2000 년대 초 신문과 상업 공간 (SpaceX, Blue Origin 등)의 출현은 우주 환경에서 귀중한 자원을 얻는 수십 년 전의 개념의 부활을 가져 왔습니다. 우주 공동체에서 ISRU (in situ resource utilization) 및 더 광범위하게 "공간 자원"으로 알려진이 아이디어는 미네랄, 요소 (탄소, 산소 등) 및 기타 귀중한 금속 및 휘발유를 인류가 만날 수있는 행성의 표면에서 추출하는 것입니다.
.우주 환경에서 이러한 재료를 복구하면 지구에서 자원을 발사 할 필요성이 줄어들고 발사 비용을 극적으로 떨어 뜨리고 행성 간 임무의 수명을 연장하며 지구에 대한 자원 추출의 영향을 완화시킵니다.
이러한 귀중품을 수확하기 위해서는 강도와 응집력과 같은 물리적 특성에 대한 지식이 있어야합니다. 추출 장비 설계는 이러한 특성에 대한 기대와 가용 전력 및 에너지 오프 맨 오프 맨 오프 에너지의 한계와 지구에서 질량을 발사하는 높은 비용을 기반으로합니다. 표면의 강도에 대한 적절한 지식이 없으면 우리가 겪을 가능성이 높습니다. Philae Lander의 Mupus-Pen 장치가 2014 년 Comet 67p 표면에 침투하지 못하는 것으로 입증 된 바와 같이, 임무 실패의 위험은 극적으로 증가합니다 (Biele et al., 2015).
.MIT 연구원 인 Jared Atkinson, Sara Seager 및 William Durham은 미래의 임무의 위험을 줄이고 혜성과 소행성의 표면 과정에 대한 통찰력을 제공하기위한 단계로서, 2 개의 지상파와 인디애나 석회암의 극저온 행동을 특성화하기 위해 노력했습니다. 77k에서 295k 사이의 온도에서 건조되고 완전 물 포화 샘플의 실패 강도 (압축 스트레스 하에서)의 실험실 측정은 5 MPa의 제한 압력 (대부분)에서 제한된 압력 (대부분의 경우, 외계 표면에서 발견 될 수있는 얼음 포화 재료의 거동에 대한 놀라운 모습을 제공합니다.
.얼음 점 (0C 또는 273K) 아래에서 얼음 포화 유사체의 강도는 온도가 감소함에 따라 급격히 증가하며, 얼음 암석이 마른 암석 단독 또는 얼음이 모공을 채우는 것보다 강합니다 (그림 1). 일반적으로, 재료의 조합은 개별 재료 특성의 일부 평균 특성을 가지고 있지만, 여기서 마른 암석은 "그라우팅"이라고 알려진 것을 통해 기공 얼음에 의해 크게 강화됩니다. 얼음은 기공 내에서 구조적 요소를 형성하여 기공 공간 (일반적으로 공기)의 약한 가스를 단단한 고체로 대체합니다. 얼음의 크리스탈 구조 내에서 특정 열 활성화 공정 (예 :탈구 크리프)의 지연으로 인해 온도가 감소함에 따라 얼음이 강화되면 얼음 암석이 비슷하게 강화됩니다.
극저온 온도에서 다공성 암석에 대한 얼음의 강화 효과의 크기는 인상적이다 (도 1). 포화 석회암은 강도가 4 배 증가한 반면 응회암은 거의 10 배 강화되었습니다. 과립 혜성 시뮬레이트에 대한 유사한 경화 결과는 소위 "Kosi"실험에서 Kochan et al., 1989에 의해보고되었으며 Mellor (1971)와 Podnieks et al. (1968)은 정의되지 않은 압력 조건에서 유사한 석회암의 강화를 관찰했다.
