Кеңістіктегі құрылыс архитектурасындағы болат құрылымның болашағы

Неге кеңістіктегі ғимараттар архитектурасы үшін болат құрылым қазір қарқын алуда?

Басқаша айтқанда, болат — әсіресе өзінің салмағына қарағандағы әсерлі беріктігі, төмен құны және Жерден тыс ортада да жақсы өңделу қабілеті арқасында ғарышта ғимараттар салу үшін негізгі материалға айналуда. Алюминий немесе титан сияқты басқа материалдармен салыстырғанда, қазіргі болат қорытпалары ғарыш ортасындағы күшті температура тербелістеріне — шамамен -160 °C-тан 120 °C-қа дейін — горазы да көп төтеп береді. Сонымен қатар, олар кішкентай ғарыш тастарының соғылуына да төтеп береді, бұл Айда немесе Марста орналасқан кез келген тұрақты орнықтырылған орта үшін міндетті талап. Болатқа нейтрондарды сіңіретін элементтерді, мысалы, борды қоссақ, ол қазіргі уақытта қолданылатын материалдарға қарағанда массасы бойынша 15–40 пайызға жоғары сәулеленуге қарсы қорғаныс қамтамасыз етеді. Нысандарды ұшуға дейін модульдерге бөліп жасау Жердің орбитаға шығару үшін қажетті жалпы салмақты шамамен 30% азайтады. Сондай-ақ, болатты шексіз қайта өңдеуге болатынын ұмытпау керек, бұл ресурстар шектеулі орындар үшін идеалды шешім болып табылады. Бұл тек теория ғана емес: NASA 2023 жылы осы мәселеге зерттеу жүргізіп, қолданылатын болаттың тәжірибеде барлығын қайта қолдануға болатынын анықтады; олардың зерттеулері болаттың 98%-ға жуығын қайта өңдеуге болатынын көрсетті.

Темірбетон құрылымдарының экстремалды ғарыштық ортадағы жұмыс істеу сапасы

Жоғары беріктікті темір қоспаларының термиялық циклдауға және микрометеориттерге төзімділігі

Қазіргі заманғы темір қоспалары минус 150 градус Цельсийден бастап плюс 120 градус Цельсийге дейінгі экстремалды температураларда ыдырамай көтере алады. 2023 жылы NASA-ның HI-SEAS зертханасында жүргізілген сынақтар көрсеткендей, олардың темір құрылымдары 300 термиялық циклдан кейін де микротрещиналарға 98% құпиялық деңгейде төзімді болды. Бұл құпия — тығыз құрылымды шекаралық инженерлік әдістерде жатыр, олар арқылы бұл арнайы қорытпалар 12 км/с жылдамдықпен қозғалатын микрометеориттерді «шашыратып» жібереді. Бұл қазіргі заманғы ғарыштық сапалы металдармен салыстырғанда материалға пенетрация (тереңдікке ену) деңгейін шамамен 40% азайтады.

Наноқұрылымды ферритті қорытпалар арқылы вакуумдық салдарынан туындайтын қаттылықтың төмендеуін болдырмау

Наноқұрылымды ферриттік қорытпалар (NFAs) сутегін тотығы таралған шекараларда ұстап, вакуумдық сүйрелу құбылысына қарсы әсер етеді. Тәжірибелік үлгілер 18 ай бойы модельдеуленген ғарыштық вакуумда 92% серпімділігін сақтады — бұл негізгі болаттарға қарағанда 14% жақсартылған көрсеткіш; осылайша олар температура –200°C төмен болатын тұрақты көлеңке түсетін Ай бетінің аймақтары үшін ерекше қолайлы.

Салыстырмалы өнімділік: болат құрылымы мен алюминий мен титан арасындағы салыстыру Ай реголитінің сүйрелу әсеріне қарсы

Болат Ай реголитінің сүйрелу әсеріне қарсы алюминий мен титаннан жоғары өнімділік көрсетеді. Зертханалық сынақтар (ISRU 2024) көрсеткендей:

Болаттың хром-карбидті матрицасы реголиттің енуіне қарсы тұрады — ал алюминий бекітпе қосылыстары 100 км ұзақтығы бар модельдеуленген шаңды дауылдар кезінде 32%-ға нашарлайды. Титан қайталанған циклдік жүктемеге төзімділігі жақсырақ, бірақ болаттың эрозияға төзімділігін қамтамасыз ету үшін оның қалыңдығы үш есе артық болуы қажет.

Сәулеленуге және жылулық қатайтуға арналған келешектегі болат қорытпалары

Нейтронды сіңіруге және жылулық тұрақтылыққа арналған өте сирек кездесетін жер элементтерімен легирленген темір-болат гибридтері

Иттербий мен гадолиний сияқты өте сирек кездесетін жер элементтерімен легирленген темір-болат композиттері дәстүрлі экрандау материалдарына қарағанда шамамен 40 пайызға көп нейтрондарды сіңіреді. Бұл материалдар 1200 градус Цельсийден жоғары температурада да беріктігін сақтайды. Мәселенің мәнісі осы қосылған элементтердің материал құрылымындағы дислокацияларды негізінен «құттықтап» ұстайтын тұрақты нанооксидтерді құруында. Бұл радиациялық әсерге байланысты ісіну құбылысын болдырмауға және жақсы жылу өткізгіштік қасиеттерін сақтауға мүмкіндік береді. Бұл жағдайдағы нағыз артықшылық — бір ғана материалдың космостық сәулелерге қарсы қорғаныс пен температураның өзгеруіне төзімділік қасиеттерін бір мезгілде қамтамасыз етуінде, яғни әрбір қызмет үшін жеке-жеке әртүрлі материалдарды қолдану қажет емес.

