Procesory z pyłu księżycowego. Genialne czy szalone?
Krzem jest dla mięczaków. Przyszłość należy do kosmicznego pyłu i laserów. Nowa metoda drukowania elektroniki prosto z planetarnego gruntu to gamechanger, który wywraca do góry nogami całą logistykę kosmiczną.
Wziąć pył księżycowy, odzyskać z niego tlen, a to, co zostanie, zamienić w materiał do druku elektroniki. Brzmi jak pomysł szalonego naukowca, prawda? Właśnie nad tym pracuje teraz projekt ESA prowadzony przez Danish Technological Institute. Na razie nie chodzi o gotowe procesory, które zamontujesz w swoim pececie. Chodzi o znacznie bardziej przyziemny, ale potencjalnie przełomowy krok: przewodzące tusze, metaliczne proszki, ścieżki obwodów, przewody i większe elementy elektroniczne, które dałoby się wytwarzać lub naprawiać na Księżycu bez czekania na dostawy z Ziemi. To właśnie ten etap może być naprawdę rewolucyjny.
Księżyc nie jest pustynią z kurzu. To magazyn surowców, tylko bardzo niewygodny
Podstawowym surowcem w tym pomyśle jest regolit księżycowy, czyli warstwa pokruszonej skały, pyłu i drobnych odłamków pokrywająca powierzchnię Księżyca. Nie jest to ziemia w naszym rozumieniu, ale mieszanina mineralna powstała przez miliardy lat bombardowania meteorytami i działania ekstremalnych warunków. Taki regolit zawiera około 40-45 proc. tlenu wagowo, tyle że ten tlen nie występuje tam jako wolny gaz, tylko jest chemicznie związany w minerałach. To oznacza, że regolit jest jednocześnie problemem, jak i zasobem: utrudnia życie każdej aparaturze, ale zarazem może stać się źródłem powietrza, paliwa i materiałów technicznych.
To właśnie logika ISRU, czyli in-situ resource utilization – wykorzystywania lokalnych zasobów na miejscu. NASA od lat powtarza, że im dalej człowiek odleci od Ziemi, tym mniej sensu ma taszczenie ze sobą wszystkiego: wody, tlenu, materiałów budowlanych, części zamiennych i całej reszty. ISRU przez NASA jest traktowane nie jako fanaberia, ale jako warunek trwałej obecności ludzi na Księżycu i później na Marsie. Jeśli baza ma działać tygodniami, miesiącami albo latami, musi przynajmniej część rzeczy robić lokalnie.
Odpad po odzysku tlenu może być znacznie cenniejszy, niż wygląda
W projekcie ESA najciekawsze jest właśnie to sprzężenie dwóch potrzeb. Z jednej strony przyszłe misje księżycowe i tak będą chciały wydobywać z regolitu tlen – do oddychania, podtrzymywania życia, a w dalszej perspektywie także do napędu rakietowego. Z drugiej strony taki proces zostawia po sobie resztkę bogatą w metale. Zamiast traktować ją jak bezużyteczny odpad, zespół z DTI chce sprawdzić, czy da się z niej zrobić materiał do druku elektroniki. Ten sam proces miałby więc dostarczać jednocześnie tlenu i surowca dla późniejszej produkcji technicznej.
To niezwykle sprytne myślenie inżynieryjne. W misjach kosmicznych wszystko rozbija się o masę, energię i logistykę. Jeśli jeden system daje dwa pożytki naraz, natychmiast staje się dużo atrakcyjniejszy. Z tego punktu widzenia pomysł ESA nie jest szalony. Jest wręcz klasycznie kosmiczny: maksymalnie wykorzystać to, co i tak trzeba zrobić, i wycisnąć z tego jeszcze jeden użytek.
Jak to może mieć prawo działać?
Rdzeniem całego procesu jest elektroliza w stopionej soli. Symulowany regolit jest zanurzany w elektrolicie z chlorku wapnia rozgrzanym do około 800-1000 st. C. Po przyłożeniu napięcia tlen zostaje uwolniony z minerałów, a po drugiej stronie zostaje mieszanina metalicznych stopów. To właśnie tę pozostałość DTI chce później przekształcać w dwa typy produktów: przewodzące tusze do drukowania obwodów oraz metaliczne proszki do druku większych części.
Za część związaną z odzyskiem tlenu odpowiada brytyjski Metalysis, który od 2019 r. rozwija z ESA i UK Space Agency proces redukcji regolitu. Firma podkreśla, że ich wariant procesu FFC Cambridge uwalnia tlen z tlenków metali i może być skalowany dalej pod zastosowania kosmiczne.
Najpierw przewód i antena, dopiero potem procesory
W pierwszym kroku zespół chce pokazać, że z odtlenionego regolitu da się zrobić materiał przewodzący, a następnie wydrukować z niego kawałek przewodzącego przewodu. Wypowiedzi badaczy mówią też wprost o możliwych zastosowaniach takich materiałów np. do anten drukowanych bezpośrednio na Księżycu. To bardzo dużo, ale nadal jesteśmy daleko od pełnych układów scalonych, nie mówiąc już o nowoczesnych procesorach.
Dlaczego? Bo przewodząca ścieżka to tylko jeden fragment elektroniki. Żeby powstał nowoczesny procesor, potrzebne są nie tylko przewodniki, ale też skrajnie czyste materiały półprzewodnikowe, wielowarstwowa litografia, kontrola defektów na poziomie mikroskopijnym i bardzo złożony łańcuch technologiczny. NASA od lat rozważa wykorzystanie regolitu jako źródła metali i krzemu, a nawet wskazywała kiedyś możliwość produkcji materiału klasy elektronicznej, ale to wciąż inny poziom trudności niż wydrukowanie prostego przewodu czy anteny.
To jednak wcale nie umniejsza znaczenia projektu
W kosmosie często najbardziej przełomowe nie są rzeczy najbardziej spektakularne, tylko te najbardziej użyteczne. Jeśli przyszła załoga bazy księżycowej będzie mogła na miejscu dorobić przewodzącą ścieżkę, prosty element instalacji, fragment czujnika, część anteny albo komponent potrzebny do naprawy robota, to z punktu widzenia misji będzie to ogromna różnica. Potencjalne zastosowanie to m.in. naprawy robotów planetarnych, utrzymanie systemów elektrycznych w habitatów, budowę sieci łączności i wsparcie dla instrumentów naukowych.
Przeczytaj także:
Pamiętajmy, że nie zawsze problemem jest brak wielkiego silnika czy rakiety. Czasem problemem jest spalony element, uszkodzona ścieżka, pęknięty przewód albo część, której nie opłaca się czekać miesiącami z Ziemi. W takich sytuacjach lokalna produkcja prostszej elektroniki może być ważniejsza niż najbardziej widowiskowy eksperyment orbitalny.
