Drukarka 3D i pył księżycowy mogą zastąpić magazyn części zamiennych

Transport jednego kilograma zaopatrzenia na Księżyc to koszt, który trudno sobie wyobrazić, a na miejscu nie ma możliwości dokupienia brakującej śrubki czy osłony. Wyjściem z tej sytuacji może być traktowanie księżycowego pyłu jako pełnoprawnego surowca budowlanego, połączonego z tworzywem nadającym się do wielokrotnej obróbki. Taki właśnie materiał powstał w laboratoriach Concordia University – kompozyt łączący symulowany regolit z odzyskanym PEKK, który można drukować w 3D, a następnie rozdrabniać i przerabiać na filament do następnych wydruków.

Drukarka zamiast magazynu zapasowych części

Utrzymanie ludzkiej obecności na Księżycu rodzi głównie problem logistyczny, którego nie rozwiąże się po prostu budując większe rakiety. Każdy element zabrany z Ziemi – od drobnej śruby po osłonę czy część lądownika – zajmuje miejsce i dokłada się do masy ładunku. Przy misjach rozciągniętych w czasie dużo sensowniejsze byłoby wytwarzanie choć części niezbędnego wyposażenia na miejscu, bez konieczności czekania na kolejną dostawę z Ziemi.

Surowca na Księżycu akurat nie brakuje. Jego powierzchnię pokrywa regolit – rozdrobnione skały, minerały i pył, które powstały w wyniku miliardów lat bombardowania meteorytami. Nie jest to odpowiednik ziemskiej gleby, ale z perspektywy przyszłej bazy księżycowej to ogromne, darmowe złoże materiału. Kłopot w tym, że luźny regolit sam z siebie nie zamieni się w klucz, wspornik czy element konstrukcyjny – trzeba go najpierw przetworzyć i nadać mu odpowiednie właściwości.

W ramach nowego badania Farshad Malekpour i Mehdi Hojjati z Concordia University zmieszali symulant księżycowego regolitu z PEKK, czyli polieteroeteroketonketonem – wytrzymałym tworzywem termoplastycznym, wykorzystywanym między innymi w przemyśle lotniczym i kosmicznym, przystosowanym do pracy w bardzo wymagających warunkach.

Jedna trzecia kompozytu z księżycowego odpowiednika

Powstały materiał zawierał odzyskany PEKK oraz 30 proc. masy w postaci symulantu regolitu księżycowego. Prawdziwego pyłu przywiezionego z Księżyca mamy obecnie zbyt mało, by angażować go do takich prób, więc naukowcy sięgają po mieszanki mineralne przygotowane na Ziemi, które odwzorowują jego właściwości.

Z gotowej mieszanki wytworzono filament, czyli materiał podawany do drukarki 3D. Posłużył on do wykonania standardowych próbek przeznaczonych do testów wytrzymałościowych, lekkich struktur przestrzennych oraz funkcjonalnego prototypu – klucza grzechotkowego.

Badaczy szczególnie zainteresowały konstrukcje o geometrii żyroidu, czyli przestrzennej, przypominającej gąbkę siatce kanałów, która mimo niewielkiej masy pochłania duże ilości energii podczas ściskania. Nie chodziło tu o budowę murów przyszłego domu na Księżycu, lecz o elementy zaprojektowane tak, by w kontrolowany sposób odkształcać się pod obciążeniem i wytłumić energię uderzenia.

Tego typu komponenty mogłyby znaleźć zastosowanie np. w mechanizmach lądowników. Zamiast projektować część, która za wszelką cenę musi pozostać nienaruszona, można stworzyć element pochłaniający energię zderzenia, a po wykonaniu swojego zadania przetworzyć go na nowy przedmiot.

Ze zużytej części można zrobić kolejną

Co istotne, PEKK użyty w eksperymencie nie był świeżym materiałem. Pochodził z wcześniej wydrukowanej struktury, którą rozdrobniono, zmielono na proszek, osuszono i wykorzystano ponownie. Cały proces powtórzono trzy razy, a naukowcy nie zauważyli istotnego pogorszenia właściwości tworzywa ani wyraźnej utraty jego parametrów termicznych i mechanicznych.

