Zmienią pył księżycowy w beton. Posłuży do budowy kolonii
Pył, który dziś kojarzy się nam głównie z problemem dla astronautów, jutro może stać się fundamentem ich domów. Zespół inżynierów pokazał, że symulowany księżycowy grunt można stopić laserem i zamienić w twarde, odporne struktury.
Od lat plany stałych baz na Księżycu rozbijają się o proste równanie: masa = pieniądze. Każdy kilogram stali, betonu czy gotowych modułów wysłany z Ziemi kosztuje fortunę, a i tak nie rozwiązuje problemu długoterminowej rozbudowy. Właśnie dlatego w wizjach przyszłych kolonii coraz częściej pojawia się skrót ISRU – In-Situ Resource Utilization, czyli korzystanie z zasobów dostępnych na miejscu.
Najbardziej oczywistym zasobem na Księżycu jest regolit – bardzo drobny, suchy pył pokrywający niemal całą powierzchnię. To mieszanina pokruszonych skał, szkła i minerałów, powstała przez miliardy lat bombardowania mikrometeoroidami. Z perspektywy inżynierów to coś między piaskiem a popiołem: trudno się po tym chodzi, wdziera się w sprzęt, ale zawiera mnóstwo materiału, który można spróbować ujarzmić.
Problem w tym, że prawdziwego regolitu dostępnego do analiz jest jak na razie bardzo mało. Są to próbki przywiezione przez misje Apollo i kilka sond bezzałogowych. Do eksperymentów laboratoryjnych używa się więc jego sztucznych odpowiedników. W nowym badaniu sięgnięto po LHS-1 – materiał zaprojektowany tak, by możliwie wiernie naśladował pył z księżycowych wyżyn, czyli silnie pofałdowanych, mocno bombardowanych obszarów bogatych w skały bazaltowe.
Jak działa druk 3D z księżycowego pyłu?
Zespół z amerykańskiego uniwersytetu przemysłowego sięgnął po technikę zwaną laserowym drukiem 3D typu DED (directed energy deposition). W dużym uproszczeniu wygląda to tak, że na przygotowaną powierzchnię wysypuje się cienką warstwę proszku, a następnie precyzyjnie sterowany laser topi ten proszek punkt po punkcie, łącząc go w jeden spójny fragment. Potem nakłada się kolejną warstwę i powtarza cały proces, aż powstanie trójwymiarowy obiekt.
W omawianym eksperymencie zamiast metalowego proszku użyto właśnie symulantu LHS-1. Badacze przetestowali go na kilku podłożach: stalowej płytce, szkle oraz specjalnej ceramice na bazie glinokrzemianów. W każdym przypadku laser topił drobiny regolitu, które spływały i zastygały w postaci cienkich, nałożonych na siebie warstw przypominających spieczone szkliwo.
Ważne okazało się to, jak takie księżycowe szkło trzyma się podłoża. Na stali i szkle materiał pękał i odspajał się, jakby zestresowany nagłymi zmianami temperatury. Za to w kontakcie z ceramiką glinokrzemianową tworzył z nią wspólne struktury krystaliczne, dzięki czemu całość była dużo stabilniejsza termicznie i mechanicznie. W prawdziwej bazie księżycowej być może część elementów nośnych będzie wykonywana z bardziej ziemskich materiałów, a regolit posłuży jako warstwa ochronna nadrukowana na wierzch.
Regolit, który zachowuje się jak beton
Choć z bliska wydrukowane próbki wyglądają trochę jak lukier na pączku w tłusty czwartek, z punktu widzenia inżyniera liczą się tak naprawdę tylko 3 cechy: wytrzymałość, odporność na szok termiczny i zachowanie pod wpływem promieniowania. Nowe badanie koncentruje się przede wszystkim na dwóch pierwszych.
Na Księżycu panują ekstremalne wahania temperatury. W słońcu powierzchnia może nagrzewać się do ponad 100 st. C, a w cieniu spadać do około -170 st. C. Do tego dochodzą cykle dnia i nocy trwające po około 14 ziemskich dób. Materiał konstrukcyjny musi więc znosić ciągłe rozszerzanie i kurczenie bez pękania. Testy pokazały, że odpowiednio stopiony i zespolony z właściwym podłożem regolit wytrzymuje gwałtowne zmiany temperatury lepiej, niż wskazywałby jego piaszczysty wygląd.
Kolejna kwestia to wytrzymałość mechaniczna. Regolit w postaci luźnego proszku absolutnie nie nadaje się na ścianę. Po przetopieniu i zestaleniu zaczyna zachowywać się jak coś pomiędzy ceramiką a betonem – jest kruchy, ale twardy i odporny na ściskanie. Dla przyszłych baz ważniejsze od eleganckiej estetyki będzie właśnie to, że taka księżycowa cegła może przyjąć na siebie uderzenia mikrometeoroidów i część dawki promieniowania kosmicznego.
Badacze zauważyli też, że właściwości materiału silnie zależą od warunków druku: obecności tlenu, mocy lasera i prędkości przesuwania głowicy. Za słaby promień nie stopi proszku do końca, za silny doprowadzi do spękań. Dopiero systematyczne testy pozwalają zawęzić złoty zakres parametrów dla przyszłych maszyn, które kiedyś mają działać już nie na Ziemi, tylko na orbicie i na powierzchni Księżyca.
Budowanie z tego, co jest pod stopami. Czym jest ISRU?
In-Situ Resource Utilization, czyli wykorzystywanie lokalnych zasobów, to dziś jedno z ważniejszych haseł w planach długotrwałego podboju Księżyca i Marsa. Zamiast wozić wszystko z Ziemi, chcemy korzystać z tego, co znajduje się na miejscu: lodu wodnego w zacienionych kraterach, dwutlenku węgla z marsjańskiej atmosfery czy właśnie regolitu, który można przerobić na materiał budowlany, a nawet panele słoneczne.
Druk 3D jest do tego naturalnym narzędziem. Już dziś używa się go do budowania domów z betonu czy mieszanek glebowych, a agencje kosmiczne testują podobne technologie na symulantach regolitu. Wcześniejsze koncepcje zakładały np. mieszanie księżycowego pyłu z niewielką ilością spoiwa lub spiekanie go mikrofalami, by otrzymać twarde bloki. Nowy eksperyment z laserem i LHS-1 dołącza do tej rodziny podejść, pokazując, że można drukować z księżyca w sposób przypominający zaawansowany przemysł metalowy na Ziemi.
Przeczytaj także:
Dla misji Artemis, w ramach których planuje się stałą obecność ludzi na powierzchni Księżyca w rejonach bogatych w lód, takie technologie mogą być różnicą między krótkim wypadem a faktycznym osiedleniem się. Jeśli uda się drukować z regolitu nie tylko małe próbki, lecz także płyty lądowisk, osłony przeciwpromienne czy elementy ścian, każda kolejna misja będzie musiała zabrać ze sobą mniej ziemskich materiałów.