행성 과학자들과 ISRU 연구자들에게 특히 관심이있는 것은 이러한 극저온 온도에서 포화 유사체의 행동이다. 구체적으로 지배적으로 연성 된 행동에서 지배적으로 부서 지기로의 전환. 그림 2는 연성 형과 240k (샘플의 부풀어 오른 중심으로 표시됨)에서 150k (큰 골절과 길이에 따른 부종 부족으로 표시됨)에 이르기까지 열풍 동작의 비교를 보여줍니다. 이 상태 사이의 전이는 150k에서 200k 사이에서 발생하며 180k보다 큰 온도에서 얼음이 취성에서 연성으로의 얼음 전이에 의해 지배 될 가능성이 높습니다 (Durham et al., 1983).
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MIT 연구자들은 연구 결과가 소행성이나 혜성에서 발견되는 얼음 포화 물질의 강도에 대한 상한으로 취해야한다고 제안합니다. 석회암과 응회암은 모두 지상 암석이며 혜성이나 소행성에서는 발견되지 않을 것입니다. 특히 석회암은 시멘트 탄산염 암석이지만 탄소 질 연골과 유사한 밀도와 다공성을 갖는다 (Britt et al., 1987). 혜성과 소행성의 표면은 완전히 포화 될 가능성이 없으며 표면 압력은 일반적으로 5 MPa보다 훨씬 작을 것으로 예상됩니다.
그러나, 결과는 극저온 온도에서 얼음 표면과 상호 작용하는 임무에 의해 최소 몇몇 MPA를 초과하는 상당한 강도가 예상되어야한다는 것을 의미한다. 가까운 미래에 여러 샘플 검색 임무가 계획되고 우주 공동체가 Isru를 현실로 만들기위한 강력한 추진으로 MIT가 보여주는 극저온 온도에서의 강도 증가는 미션 성공을 보장하는 데 중요한 고려 사항이 될 것입니다.
.이러한 결과는 최근 ICARUS 저널에 발표 된 빙상화 외계 암석 아날로그의 강도라는 제목의 기사에 설명되어 있습니다. 이 작품은 매사추세츠 주 공과 대학의 Jared Atkinson, William B. Durham 및 Sara Seager가 수행했습니다.
참조
- Biele, J., Ulamec, S., Maibaum, M., Roll, R., Witte, L., Jurado, E., Muñoz, P., Arnold, W., Auster, H., Casas, C., Faber, C., Fantinati, C., Finke, F., Fischer, H., Geurts, K., Güttler, C., Heinisch, P. S., Kargl, G., Knapmeyer, M., Knollenberg, J., Kofman, W., Kömle, N., Kührt, E., Lommatsch, V., Mottola, S., Pardo de Santayana, R., Remetean, E., Scholten, F., Seidensticker, K.J., Sierks, Spohn, 2015. Philae의 착륙 및 혜성 표면 기계적 특성에 대한 추론. 과학 349 (6247), 9816-1-9816-6.
- Britt, D.T., Yeomans, D., Housen, K., Consolmagno, G.J., 1987. 소행성 밀도, 다공성 및 구조, IN :소행성 III. 애리조나 대학교 출판부, 485–500 쪽.
- Durham, W.B., Heard, H.C., Kirby, S.H., 1983. 고압 및 저온에서 다결정 H2O 얼음의 실험적 변형 - 예비 결과, IN :14 번째 월 및 행성 과학 회의의 절차, 1 부. pp. B377 – B392.
- Durham, W.B., Kirby, S.H., Stern, L.A., 1992. 행성 조건에서 물 얼음의 유변학에 분산 된 미립자의 영향. J. Geophys. 해안 97, 20,883-20,897. https://onlinelibrary.wiley.com/action/cookieabesent
- Kochan, H., Roessler, K., Ratke, L., Heyl, M., Hellman, H., Schwehm, G., 1989. 다른 모델 혜성 재료의 지각 강도 :om :혜성 재료의 물리 및 역학.
- Mellor, M., 1971. 저온에서 암석의 강도와 변형. 엔지니어 군단, 미 육군, 냉부 지역 연구 및 엔지니어링 실험실, 하노버, NH.
- Podnieks, E.R., Chamberlain, P.G., Thill, R.E., 1968. 암석 특성에 대한 환경 영향 :Grey, K.E. (ed.), 기본 및 응용 암석 역학. 215–241 쪽.