Сәулеге төзімді мартенситтік коррозияға төзімді болаттар: Халықаралық ғарыш станциясында (ХҒС) экспозицияланған прототиптерден алынған тұжырымдамалар (2022–2024 жж.)

2022–2024 жылдар аралығында Халықаралық ғарыштық станцияда (ХҒС) сынақтан өткен мартенситтік коррозияға төзімді болат үлгілері Ай бетіндегі шамамен 15 жылға тең радиациялық сәулеленуге төзіп, бастапқы созылу беріктігінің шамамен 92%-ын сақтады. Бұл материал неге осындай төзімді? Оның құрылымындағы кішкентай дәндер радиациялық зақымды қанағаттандырып сіңіретін сияқты. Сонымен қатар, металдағы хром карбиді құрылымдары кішкентай саңылауларды ірі проблемаларға айналдыратын бірігу процесін тоқтатады. Бұл зерттеу нәтижелерін қарастырғанда, болат ұзақ мерзімді ғарыштық станцияларды салу үшін өте жақсы жарамды болып табылады. Болат тек басқа нұсқаларға қарағанда өндіруге оңай болғанымен, әр грамы қанша қорғаныс қамтамасыз ететінін қарастырғанда, ол титанға қарағанда радиацияға 30%-ға жоғары төзімділік көрсетеді.

Жедел жұмысқа қосу: Әлемнен тыс құрылыс үшін алдын ала дайындалған болат құрылымдық жүйелер

Автономды түрде Марсқа ұқсас жерде (HI-SEAS V) 72 сағат ішінде жиналатын модульді болат түйін жүйелері

Гавайида өткізілген HI-SEAS V эксперименттерінде роботтар стандартты болат қоспаларын пайдаланып, үш күн ішінде толық тұрғындық модульдарын жинады. Бұл жүйе геометриялық тұрғыдан дәл болуға және артық салмақты көтеруге қабілетті болу үшін құрылды. Сынақтар көрсеткендей, ол күтілгеннен 50% артық күштерге төзімді болды; бұл құбылыс Марста кездесетінге ұқсас тасты жерде сынақтар өткізілген кезде де байқалды. Бұл нәтиже алдын ала дайындалған болат бөлшектерді пайдаланудың, адам күші жетіспеген немесе жылдам құрылыс өте маңызды болған жағдайларда құрылыс уақытын қатты қысқартуға мүмкіндік беретінін көрсетеді.

Айдағы оттегі өнімдерін пайдаланатын орнында қорытуға негізделген болат қорытуы (ISRU)

Айдың жер бетін өңдеу негізінен оттегін өндіреді, бірақ басқа да маңызды нәрселер де бар. Қалдық материалда темір көп болады, ол болат өнімдерін шығару үшін өте жақсы шикізат болып табылады. Кейбір соңғы ISRU технологиясымен жүргізілген сынақтарда тікелей металды лазерлік спекрлеу (қысқартылуы DMLS) деп аталатын әдіспен конструкциялық бөлшектерді шынымен құруға қол жеткізілді. Олар бастапқы материал ретінде модельделген Ай топырағын пайдаланды. Бұл қаншалықты қызықты екенінің себебі — Жерден қажетті заттардың шамамен 85 пайызын қосымша жіберудің қажеті жоғалады. Яғни, ғарышкерлер қажетті ауыстырғыш бөлшектерді Айда өз орындарында өндіре алады, ал Жерден жіберілетін жеткізімді күтпейді. Сонымен қатар, Айда табиғи түрде атмосфера жоқ, бұл спекрлеу процесі үшін үлкен артықшылық болып табылады, өйткені Жерде бізбен күресетін барлық кедергілі ластанған заттардан арылуға мүмкіндік береді.

Сұрақтар мен жауаптар бөлімі

Неге болат кеңістіктегі құрылыс үшін қалайтын?

Балқыту құрамы бойынша мырыштың беріктігі мен салмағының қатынасы, қолайлы құны және алюминий мен титан сияқты басқа материалдарға қарағанда экстремалды температурада және микрометеориттік соққыларға төзімділігі салыстырмалы түрде жоғары болғандықтан, оның қолданылуы ұсынылады.

Балқыту құрамы бойынша мырыш радиациядан қорғау қасиетін қалай қамтамасыз етеді?

Бор сияқты нейтрондарды сіңіретін элементтермен араластырылған мырыш радиациядан қорғауды жақсартады және дәстүрлі материалдарға қарағанда бірлік массасына 15%–40% артық қорғау қабілетін қамтамасыз етеді.

Наноқұрылымды ферриттік қорытпалардың ғарышта қолданылуына не себеп болады?

Бұл қорытпалар сутегін ұстап тұру арқылы вакуумдық әсерден пайда болатын кемтіктерді азайтады, сондықтан ғарыш вакуумында ұзақ уақыт бойы әсер еткенде де пластиктілігін сақтайды.

Басқа планеталарда мырыш конструкцияларын тез жинауға бола ма?

Иә, модульді мырыш түйіндерінің жүйесі автономды жинау мүмкіндігін 72 сағат ішінде көрсетті, бұл Марсқа ұқсас жерлерде тез құрылыс жасауға мүмкіндік береді.