Via het Artemis-programma hoopt NASA een permanente menselijke aanwezigheid op de maan te vestigen in het zuidelijke poolgebied. China, Rusland en het Europees ruimtevaartagentschap (ESA) hebben soortgelijke plannen, die allemaal betrekking hebben op de bouw van bases in de buurt van de permanent beschaduwde gebieden (PSR's), d.w.z. kraters die waterijs bevatten, die verspreid liggen over het South Pole-Aitken Basin.
Voor deze en andere instanties is het van cruciaal belang dat deze bases zo zelfvoorzienend mogelijk zijn, aangezien bevoorradingsmissies niet regelmatig kunnen worden gelanceerd en er meerdere dagen over doen om ter plaatse te komen. Daarom moet elk plan voor een maanbasis neerkomen op het oogsten van lokale hulpbronnen om zoveel mogelijk in de behoeften van de bemanning te voorzien, een proces dat bekend staat als In-Situ Resource Utilization (ISRU). In een recent onderzoek hebben onderzoekers van de Ohio State University (OSU) voorgesteld om een gespecialiseerde lasergebaseerde 3D-printmethode te gebruiken om maanregoliet om te zetten in verhard bouwmateriaal. Volgens hun bevindingen kan deze methode duurzame constructies opleveren die bestand zijn tegen straling en andere zware omstandigheden op het maanoppervlak. Het onderzoeksteam stond onder leiding van Sizhe Xu, een Graduate Research Associate aan de OSU. Hij werd bijgestaan door collega's van de afdelingen Integrated Systems Engineering, Mechanical and Aerospace Engineering en Materials Science & Engineering van de OSU. Hun artikel, “Laser directed energy deposition additive manufacturing of lunar highland regolith simulant”, verscheen in het tijdschrift Acta Astronautica.
Het belang van ISRU voor menselijke verkenning heeft geleid tot de snelle ontwikkeling van additive manufacturing-systemen, ook wel bekend als 3D-printen. Deze systemen zijn effectief gebleken bij het vervaardigen van gereedschappen, constructies en habitats, waardoor de afhankelijkheid van bevoorrading vanaf de aarde effectief wordt verminderd. Het ontwikkelen van dergelijke systemen voor langdurige missies is een van de meest uitdagende aspecten van het proces, omdat ze moeten worden ontworpen om te functioneren in de extreme omstandigheden op de maan. Dit omvat het ontbreken van een atmosfeer, enorme temperatuurschommelingen en het altijd aanwezige probleem van maanstof. Wetenschappers gebruiken twee soorten maanregoliet voor hun experimenten en onderzoek: Lunar Highlands Simulant (LHS-1) en Lunar Mare Simulant (LMS-1). Als onderdeel van hun onderzoek gebruikte het team LHS-1, dat rijk is aan basaltische mineralen, vergelijkbaar met gesteente monsters die zijn verkregen door de Apollo-missies. Ze smolten deze regoliet met een laser om lagen materiaal te produceren en smolten deze op een basisoppervlak van roestvrij staal of glas. Om te beoordelen hoe goed deze objecten zouden presteren in de maanomgeving, testte het team hun fabricageproces onder verschillende omgevingsomstandigheden.
Een ding dat hen opviel, was dat de gesmolten regoliet goed hechtte aan aluminiumsilicaatkeramiek, mogelijk omdat de twee verbindingen kristallen vormen die de hittebestendigheid en mechanische sterkte verbeteren. Hieruit bleek dat de algehele kwaliteit van het geprinte materiaal grotendeels afhankelijk is van het oppervlak waarop de regoliet wordt geprint. Andere omgevingsfactoren, zoals het zuurstofgehalte in de atmosfeer, het laservermogen en de printsnelheid, hadden ook invloed op de stabiliteit van het geprinte materiaal. Zoals Xu in een persbericht van OSU News uitlegde:
Door verschillende grondstoffen, zoals metaal en keramiek, te combineren in het printproces, hebben we ontdekt dat het uiteindelijke materiaal erg gevoelig is voor de omgeving. Verschillende omgevingen leiden tot verschillende eigenschappen, die direct van invloed zijn op de mechanische sterkte en de thermische schokbestendigheid van bepaalde componenten. Er zijn zoveel toepassingen waar we aan werken dat met nieuwe informatie de mogelijkheden eindeloos zijn.
Toegepast op het maanoppervlak zou dit proces kunnen helpen bij het bouwen van habitats en gereedschappen die sterk en veerkrachtig zijn en bestand zijn tegen de omstandigheden op de maan. Dit heeft als bijkomend voordeel dat de onafhankelijkheid van de aarde toeneemt, wat essentieel is voor het realiseren van langdurige missies op de maan. Deze technologie kan niet alleen astronauten helpen bij het verkennen van de maan in de nabije toekomst (als onderdeel van het Artemis-programma van NASA), maar kan ook leiden tot veerkrachtige habitats die een langdurige aanwezigheid van mensen op de maan, Mars en daarbuiten mogelijk maken. Er zijn echter verschillende onbekende omgevingsfactoren die de effectiviteit van deze systemen op andere werelden kunnen beperken, en er is meer data nodig voordat deze kunnen worden aangepakt. In hun studie suggereert het team dat toekomstige, opgeschaalde versies van hun methode in plaats van op elektriciteit te werken, gebruik zouden kunnen maken van zonne- of hybride energiesystemen. Niettemin is het potentieel voor ruimteverkenning duidelijk, en de technologie heeft ook toepassingen voor het leven hier op aarde. Sarah Wolff, assistent-professor in werktuigbouwkunde en lucht- en ruimtevaarttechniek en hoofdauteur van de studie, legt uit:
Er zijn omstandigheden in de ruimte die heel moeilijk te nabootsen zijn in een simulatie. In het lab werkt het misschien wel, maar in een omgeving met schaarse middelen moet je alles proberen om de flexibiliteit van een machine voor verschillende scenario's te maximaliseren. Als we erin slagen om met heel weinig middelen dingen te produceren in de ruimte, betekent dat dat we ook op aarde een betere duurzaamheid kunnen bereiken. Daarom werken we hard aan het verbeteren van de flexibiliteit van de machine voor verschillende scenario's.
Zoals het gezegde luidt: “Oplossingen voor de ruimte zijn oplossingen voor de aarde.” In omgevingen waar materialen en hulpbronnen beperkt zijn, is lasergebaseerd 3D-printen een van de verschillende technologieën die een duurzame levenswijze kunnen ondersteunen. Dit geldt zowel voor buitenaardse omgevingen als voor regio's op aarde die te maken hebben met de gevolgen van klimaatverandering.
Bron: Universe Today
