Na Księżycu zbudują wszystko z pyłu. Mają na to sposób

Na Księżycu nie ma oczywiście sklepu z częściami zamiennymi, a wysyłanie każdego kilograma materiału z Ziemi kosztuje dosłownie fortunę. Rozwiązaniem może być potraktowanie księżycowego pyłu jak surowca i połączenie go z tworzywem, które da się przetwarzać wiele razy. Naukowcy z Concordia University przygotowali właśnie taki kompozyt. Zawiera symulowany regolit i odzyskany PEKK, można drukować go w 3D, a po wykorzystaniu części ponownie rozdrobnić i zamienić w filament do kolejnego wydruku.

Stała obecność ludzi na Księżycu oznacza przede wszystkim ogromny problem logistyczny, którego nie da się rozwiązać samymi większymi rakietami. Każda śruba, narzędzie, osłona czy element lądownika zabrany z Ziemi zajmuje miejsce i po prostu zwiększa masę ładunku. Przy długotrwałych misjach znacznie atrakcyjniejsza byłaby możliwość produkowania przynajmniej części potrzebnych przedmiotów bezpośrednio na miejscu.

Najłatwiej dostępnego materiału nie trzeba tam długo szukać. Powierzchnię Księżyca pokrywa regolit, czyli warstwa drobno pokruszonych skał, minerałów i pyłu powstała wskutek miliardów lat uderzeń meteorytów. To nie jest odpowiednik ziemskiej gleby, ale z punktu widzenia przyszłej bazy stanowi ogromny magazyn surowca. Problem polega jednak na tym, że sam luźny regolit nie zmieni się nagle w klucz, wspornik czy amortyzującą konstrukcję. Trzeba nadać mu odpowiednią formę i właściwości.

W nowym badaniu Farshad Malekpour i Mehdi Hojjati z Concordia University połączyli więc symulant księżycowego regolitu z PEKK. Pod tym skrótem kryje się polieteroeteroketonketon, wytrzymałe termoplastyczne tworzywo przystosowane do pracy w wymagających warunkach i stosowane m.in. w przemyśle lotniczym i kosmicznym.

Kompozyt składał się z odzyskanego PEKK oraz 30 proc. masowych symulantu regolitu księżycowego. Prawdziwego materiału przywiezionego z Księżyca jest na ten moment zbyt mało, by zużywać go w tego rodzaju eksperymentach, dlatego badacze korzystają z przygotowanych na Ziemi mieszanek mineralnych naśladujących jego właściwości.

Całość przetworzono w filament, czyli materiał podawany do drukarki 3D. Z niego powstały standardowe próbki do badań mechanicznych, lekkie przestrzenne struktury oraz działający demonstrator w postaci klucza grzechotkowego.

Szczególnie interesujące dla badaczy były struktury o geometrii żyroidu. To przestrzenna, przypominająca gąbkę sieć kanałów, która przy niewielkiej masie może pochłaniać dużo energii podczas zgniatania. W tym przypadku nie chodzi więc o ściany przyszłego księżycowego domu, lecz o elementy projektowane tak, aby kontrolowanie odkształcić się pod obciążeniem i przejąć energię uderzenia.

Takie części mogłyby być przydatne chociażby w mechanizmach lądowników. Zamiast budować element, który za wszelką cenę ma pozostać nienaruszony, można zaprojektować część przejmującą energię uderzenia, a po spełnieniu zadania przetworzyć ją na nowy przedmiot.

Co ciekawe, PEKK wykorzystany przez naukowców nie był świeżym materiałem. Pochodził z wcześniej wykonanej struktury, która została rozdrobniona, zmielona na proszek, wysuszona i ponownie wykorzystana. Badacze powtórzyli cały proces 3 razy i nie zaobserwowali istotnej degradacji samego tworzywa ani wyraźnej utraty jego właściwości termicznych i mechanicznych.

Powstaje w ten sposób zamknięty obieg. Materiał przywieziony z Ziemi nie musi kończyć życia razem z pierwszą wykonaną z niego częścią. Zużyty element można rozdrobnić, dodać lokalnie dostępny regolit, przygotować kolejny filament i wydrukować coś innego.

To szczególnie ciekawie łączy się z innym pomysłem rozwijanym dla przyszłych baz. NASA pracuje już nad tworzywem, które mogłoby być produkowane poza Ziemią przy udziale bakterii, a następnie łączone z regolitem. Jeżeli podobne technologie dojrzeją, z Ziemi trzeba będzie dostarczać coraz mniejszą część materiału potrzebnego do produkcji.

Dodanie regolitu nie służyło wyłącznie temu, żeby zastąpić część ziemskiego tworzywa tym, co można znaleźć na Księżycu. Okazało się, że mineralne cząstki zmieniają również zachowanie PEKK podczas obróbki.

Kompozyt mniej kurczył się i odkształcał podczas wygrzewania. To istotna zaleta, ponieważ na Księżycu trudno będzie zbudować rozbudowany park maszynowy pozwalający poprawiać niedokładnie wykonane części. Im bliżej ostatecznego kształtu wychodzi przedmiot bezpośrednio z procesu produkcyjnego, tym lepiej. Dodanie regolitu obniżyło także temperaturę, przy której podczas ogrzewania zaczynała zachodzić krystalizacja PEKK. Obróbkę cieplną można więc prowadzić efektywniej.

Nie wszystko wypadło jednak lepiej. W kompozycie pojawiło się więcej wewnętrznych pustych przestrzeni niż w czystym PEKK, przez co materiał stał się bardziej kruchy. Autorzy zwracają przy tym uwagę, że problem nie wynikał z degradacji tworzywa podczas kolejnych cykli recyklingu. Duże znaczenie miały porowatość, sposób łączenia warstw podczas druku i sama geometria wydrukowanego obiektu.

Nowa technologia jest częścią znacznie większego kierunku określanego jako ISRU, czyli wykorzystywanie zasobów dostępnych bezpośrednio w miejscu prowadzenia misji. W przypadku Księżyca regolit jest jednym z najbardziej oczywistych kandydatów.

Nie istnieje przy tym jednak jeden sposób jego wykorzystania. Inne eksperymenty pokazały już, że symulowany księżycowy grunt można przetapiać laserem i drukować z niego twarde struktury przypominające materiał budowlany. Jeszcze inne zespoły próbują odzyskiwać z niego tlen, metale albo materiały potrzebne do produkcji prostych elementów elektronicznych.

Szczególnie ważne będzie sprawdzenie, jak takie materiały zachowują się poza ziemskim laboratorium. Próbki geopolimerów zawierających odpowiednik księżycowego regolitu spędziły już pół roku na zewnątrz Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, gdzie wystawiono je na próżnię, promieniowanie i duże zmiany temperatury.

Przeczytaj także:

Kompozyt PEKK z regolitem jest na znacznie wcześniejszym etapie. W obecnym eksperymencie wykorzystano ziemski odpowiednik księżycowego gruntu, a naukowcy drukowali niewielkie elementy w laboratorium. Nie mamy więc jeszcze technologii, którą można wysłać wraz z następnym lądownikiem i rozpocząć seryjną produkcję części.

Pokazano jednak, że materiał nie musi odbywać tylko jednej podróży od drukarki do kosza. Można zaprojektować system, w którym niewielki zapas zaawansowanego tworzywa przywiezionego z Ziemi jest ciągle odzyskiwany, a dużą część masy kolejnych przedmiotów zapewnia materiał po prostu leżący pod nogami astronautów.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI