Zusammenfassung:
Ein Forschungsteam der University of Arkansas in den Vereinigten Staaten hat kürzlich einen wichtigen technologischen Durchbruch für die zukünftige Mondbesiedlung nachgewiesen. Forschern ist es gelungen, simulierten Mondboden zu nutzen, um direkt bausteinartige Baumodule zu erstellen, die ohne Zugabe zusätzlicher Bindemittel oder anderer Materialien zusammengefügt werden können. Dies bedeutet, dass Astronauten beim künftigen Bau von Stützpunkten auf dem Mond möglicherweise in großem Umfang lokale Ressourcen nutzen und den Transport von Baumaterialien von der Erde reduzieren können.
Forscher vergleichen die Idee mit dem Bau riesiger Lego-Modelle. Der Unterschied besteht darin, dass es sich bei den Baumaterialien nicht mehr um Kunststoffbausteine, sondern um ineinandergreifende Module aus Monderde handelt, die über die Mondoberfläche verteilt wird. Diese Module können zusammengefügt und zu größeren Strukturen kombiniert werden, was neue Möglichkeiten für den Bau dauerhafter Mondbasen in der Zukunft bietet.
Diese Forschung verwendete ein kommerziell simuliertes Mondbodenmaterial namens LHS-1, das auf der Grundlage der Eigenschaften von Mondproben entwickelt wurde, die von der Apollo-Mondlandemission mitgebracht wurden. Im Gegensatz zum Erdboden enthält der Mondboden keine organische Substanz. Stattdessen besteht es aus scharfen Partikeln, die nach Milliarden von Jahren entstanden sind, als Asteroiden, Mikrometeoriten und verschiedene Weltraumschrotte auf den Mond einschlugen.
Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „NPJ Advanced Manufacturing“ veröffentlicht. Der Erstautor der Arbeit ist Cole McCallum, ein Student an der University of Arkansas, und der korrespondierende Autor ist Wan Shou, Assistenzprofessor für Maschinenbau.
Während des Experiments verwendete das Team eine 3D-Drucktechnologie namens „Laser-Pulverbettfusion“. Der Prozess beginnt damit, dass eine dünne Pulverschicht auf eine Plattform aufgetragen und dann mit einer hochenergetischen Lichtquelle bestimmte Bereiche erhitzt werden, wodurch sich die Partikel durch Sintern miteinander verbinden. Anschließend wird die Plattform abgesenkt, eine neue Pulverschicht aufgetragen und der Vorgang wiederholt, um schließlich Schicht für Schicht das dreidimensionale Objekt aufzubauen.
Forschungsteams haben den 3D-Druck von Mondboden schon früher geschafft, allerdings erforderte dies in der Regel die Zugabe zusätzlicher Bindemittel, um die strukturelle Festigkeit zu erhöhen. Wenn diese Materialien jedoch in Zukunft für den Mondbau verwendet werden, müssen sie immer noch von der Erde transportiert werden, was die Kosten und die Komplexität der Mission erhöht.
Diesmal demonstrierte das Team der University of Arkansas zum ersten Mal, dass simulierter Mondboden ohne Verwendung von Bindemitteln direkt zu rekonfigurierbaren Gebäudemodulen gesintert werden kann, wobei nur eine Lichtquelle mit relativ geringer Leistung erforderlich ist. Wie die Forscher erklären, verbinden sich die Mondbodenpartikel selbst und sind nicht auf externe Materialien angewiesen, um die Verbindungen herzustellen.
Die Größe der im Experiment hergestellten Module beträgt etwa mehrere Zentimeter und die Formen umfassen kreuzförmige und „H“-förmige Strukturen. Diese Module können wie Legosteine zusammengesteckt werden, um ein größeres Bausystem zu bilden.
Forscher wiesen jedoch auch darauf hin, dass diese Technologie noch weit davon entfernt ist, tatsächlich in der Mondtechnik eingesetzt zu werden. Testergebnisse zeigen, dass die innere Porosität von Modulen aus reinem simuliertem Mondboden hoch ist und die strukturelle Festigkeit immer noch schwächer ist als bei ähnlichen Produkten, die mit Bindemitteln hergestellt werden.
McCallum sagte, dass die derzeit hergestellte Struktur bereits selbsttragend sei, es jedoch zum jetzigen Zeitpunkt keine Garantie gebe, dass sie höheren Belastungen standhalten könne, so dass sie noch nicht für den direkten Einsatz als tragendes Baumaterial geeignet sei.
Darüber hinaus muss das Team die Leistung dieser Technologie in einer realen Mondumgebung weiter überprüfen. Die Forscher wiesen darauf hin, dass die geringe Schwerkraft und die Vakuumbedingungen des Mondes einen Einfluss auf den Druckprozess haben könnten. Daher seien weitere Experimente erforderlich, um die Machbarkeit der Technologie in tatsächlichen Umgebungen auf der Mondoberfläche zu verstehen. Gleichzeitig plant das Forschungsteam auch eine Verbesserung der Materialeigenschaften, um dessen mechanische Festigkeit und Haltbarkeit zu erhöhen.
Trotzdem bleibt Professor Shouwan optimistisch, was die Zukunft der Technologie angeht. Er glaubt, dass diese Herstellungsmethode, die keine zusätzlichen Materialien erfordert, in Zukunft eine wichtige Basistechnologie für den Bau langfristiger Siedlungen auf dem Mond werden und effiziente Lösungen für die Herstellung von Bauteilen und Infrastruktur auf dem Mond liefern wird.
Für den Erstautor McCallum wurde diese Studie auch zu einem wichtigen Ausgangspunkt für seine wissenschaftliche Forschungskarriere. Ursprünglich aus Little Rock, Arkansas, USA, trat er als Student in das Labor ein, um an der wissenschaftlichen Forschung teilzunehmen, und wurde von seinen Professoren ermutigt, tiefgreifende Forschungen zur additiven Fertigung durchzuführen.
Im Mai dieses Jahres schloss McCallum sein Studium mit den Hauptfächern Maschinenbau und Physik ab und gewann das erste „Lafayette-Stipendium“. Dieses Programm wurde zum Gedenken an den 250. Jahrestag der Gründung der Vereinigten Staaten ins Leben gerufen. Aus mehr als 3.400 Bewerbern wurden nur 30 Studierende für ein Masterstudium in Frankreich ausgewählt.
Derzeit studiert er Luft- und Raumfahrttechnik an der Ecole Supérieure de l'Aerospace in Toulouse, Frankreich. Obwohl sich seine Forschungsrichtung von der additiven Fertigung auf den Luft- und Raumfahrtbereich verlagert hat, sagte er, dass seine Erfahrung bei der Teilnahme am Mondbodenbaumodul-Projekt ihm geholfen habe, im Voraus wissenschaftliche Forschungserfahrung zu sammeln, und dass er auch gelassener mit experimentellen Misserfolgen und Forschungsherausforderungen umgegangen sei.
Das Forschungsteam geht davon aus, dass mit der weiteren Verbesserung des Herstellungsprozesses und der Materialleistung die Idee, lokale Ressourcen auf dem Mond zur direkten Herstellung von Bauteilen zu nutzen, voraussichtlich vom Labor in die Realität übergehen und den Menschen den Weg ebnen wird, in Zukunft eine dauerhafte Mondbasis zu errichten.
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