managing21.be

De ruimtevaartindustrie koestert plannen om een langdurige bewoning buiten de aarde mogelijk te maken. Een maanhabitat moet daarbij de eerste stap vormen. Maar de bouw van een wooninfastructuur op de maan of andere planeten is geen eenvoudige opdracht. Er moet immers met bijzondere omstandigheden rekening worden gehouden. Uit onderzoek blijkt dat hierbij wellicht best gebruik gemaakt wordt van configuraties van individuele bouwelementen die door 3D-printing van maanregoliet worden vervaardigd.

De Verenigde Staten willen met hun ruimtevaartprogramma Artemis tegen 2028 opnieuw een persoon op het oppervlak van de maan laten landen. Dit wordt de eerste keer dat mensen het maanoppervlak betreden sinds in 1972 het ruimtevaartprogramma Apollo door de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie Nasa werd stopgezet. De Nasa wil met Artemis, in samenwerking met internationale en commerciële partners, een duurzaam programma voor maanonderzoek opzetten. Dat programma zou onder meer ook habitats voor een langdurig maanverblijf kunnen omvatten.

Gezien de hoge kosten van de lancering van zware ladingen is het echter onpraktisch om alle benodigde apparatuur en materialen naar de maan te sturen. Dit betekent dat structuren op de maan moeten worden vervaardigd met behulp van lokale grondstoffen. Deze in-situ resources (Isru) omvatten onder meer additive manufacturing, waarbij driedimensionale printtechnologieën worden gebruikt, waarbij maanregoliet in bouwmaterialen worden omgezet. Helaas zorgen technische problemen ervoor dat de meeste 3D-printtechnieken niet haalbaar zijn op het maanoppervlak.

Een team van onderzoekers onder leiding van wetenschappers aan de University of Arkansas vond echter een alternatieve methode, waardoor niet langer volledige structuren moeten worden geprint, maar individuele bouwelementen worden vervaardigd door het sinteren op basis van licht.

“De oprichting van een permanente basis op de maan is al sinds het Apollo-tijdperk onderwerp van onderzoek en voorstellen”, merkt onderzoeksleider Wan Shou, professor werktuigbouwkunde aan de University of Arkansas, op. “Deze plannen zijn altijd ontsierd door het simpele feit dat de benodigde machines en bouwmaterialen naar de maan zouden moeten worden gevoerd. Daarvoor zouden bijzonder krachtige en dure lanceerraketten noodzakelijk zijn.”

“Hoewel de kosten voor het verzenden van ladingen – grotendeels dankzij de ontwikkeling van herbruikbare raketten in de commerciële ruimtevaartsector – de voorbije tien jaar aanzienlijk zijn gedaald, zijn de kosten voor de lancering van onderdelen van een maanbasis nog steeds onbetaalbaar. Hierdoor zullen voor de bouw van een maanbasis alleen in-situ resources kunnen worden gebruikt. Helaas zijn de meeste voorgestelde methoden voor het 3D-printen van structuren in de maanomgeving, met een lagere zwaartekracht en extreme temperaturen, niet praktisch.”

“Veel vormen van additive manufacturing hebben een oplosmiddel nodig om een pasta of composieten te bereiden voor de extrusie of het printen”, stipte Wan Shou aan. “Deze benaderingen zijn niet haalbaar, omdat het transport van oplosmiddelen erg duur kan zijn en de verdamping van oplosmiddelen veel potentiële problemen kan veroorzaken. Andere methoden gebruiken bindmiddelen of polymeren, maar dat gaat met vergelijkbare problemen gepaard. Bovendien moeten de printers met elektriciteit worden gevoed om te kunnen functioneren.”

Gesmolten keramiek

Bij het sinteren wordt het regoliet gebombardeerd met lasers, microgolven of andere energiebronnen, waarbij de grondstof in gesmolten keramiek wordt omgezet. Het keramiek wordt vervolgens laag voor laag geprint en koelt af en hardt uit zodra het aan de lucht of het vacuüm van de maanomgeving wordt blootgesteld. Deze methode is echter bijzonder energie-intensief en vereist waarschijnlijk de inzet van kernenergie.

“Daarom voorziet ons team een ??systeem waarbij alleen maanmateriaal nodig is voor de structuren zelf, waardoor de bottleneck van missies voor het aanvullen van bindmiddelen vanaf de aarde wordt geëlimineerd”, benadrukken de onderzoekers. “Het sinteren kan gebruik maken van zonlicht dat door een set optica wordt geconcentreerd om maanregoliet te bombarderen en tot keramiek te smelten. De technologie is op aarde getest voor de productie van glas en spiegels.”

Op de maan is zonne-energie in bepaalde gebieden constant en overvloedig aanwezig, waardoor het veel betrouwbaarder is dan een energiebron die getransporteerd moet worden. De eenvoud van het systeem maakt het zeer aantrekkelijk voor uitdagende omgevingen, waar bij mogelijke defecten met complexe reparaties rekening moet worden gehouden. Experimenten hebben echter aangetoond dat de technologie bij de vervaardiging van complete structuren nog steeds problemen ondervindt. 

Daarom richtte het team van Sou zich in plaats daarvan op de productie van bouwcomponenten. “Regoliet is in staat om zich tijdens het sinteren bij voldoende hoge temperaturen aan zichzelf te binden”, verduidelijken de onderzoekers. “Bij grotere structuren bleek er echter minder uniformiteit, waardoor de geproduceerde onderdelen minder precisie vertoonden. Hieruit concludeerden we ons best zouden richten op de vervaardiging van een groot aantal stenen, die in elkaar grijpen en kunnen worden geherconfigureerd voor gebruik in grootschalige structuren. Bovendien biedt deze aanpak ook een antwoord op de volumebeperkingen van maanmissies. Bij de productie van individuele bouwcomponenten is immers minder grote apparatuur nodig.”

Voordat het concept kan worden gerealiseerd, moet er echter nog veel werk worden verricht. Zoals Shou aangeeft, is er meer onderzoek nodig om de sinterparameters en materiaaleigenschappen te optimaliseren. Het team is ook van plan een prototype te bouwen en laboratoriumtests uit te voeren. Daarmee hopen ze de technologie te kunnen verfijnen en opschalen voor gebruik op de maan. Ze moeten ook rekening houden met onder meer de manier waarop de uiteindelijke 3D-printer zich over het maanoppervlak zal verplaatsen en welke energiebronnen daarvoor nodig zijn.

Meer over dit onderwerp:

• Ruimtevaartbureau Nasa zet samenwerking op met Netflix