Journal of the Korean Geotechnical Society (한국지반공학회논문집)

Korean Geotechnical Society (한국지반공학회)
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Investigation of Technical Requirements for a Protective Shield with Lunar Regolith for Human Habitat

월면토를 이용한 달 유인 우주기지 보호층의 기술적 요구조건에 관한 연구

  • Lee, Jangguen (Dept. of Future & Smart Construction Research, Korea Institute of Civil Engrg. and Building Technology) ;
  • Gong, Zheng (Dept. of Civil and Environmental Engrg., Univ. of Science and Technology) ;
  • Jin, Hyunwoo (Dept. of Future & Smart Construction Research, Korea Institute of Civil Engrg. and Building Technology) ;
  • Ryu, Byung Hyun (Dept. of Future & Smart Construction Research, Korea Institute of Civil Engrg. and Building Technology) ;
  • Kim, Young-Jae (Dept. of Future & Smart Construction Research, Korea Institute of Civil Engrg. and Building Technology)
  • 이장근 (한국건설기술연구원 미래스마트건설연구본부 ) ;
  • 공정 (과학기술연합대학원대학교 ) ;
  • 진현우 (한국건설기술연구원 미래스마트건설연구본부 ) ;
  • 유병현 (한국건설기술연구원 미래스마트건설연구본부 ) ;
  • 김영재 (한국건설기술연구원 미래스마트건설연구본부 )
  • Received : 2023.09.13
  • Accepted : 2023.09.25
  • Published : 2023.10.31
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Abstract

The discovery of lunar ice in the lunar polar region has fueled international interest in in situ resource utilization (ISRU) and the construction of lunar habitats. Unlike Earth's atmosphere, the Moon presents unique challenges, including frequent meteoroid impacts, direct exposure to space radiation, and extreme temperature variations. To safeguard lunar habitats from these threats, the construction of a protective shield is essential. Lunar regolith, as a construction material, offers distinct advantages, reducing transportation costs and ensuring a sustainable supply of raw materials. Moreover, it streamlines manufacturing, integration schedules, and enables easy repairs and modifications without Earth resupply. Adjusting the shield's thickness within the habitat's structural limits remains feasible as lunar conditions evolve. Although extensive research on protective shields using lunar regolith has been conducted, unresolved conflicts persist regarding shield requirements. This study conducts a comprehensive analysis of the primary lunar threats and suggests a minimum shield thickness of 2 m using lunar regolith. Furthermore, it outlines the necessary technology for the rapid construction of such protective shields.

달 극지방에 얼음이 존재한다는 사실을 발견하고 달 현지자원활용과 유인기지 건설에 국제적 관심이 증대되고 있다. 대기가 없는 달은 지구환경과 다르게 운석충돌, 우주방사선, 극한 온도편차의 위험에 노출되고 있다. 이러한 3대 위협요소로부터 유인 우주기지를 보호하기 위해 보호층 시공이 반드시 요구된다. 월면토를 보호층 시공 재료로 사용하는 것은 지구-달 운송에 필요한 비용 절감과 대량의 원자재 확보라는 관점에서 상당히 매력적이다. 또한, 별도의 제작 및 통합 일정을 위한 추가적인 시간이 필요치 않고 지구에서 재보급 없이 쉽게 수리 및 개조가 가능하다. 환경이 변하는 경우에도 유인 우주기지의 구조적 한계 내에서 보호층 두께 조절이 가능하다. 월면토를 이용한 보호층과 관련한 다양한 연구들이 진행되어 왔으나, 보호층의 요구조건에 대해서는 다양한 의견들이 제시되어 왔다. 본 논문에서 달 지상 3대 위협요소별로 상세히 살펴본 결과를 토대로 장기 유인거주를 위해서는 2m 이상의 보호층 시공이 필요한 것으로 판단하였다. 이를 기반으로 보호층 시공에 필요한 기술과 달 지상에서 급속으로 시공이 가능한 방안을 제시하고자 한다.

Keywords

Acknowledgement

본 연구는 과학기술정보통신부 한국건설기술연구원 연구운영비지원(주요사업)사업으로 수행되었습니다(과제번호 20230144-001, 유인 우주기지 건설 핵심기술 협력 개발).

References

  1. Anderson, J. and Smith, R.E., "Natural Orbital Environment Guidelines for Use in Aerospace Vehicle Development", NASA TM-4527, 1994.
  2. Aulesa, V., Ruiz, F., and Casanova, I. (2000), "Structural Requirements for the Construction of Shelters on Planetary Surfaces", Proc., Space 2000, K. M. Chua et al., eds., ASCE, Reston, Va., 403-409.
  3. Carrier, W. D. and Mitchell, J. K. (1989), "Geotechnical Engineering on the Moon", De Mello Volume, Editora Edgard Blucher Ltda., Sao Paulo, pp.51-58.
  4. Carrier, W. D. (2003), "Particle Size Distribution of Lunar Soil", Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol.129, No.10, pp.956-959. https://doi.org/10.1061/(ASCE)1090-0241(2003)129:10(956)
  5. Farries, K. W., Visintin, P., Smith, S. T., and van Eyk, P. (2021), "Sintered or Melted Regolith for Lunar Construction: State-of-the-art Review and Future Research Directions", Construction and Building Materials, Vol.296, p.123627.
  6. Fateri, M., Meurisse, A., Sperl, M., Urbina, D., Madakashira, H. K., Govindaraj, S., Gancet, J., Imhof, B., Hoheneder, W., Waclavicek, R., Preisinger, C., Podreka, E., Mohamed, M. P., and Weiss, P. (2019), "Solar Sintering for Lunar Additive Manufacturing", Journal of Aerospace Engineering, Vol.32, No.6, p.04019101.
  7. Hayashida, K. B. and Robinson, J. H. (1991), "Single Wall Penetration Equations", NASA Technical Memorandum 103565, Huntsville, Alabama.
  8. Jablonski, A. M. and Ogden, K. A. (2008), "Technical Requirements for Lunar Structures", Journal of Aerospace Engineering, Vol.21, No.2, pp.72-90. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0893-1321(2008)21:2(72)
  9. Jin, H., Lee, J., Ryu, B.H., Shin, H.S., and Chung. T. (2021), "Vacuum Pressure Effect on Thermal Conductivity of KLS-1", J. Korean Geotechnical Society, Vol.37, No.8, pp.51-58.
  10. Kim, Y. J., Ryu, B. Y., Jin, H., Lee, J., and Shin, H. S. (2021), "Microstructural, Mechanical, and Thermal Properties of Microwave-sintered KLS-1 Lunar Regolith Simulant", Ceramic International, Vol.47, No.19, pp.26891-26897. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.06.098
  11. Lindsey, N. J. (2003), "Lunar Station Protection: Lunar Regolith Shielding", Proceedings of International Lunar Conference, Hawaii, pp.143-148.
  12. Montes, C., Broussard, K. Gongre, M., Simicevic, N., Mejia. J., Tham, J., Allouche, E., and Davis, G. (2015), "Evaluation of Lunar Regolith Geopolymer Binder as a Radioactive Shielding Material for Space Exploration Applications", Advances in Space Research, Vol.26, pp.1212-1221. https://doi.org/10.1016/j.asr.2015.05.044
  13. Moorhead, A.V., Koehler, H.M., Cooke, W.J., and Space, M. (2015), NASA meteoroid engineering model release 2.0.
  14. Nair, G. M., Murthi, K. R. S., and Prasad, M. Y. S. (2008), "Strategic, Technological and Ethical Aspects of Establishing Colonies on Moon and Mars", Acta Astronaut, Vol.63, pp.1337-1342. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2008.05.012
  15. National Council on Radiation Protection and Measurements (1989), "Guidance on radiation received in space activities", NCRP Rep. No.98.
  16. Nealy, J. E., Wilson, J. W., and Townsend, L. W. (1988), "Solar-Flare Shielding With Regolith at a Lunar-Base Site", NASA Technical Paper 2869.
  17. Phuah, X. L., Wang, H., Zhang, B., Cho, J., Zhang, X., and Wang, H. (2020), "Ceramic Material Processing Towards Future Space Habitat: Electric Current-assisted Sintering of Lunar Regolith Simulant", Materials, Vol.13, No.18, p.4128.
  18. Ulubeyli, S. (2022), "Lunar Shelter Construction Issues: The State-of-the-art Towards 3D Printing Technologies", Acta Astronautica, Vol.195, pp.318-343. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2022.03.033
  19. United States Nuclear Regulatory Commission (2014), "Standards for protection against radiation", https://www.nrc.gov/reading-rm/doc-collections/cfr/part020/full-text.html.
  20. Wong, I. M., Siochi, E. J., Grande, M. L., Moses, R. W., Waltz, S. W. J., Silbernagel, R., Hayward, E. G., and Barkhurst. M. E. (2022), "Design Analysis for Lunar Safe Haven Concepts", Proceeding AIAA SCITECH 2022 Forum, 1567.