Ein wenig Marsstaub scheint einen langen Weg zu gehen. Eine kleine Menge simulierten zerkleinerten Marsgesteins, gemischt mit einer Titanlegierung, ergab in einem 3D-Druckverfahren ein stärkeres Hochleistungsmaterial, das eines Tages auf dem Mars zur Herstellung von Werkzeugen oder Raketenteilen verwendet werden könnte.
Die Teile wurden von Forschern der Washington State University mit nur 5 % bis zu 100 % marsianischem Regolith hergestellt, einer schwarzen pulvrigen Substanz, die das felsige, anorganische Material auf der Oberfläche des roten Planeten nachahmen soll.
Während die Teile mit 5 % Mars-Regolith stark waren, erwiesen sich die Teile mit 100 % Regolith als spröde und rissen leicht. Dennoch wären selbst Materialien mit hohem Marsanteil nützlich bei der Herstellung von Beschichtungen zum Schutz von Geräten vor Rost oder Strahlenschäden, sagte Amit Bandyopadhyay, korrespondierender Autor der in der veröffentlichten Studie Internationale Zeitschrift für angewandte Keramiktechnologie.
Wenn Menschen zum Mars fliegen, können wir nicht alles mitnehmen. Da müssen wir einiges machen. WSU-Forscher verwendeten simuliertes zerkleinertes Marsgestein und Metall, um starke, haltbare Teile in einem 3D-Druckverfahren herzustellen, die eines Tages auf dem Mars verwendet werden könnten. Bildnachweis: Washington State University
„Im Weltraum ist 3D-Druck etwas, das passieren muss, wenn wir an eine bemannte Mission denken wollen, weil wir wirklich nicht alles von hier aus tragen können“, sagte Bandyopadhyay, Professor an der School of Mechanical and Materials Engineering der WSU. „Und wenn wir etwas vergessen haben, können wir es nicht zurückholen.“
Materialien in den Weltraum zu bringen, kann extrem teuer sein. Zum Beispiel stellten die Autoren fest, dass es etwa 54.000 US-Dollar kostet, wenn das Space Shuttle der NASA nur ein Kilogramm Nutzlast (etwa 2,2 Pfund) in die Erdumlaufbahn bringt. Alles, was im Weltraum oder auf dem Planeten hergestellt werden kann, würde Gewicht und Geld sparen – ganz zu schweigen davon, dass Astronauten eine Möglichkeit brauchen würden, es vor Ort zu reparieren, wenn etwas kaputt geht.
Bandyopadhyay demonstrierte erstmals die Machbarkeit dieser Idee im Jahr 2011, als sein Team den 3D-Druck dazu einsetzte stellen Teile aus Mond-Regolith her, simuliertes zerkleinertes Mondgestein, für die NASA. Seitdem haben Raumfahrtbehörden die Technologie angenommen, und die Internationale Raumstation verfügt über eigene 3D-Drucker, um die benötigten Materialien vor Ort und für Experimente herzustellen.
Für diese Studie verwendete Bandyopadhyay zusammen mit den Doktoranden Ali Afrouzian und Kellen Traxel einen pulverbasierten 3D-Drucker, um den simulierten Marsgesteinsstaub mit einer Titanlegierung zu mischen, einem Metall, das aufgrund seiner Festigkeit und Hitzebeständigkeit häufig in der Weltraumforschung verwendet wird. Als Teil des Prozesses erhitzte ein Hochleistungslaser die Materialien auf über 2.000 Grad Celsius (3.632 F). Dann floss die geschmolzene Mischung aus marsianischem Regolith-Keramik- und Metallmaterial auf eine bewegliche Plattform, die es den Forschern ermöglichte, verschiedene Größen und Formen zu erzeugen. Nachdem das Material abgekühlt war, testeten die Forscher es auf Festigkeit und Haltbarkeit.
Das Keramikmaterial, das zu 100 % aus Marsgesteinsstaub besteht, riss beim Abkühlen, aber wie Bandyopadhyay betonte, könnte es immer noch gute Beschichtungen für Strahlungsschilde ergeben, da Risse in diesem Zusammenhang keine Rolle spielen. Aber nur ein wenig Marsstaub, die Mischung mit 5 % Regolith, riss und sprudelte nicht nur nicht, sondern zeigte auch bessere Eigenschaften als die Titanlegierung allein, was bedeutete, dass daraus leichtere Teile hergestellt werden konnten, die dennoch schwere Lasten tragen konnten.
„Es gibt Ihnen ein besseres Material mit höherer Festigkeit und Härte, so dass es in einigen Anwendungen deutlich besser abschneiden kann“, sagte er.
Diese Studie ist nur ein Anfang, sagte Bandyopadhyay, und zukünftige Forschung könnte bessere Verbundwerkstoffe mit verschiedenen Metallen oder 3D-Drucktechniken hervorbringen.
„Dies beweist, dass es möglich ist, und vielleicht sollten wir in diese Richtung denken, denn es geht nicht nur darum, Kunststoffteile herzustellen, die schwach sind, sondern Metall-Keramik-Verbundteile, die stark sind und für jede Art von Strukturteilen verwendet werden können“, sagte er.
Ali Afrouzian et al, Regolith vom Mars – Ti6Al4V-Verbundwerkstoffe durch additive Fertigung, Internationale Zeitschrift für angewandte Keramiktechnologie (2022). DOI: 10.1111/ijac.14136