Nieziemskie wyzwania – nadzwyczajne rozwiązania
czyli działalność Koła Naukowego da Vinci w semestrze zimowym 2021-2022
„Uczestnicy zimowych spotkań KN da Vinci wraz z opiekunem. Od lewej: (inż. Patryk Krawiec, inż. Robert Klamut, inż. Rafał Materna, mgr inż. Marcin Kaczmarzyk, inż. Aleksandra Marut, inż. Patryk Lorynowicz, inż. Justyna Domka, inż. Aleksandra Ożibko, inż. Izabela Radymska, inż. Karol Milan).
Prezes Koła, inż. Aleksandra Marut trzyma model Księżyca zrealizowany metodą druku 3D w skali 1:25 mln”
W czasie gdy zimowa aura i pandemiczne obostrzenia nie sprzyjają wyjściom ani wyjazdom, działające przy Katedrze Budownictwa Ogólnego PRz koło naukowe da Vinci oferuje możliwość bliższego przyjrzenia się tematom wykraczającym poza horyzont szarej codzienności. Prowadzący liczne zajęcia na naszej specjalności Budownictwo Zrównoważone mgr inż. Marcin Kaczmarzyk zorganizował cykl spotkań poświęconych zagadnieniom, którymi na co dzień zajmuje się w swojej pracy naukowej, czyli modelowaniu energetycznemu budynków księżycowych. W tym krótkim tekście chcielibyśmy podzielić się tym, co najbardziej zapadło nam w pamięć ze spotkań Koła Naukowego da Vinci, jakie odbywały się w minionym semestrze.
Dziś jeszcze nie, ale jutro…
Co prawda obecnie na powierzchni Księżyca nie znajdują się żadne budynki, ale rozkręcająca się rywalizacja między Stanami Zjednoczonymi a Chinami może już wkrótce zmienić ten stan rzeczy. Warunki na powierzchni Księżyca bardzo różnią się od tych, jakie doskonale znamy z powierzchni Ziemi, zatem i przyszłe budynki księżycowe będą musiały sprostać zupełnie innym wymaganiom niż te, jakie narzucają nam dziś krajowe i unijne przepisy.
Niech wreszcie ustanie kosmiczne bombardowanie!
Poza niższą siłą ciążenia, brakiem wiatru, zachmurzenia i opadów, Księżyc od Ziemi odróżnia brak atmosfery i magnetosfery, czyli jedynych naturalnych zabezpieczeń powierzchni przed promieniowaniem kosmicznym. Z tego powodu wysokoenergetyczne cząstki pochodzące ze Słońca oraz innych galaktycznych źródeł, bez żadnych przeszkód bombardują powierzchnię Księżyca, stanowiąc poważne zagrożenie dla zdrowia przyszłych eksploratorów. Podczas naszych spotkań można było dowiedzieć się, że rozwiązaniem tego problemu oraz ochroną przed tymże zagrożeniem mogą być masywne, ponad metrowej grubości przegrody budowlane usypane z regolitu, czyli księżycowego gruntu. Takie pancerne ściany będą dodatkowo w stanie ochronić budynek przed uderzeniami większości meteoroidów, czyli drobnych kosmicznych odłamków skalnych podróżujących z iście kosmicznymi prędkościami przez Układ Słoneczny.
Styropianowy dom na styropianowym podłożu
Niezwykłą własnością księżycowego gruntu jest jego ekstremalnie niska przewodność cieplna wynosząca około 0,00125 W/mˑK. Tym, którym to nic nie mówi wyjaśniamy, że to ponad 30 razy mniej niż w przypadku styropianu! Regolit ma przy tym gęstość objętościową podobną do ziemskiego żwiru. Pomimo występowania ekstremalnych dobowych zmian temperatur (od -180°C w nocy do +120°C w dzień), budynek osłonięty metrowej grubości warstwą regolitu będzie wg ziemskich standardów budynkiem zero-energetycznym.
Dlaczego tak długo?
Nadzwyczajne własności termofizyczne regolitu to niestety jednak nie tylko złote panaceum na liczne problemy księżycowego budownictwa – to także twardy orzech do zgryzienia dla tych, którzy chcieliby prowadzić termiczne symulacje komputerowe w księżycowym środowisku. Jak mówi mgr Kaczmarzyk, samo tylko zapewnienie stabilności numerycznej modelu, czyli sprawienie ,aby symulacja w ogóle „ruszyła” i nie „wysypała się” podczas obliczeń wymaga niezwykle subtelnego wyważenia licznych parametrów modelu takich jak np. długość kroku czasowego i rozmiar elementów skończonych. Ale zmuszenie modelu do działania to dopiero połowa sukcesu – na uzyskanie miarodajnego wyniku przychodzi jednak niekiedy długo poczekać. Opiekun naszego Koła wyjaśnia, że każdą symulację termiczną zaczyna się od przyjęcia pewnych warunków początkowych, czyli wstępnego rozkładu temperatur modelu. Cytując dosłownie „od takiego stanu początkowego symulacja musi ewoluować do cyklicznie powtarzalnego stanu niestacjonarnego. Innymi słowy, w każdym węźle modelu o danej porze księżycowej doby musi pojawić się ta sama temperatura jak księżycową dobę wcześniej.” Wysoka gęstość i bardzo niska przewodność cieplna regolitu składają się na niespotykanie wysoką bezwładność cieplną całego układu, który w pełnej, trójwymiarowej wersji liczy sobie ponad 230 000 węzłów. W takim modelu ciepło przepływa niezwykle powoli i dlatego przeprowadzenie pojedynczej symulacji, nawet na wysokiej klasy komputerze może zająć nawet kilkanaście tygodni.
Trzeba zatem uzbroić się w cierpliwość i mieć nadzieję, że mająca trwać tyle czasu symulacja nie zawiera błędów…
Co dalej?
Na tym jednak nie kończy się działalność naszego koła naukowego. Ciągle możemy się wiele dowiedzieć i z ogromną przyjemnością będziemy kontynuować nasze spotkania w kolejnych semestrach. Pan mgr Kaczmarzyk opowiada o zagadnieniach kosmicznych z ogromną pasją, którą zaraża również studentów. Jako przedsmak możemy zdradzić, że na kolejnych spotkaniach mamy w planach oglądanie kolekcji meteorytów , a tematem naszych rozmów ma być m.in. pozyskiwanie energii potrzebnej do funkcjonowania budynków na Księżycu. Zagadnienia te nie mają końca, są bardzo interesujące i jednocześnie mogą się okazać bardzo przydatne, gdyż nie wiadomo jak potoczy się przyszłość i być może projektowanie budynków na innych globach będzie kiedyś naszą codziennością. Może w przyszłości w planach zajęć studentów nie będzie już Konstrukcji Drewnianych, a pojawią się Konstrukcje z Regolitu.
Bardzo dziękujemy naszemu opiekunowi mgr inż. Marcinowi Kaczmarzykowi za wprowadzenie nas w świat tak nowych i egzotycznych zagadnień, życząc jednocześnie powodzenia na ostatnim etapie przygotowań rozprawy doktorskiej!
Autorzy tekstu: inż. Aleksandra Marut, inż. Patryk Lorynowicz II BB-DU
luty 2022 roku