Dzięki temu powstaje zamknięty obieg materiału. Surowiec przywiezony z Ziemi nie musi kończyć swojej roli razem z pierwszym wydrukowanym z niego elementem. Zużytą część można rozdrobnić, dodać do niej lokalny regolit, przygotować nowy filament i wydrukować kolejny przedmiot.

Pomysł ten dobrze koresponduje z inną koncepcją rozwijaną na potrzeby przyszłych baz. NASA pracuje nad tworzywem, które mogłoby powstawać poza Ziemią z udziałem bakterii, a potem być łączone z regolitem. Jeśli takie technologie dojrzeją, z Ziemi trzeba będzie wysyłać coraz mniejszą część surowców potrzebnych do produkcji.

Regolit poprawił parametry druku

Dodanie regolitu nie miało jedynie zastąpić część ziemskiego tworzywa materiałem lokalnym. Okazało się, że mineralne cząstki wpływają również na sam proces obróbki PEKK.

Kompozyt kurczył się i odkształcał mniej podczas wygrzewania, co ma duże znaczenie, bo na Księżycu nie będzie rozbudowanego parku maszynowego umożliwiającego poprawianie niedokładnie wykonanych elementów. Im bliżej docelowego kształtu znajdzie się przedmiot prosto z procesu produkcyjnego, tym lepiej. Dodatek regolitu obniżył też temperaturę, przy której podczas ogrzewania zaczynała się krystalizacja PEKK, co pozwala efektywniej prowadzić obróbkę cieplną.

Nie wszystkie efekty były jednak korzystne. W kompozycie pojawiło się więcej wewnętrznych pustych przestrzeni niż w czystym PEKK, co zwiększyło jego kruchość. Autorzy badania podkreślają, że nie wynikało to z degradacji tworzywa w kolejnych cyklach recyklingu – większe znaczenie miały porowatość, sposób łączenia warstw podczas druku oraz geometria samego wydrukowanego obiektu.

Potencjalnie szeroki zakres zastosowań

Opisana technologia wpisuje się w szerszy kierunek badań znany jako ISRU, czyli wykorzystywanie zasobów dostępnych bezpośrednio w miejscu prowadzenia misji. W przypadku Księżyca regolit jest jednym z najbardziej naturalnych kandydatów do takiego zastosowania.

Nie ma przy tym jednej, uniwersalnej metody jego przetwarzania. Inne eksperymenty wykazały już, że symulowany grunt księżycowy można przetapiać za pomocą lasera i drukować z niego twarde struktury przypominające materiały budowlane. Kolejne zespoły badawcze próbują odzyskiwać z regolitu tlen, metale czy surowce potrzebne do wytwarzania prostych elementów elektronicznych.

Kluczowe będzie sprawdzenie, jak takie materiały zachowują się poza warunkami ziemskiego laboratorium. Próbki geopolimerów zawierających odpowiednik regolitu już spędziły pół roku na zewnątrz Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, wystawione na próżnię, promieniowanie i skrajne wahania temperatury.

Kompozyt PEKK z regolitem znajduje się na znacznie wcześniejszym etapie rozwoju. W obecnym eksperymencie użyto ziemskiego odpowiednika księżycowego gruntu, a drukowane elementy miały niewielkie rozmiary i powstawały w warunkach laboratoryjnych. Nie jest to więc jeszcze gotowa technologia, którą można wysłać kolejnym lądownikiem i uruchomić nią produkcję seryjną.

Badanie pokazuje jednak, że materiał nie musi odbywać tylko jednej podróży od drukarki do kosza. Możliwe jest zaprojektowanie systemu, w którym niewielki zapas zaawansowanego tworzywa przywiezionego z Ziemi jest nieustannie odzyskiwany, a większość masy kolejnych przedmiotów zapewnia surowiec leżący dosłownie pod nogami astronautów.