, ее сначала нужно будет очистить.

Но даже если астронавты всё-таки будут пить воду с Луны, а не переработанную мочу, производство геополимеров всё равно может быть не лучшим применением для мочи.

Намного эффективнее использовать ее для выращивания пищи: при разложении мочи образуются аммиак и двуокись углерода, а некоторые микробы могут преобразовывать аммиак в нитратные соли, которые можно использовать в качестве удобрения. Это позволит создать замкнутую систему жизнеобеспечения.

Ученые из Германского центра авиации и космонавтики уже давно успешно выращивают овощи на человеческой моче. В 2018 году они запустили спутник для испытаний миниатюрной версии своих теплиц на земной орбите.

На бесплодной поверхности каждая капля жидкости ценна. Поэтому,как бы ни использовалась моча — в качестве стройматериала, удобрения или питьевой воды, — она станет важным ресурсом в процессе колонизации нашей Солнечной системы.