NASAProgram Artemis, mający na celu utworzenie stałej bazy księżycowej, opiera się na zrozumieniu gleby księżycowej i wykorzystaniu jej jako materiału budowlanego.
- NASA finansuje badania i rozwój systemów konstrukcji księżycowych, które będą wykorzystywać naturalne zasoby Księżyca do budowy infrastruktury
- Minerały i szkło w glebie księżycowej znacznie się różnią w zależności od próbki
- Proces drukowania 3D jest wrażliwy na zmiany mineralogii
- Profesor Northwestern buduje bibliotekę składu gleby księżycowej, która zostanie wykorzystana w procesie budowy
Kultowe odciski butów i tajemnice księżycowej gleby
Wiele osób rozpoznaje kultową fotografię odcisku buta Buzza Aldrina na powierzchni Księżyca, trwały symbol „małego kroku” ludzkości. Ale co dokładnie znajduje się w glebie, która zachowała ten historyczny ślad?
Zrozumienie składu gleby księżycowej to coś więcej niż ciekawostka – ma kluczowe znaczenie dla programu NASA Artemis, którego celem jest założenie stałej bazy na Księżycu. Chociaż naukowcy mają ogólną wiedzę na temat gleby Księżyca, Uniwersytet Północno-Zachodni mineralog Steven Jacobsen, wspierany przez Centrum Lotów Kosmicznych Marshalla NASA, zagłębia się, aby odkryć jego zawiłe szczegóły.
Innowacyjne budownictwo księżycowe przy użyciu rodzimych zasobów
Ponieważ koszt sprowadzenia z Ziemi tradycyjnych materiałów budowlanych jest niewiarygodnie wysoki, NASA nawiązała współpracę z robotyką i… sztuczna inteligencja firma ICON Technology Inc. w celu zbadania nowych metod budowy księżycowej placówki przy użyciu własnych zasobów Księżyca. Zanim jednak ICON będzie mógł zbudować konstrukcje z gleby księżycowej, zespół musi najpierw poznać dokładny skład gleby, który może drastycznie zmieniać się w zależności od próbki.
Aby scharakteryzować te próbki, Jacobsen ściśle współpracuje ze swoją byłą studentką Katie Koube, obecnie naukowcem zajmującym się materiałami w ICON, w celu przeanalizowania różnych próbek przy użyciu obiektów Northwestern. Ich końcowym celem jest stworzenie biblioteki potencjalnych przykładowych kompozycji, które posłużą do optymalizacji parametrów procesu budowy.
„Tak jak pierwsze cegły na Ziemi zostały wykonane z gleby ziemskiej, tak pierwsze cegły na Księżycu zostaną wykonane z gleby księżycowej”.
Steven Jacobsen, naukowiec o Ziemi
Wyzwania budownictwa poza światem
„Budowa poza światem wiąże się z wieloma wyzwaniami” – powiedział Jacobsen, główny badacz projektu. „Gleba Księżyca nie jest taka jak na Ziemi. Na Księżycu gleba powstaje w wyniku uderzeń meteoroidów, które zmiażdżyły powierzchnię. Zatem księżyc jest zasadniczo pokryty grubą warstwą sproszkowanej mąki. Rodzaje minerałów i szkła występujące w glebie księżycowej zależą od wielu czynników. Materiał może się znacznie różnić nawet na niewielkim obszarze.”
Jacobsen jest profesorem nauk o Ziemi i planetach w Weinberg College of Arts and Sciences w Northwestern. Jest także pracownikiem naukowym Instytutu Zrównoważonego Rozwoju i Energii im. Pauli M. Trienens oraz Centrum Inżynierii Zrównoważonego Rozwoju i Odporności. Uczestnikami projektu są także Laura Gardner i Tirzah Abbott, którzy mają stopień doktora. kandydatów w laboratorium Jacobsena.
Zajęcie się zagrożeniami związanymi z pyłem księżycowym
Planując bardziej regularne podróże tam i z powrotem na Księżyc, NASA potrzebuje przede wszystkim niezawodnego lądowiska. W przeciwnym razie za każdym razem, gdy lądownik księżycowy zetknie się z powierzchnią Księżyca, wzbije niszczycielski pył, który może zniszczyć sprzęt i uszkodzić otaczające środowisko.
„Każda cząsteczka pyłu na Księżycu jest postrzępiona i kanciasta” – powiedział Koube. „Kiedy myślisz o ziarnach piasku na Ziemi, są one zaokrąglone, ponieważ wietrzenie usuwa wszystkie te ostre krawędzie. Bez warunków atmosferycznych cząstki pozostają wyboiste i ostre. Zatem jeśli rakieta wyląduje bezpośrednio na powierzchni Księżyca, wznieci pył ścierny, który w zasadzie piaskuje cały obszar.”
Wizja ICON dotycząca siedlisk księżycowych i marsjańskich
W listopadzie 2022 r. NASA wybrała ICON do grantu w wysokości 57,2 miliona dolarów opracować technologię budowy księżyców. Kontrakt opiera się na dotychczasowym finansowaniu przez NASA i Departament Obrony projektu Olympus firmy ICON, mającego na celu badania i rozwój kosmicznych systemów konstrukcyjnych wspierających planowaną eksplorację Księżyca i poza nią. System Olympus firmy ICON ma być wielofunkcyjnym systemem konstrukcyjnym, wykorzystującym głównie lokalne zasoby księżycowe i marsjańskie jako materiały budowlane w celu wspierania wysiłków NASA i organizacji komercyjnych na rzecz zapewnienia trwałej obecności Księżyca. ICON już wykorzystuje swoją zaawansowaną technologię druku 3D do budowy domów na Ziemi. Umieszczając na Księżycu wielofunkcyjne księżycowe systemy konstrukcyjne oparte na wykorzystaniu zasobów in situ (ISRU), zespół zamierza wykorzystać zasoby księżycowe jako elementy konstrukcyjne.
„Wysłanie na Księżyc tradycyjnego, ziemskiego sprzętu budowlanego i materiałów nie jest możliwe” – powiedział Jacobsen. „Ładunek byłby zbyt ciężki. Zatem ten plan jest o wiele bardziej praktyczny. Tak jak pierwsze cegły na Ziemi zostały wykonane z gleby ziemskiej, tak pierwsze cegły na Księżycu zostaną wykonane z gleby księżycowej.
Postęp w budowie Księżyca poprzez symulowaną glebę
Po tym, jak ICON otrzymał fundusze od NASA, Koube, który w 2014 roku ukończył z podwójnym dyplomem studia w zakresie inżynierii materiałowej oraz nauk o Ziemi i planetach w Northwestern, skontaktował się z Jacobsenem w celu przeprowadzenia analizy próbek. Obydwaj skompletowali zespół współpracujący z Centrum Lotów Kosmicznych Marshalla w Huntsville w stanie Alabama, należącym do NASA, w ramach Księżyca Dyrekcji Misji Technologii Kosmicznych, aby Mars Projekt Planetarnych Autonomicznych Technologii Budowlanych (MMPACT).
W Northwestern analiza jest już w toku. Gardner i Abbott wykorzystują obecnie różne techniki mikroskopowe do analizy ośmiu księżycowych symulacji – sztucznej gleby księżycowej zaprojektowanej tak, aby naśladowała prawdziwą – oraz syntetycznego plagioklazu, kruchego, szarobiałego minerału będącego głównym składnikiem skał księżycowych. Następnie zespół porówna księżycowe symulacje z rzeczywistymi próbkami pobranymi podczas misji Apollo.
„Oczywiście z misji Apollo wiemy, co znajduje się w księżycowym brudzie – i że jest on bardzo niejednorodny (lub zmienny)” – powiedział Jacobsen. „Naszym zadaniem jest przewidzieć prawdopodobną zmienność gleby księżycowej i znaleźć sposób na zmierzenie jej na bieżąco, na pokładzie drukarki 3D”.
Jak dotąd badacze zaobserwowali ogromne różnice pomiędzy księżycowymi symulatorami. W niektórych minerałach zespół wykrył wodór – składnik wody, który na Księżycu nie jest bogaty w minerały. Poszukują także zanieczyszczeń mineralnych w płynach symulacyjnych, których nie należy spodziewać się na powierzchni Księżyca. Zespół może następnie skoncentrować się na materiałach i zmianach chemicznych, z którymi częściej spotykają się procesy budowlane.
Dekodowanie zmienności Księżyca na potrzeby druku 3D
Po określeniu zmienności w realistycznych próbkach badacze zbadają, w jaki sposób skład brudu może wpływać na proces topienia stosowany w konstrukcjach robotycznych. Będąc na Księżycu, wielofunkcyjne systemy konstrukcji księżycowych ICON oparte na ISRU będą zbierać księżycową ziemię i topić ją w celu drukowania. Po wydrukowaniu stopiony brud stwardnieje i ostygnie, tworząc materiał ceramiczny.
„Na Ziemi można zbierać glinę i wypalać ją w piecu, aby wytworzyć ceramikę” – powiedział Jacobsen. „Ale właściwości gleby księżycowej są takie, że należy ją najpierw stopić. Różne minerały w księżycowym brudzie topią się z różną szybkością, dlatego proces drukowania 3D jest bardzo wrażliwy na zmiany mineralogii.
I oczywiście żadna próbka nie jest taka sama. Jedna miarka księżycowego brudu może mieć inną temperaturę topnienia niż następna miarka. Technologia druku 3D musi być na tyle zwinna, aby wiedzieć, jak poradzić sobie z tymi subtelnymi różnicami. Tutaj właśnie pojawia się biblioteka sampli Jacobsena. Umożliwiając przygotowanie drukarki 3D do wszystkich potencjalnych składów, może ona przeprowadzić diagnostykę każdej miarki, a następnie dostosować parametry lasera do ogrzewania i chłodzenia.
„Bez zrozumienia właściwości gleby trudno jest zrozumieć zmienność końcowych materiałów drukowanych” – powiedział Jacobsen. „Korzystając z biblioteki, którą tworzymy na podstawie symulacji – porównanej z glebą księżycową – drukarz będzie wiedział, jak przetworzyć każdy element, aby wyprodukować najlepszą ceramikę. Ta szczegółowa biblioteka informacji odegra rolę w urzeczywistnieniu wyobrażonej placówki”.
