Bakstenen voor de maan

Een proef met een nieuwe 3D-printer op zonne-energie levert iets handigs op: een prototype baksteen, gemaakt van imitatie-maangruis.

1 juni 2016

Buzz Aldrin, astronaut van de Apollo 11-missie en de tweede mens op de maan, maakte deze foto tijdens zijn 2,5 uur durende uitstapje op de maan. — Op het maanoppervlak ligt een mengsel van stof en gruis, regoliet genoemd. (De voetstap is van Buzz Aldrin, de tweede mens op de maan.)
NASA

Wellicht komt er ooit een moment dat kolonisten hutjes en andere constructies moeten gaan bouwen op de maan, om er een nederzetting te stichten. Bouwmateriaal meenemen vanaf de aarde wordt dan echter lastig – het is te veel en te zwaar. Op het maanoppervlak zelf vind je slechts rul materiaal, waar ook al geen muren van te maken zijn.

Een onderzoeksteam uit Duitsland lijkt nu een oplossing te hebben voor dat probleem: het printen van bakstenen en andere structuren, van materiaal dat op de maan aanwezig is, gebruik makend van de zon.

Dit verhaal verscheen eerder in het Engels op de website EOS van de American Geophysical Union onder de licentie CC BY-NC-ND 3.0

Alexandre Meurisse, ingenieur van het Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, toonde samen met zijn collega’s in het laboratorium aan dat het mogelijk is om met een 3D-printer op zonne-energie een baksteen te maken van nagemaakt maanregoliet. Dat is het mengsel van stof, gruis en gesteentebrokken op het maanoppervlak. Meurisse presenteerde het experiment 18 mei op het European Lunar Symposium in Amsterdam.

Er zijn wel vaker mensen in geslaagd regoliet om te smelten tot bouwmateriaal, maar nooit eerder in een 3D-printer die alleen op zonne-energie draait. De European Space Agency (ESA), die het onderzoek financieerde, deed jarenlang onderzoek naar de mogelijkheid om 3D-printers te gebruiken voor het bouwen van een nederzetting op de maan. De nieuwe techniek op zonnekracht is een alternatief voor het printen met microgolven, een techniek die de NASA eerder voor bouwsels op de maan onderzocht.

Hoe je een maanbaksteen maakt

Om een baksteen te maken, storten de onderzoekers een dun laagje regoliet op een tafelblad dat in drie richtingen kan bewegen. De tafel manoeuvreert het gruismengsel vervolgens onder een geconcentreerde straal zonlicht door. Waar de straal het materiaal raakt stijgt de temperatuur tot 1100 graden, en wordt het gruis in baksteen omgezet (gesinterd). De onderzoekers voegen telkens een nieuw laagje gruis toe, dat bij het sinteren vastplakt aan het laagje eronder.

Een 24 centimeter lange baksteen van replica-regoliet, uit de 3D-printer. In donkerbruin de geprinte steen (het grijze blok eronder dient als ondersteuning).
Alexandre Meurisse, met toestemming

Een baksteen maken met de printer duurt ongeveer twee uur. “Maar de baksteen is maar een voorbeeld van het concept”, zegt Meurisse. Uiteindelijk is het de bedoeling dat er ingewikkeldere en veel grotere structuren uit de printer rollen, net als bij het eerdere ESA-onderzoek werd beoogd. “We zullen de astronauten niet vragen om bakstenen te gaan stapelen”, zegt Meurisse. Het materiaal kan gebruikt worden voor wegen, landingsplaatsen, en koepels om de astronauten te beschermen tegen straling en meteorieten.

Moon Village

De ESA (European Space Agency) heeft weliswaar geen concrete plannen maar wel ideeën over nieuwe missies naar de maan. Ze willen zelfs een Moon Village gaan neerzetten – een project waarbij een regolietprinter goed van pas zou komen. Mogelijke plekken voor een dergelijke nederzetting bevinden zich rond de Shackleton krater, op de zuipool van de maan. Hier schijnt de zon onafgebroken, gedurende een paar maanden per jaar. Het zal echter nog wel even duren voor het zo ver is, zegt Meurisse – de printer is nog te groot om mee te nemen, en alleen getest op aarde. Dat betekent dat het concept nog niet is getest in een ruimte zonder atmosfeer, en bovendien niet met echte maanstenen.

Fantasieën over nederzettingen op de maan bestaan al tientallen jaren – zoals in deze artist’s impression uit 1995. In dit geval wordt zuurstof en metaal gewonnen uit maanvulkaangesteente – aldus de door NASA bijgeleverde tekst.
Pat Rawlings, NASA/SAIC, via Wikimedia Commons, Public Domain

Maansteen-simulanten

Maanstenen op aarde zijn zeldzaam, en om te onderzoeken of ze omgezet kunnen worden in bouwmateriaal is er veel van nodig. De Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA bepaalt voor welke wetenschappelijke onderzoeken de stenen gebruikt mogen worden – en het ontwerpen van bouwmateriaal valt daar niet onder. Om die reden werken ingenieurs als Meurisse met een kunstmatig simulatiemateriaal dat zo veel mogelijk lijkt op maangesteente, maar op aarde is vervaardigd.

En dat brengt zijn eigen problemen met zich mee, vertelde Lawrence Taylor, maanwetenschapper en expert in synthetische regolieten bij het Planetary Geoscience Institute van de Universiteit van Tennesee (Verenigde Staten), op hetzelfde symposium. “Het synthetische maanmateriaal wordt vaak op de verkeerde manier gemaakt, en nog vaker op de verkeerde manier gebruikt”, zegt Taylor.

Het nagemaakte maanmateriaal hoeft helemaal niet exact uit dezelfde componenten als de echte maan te bestaan – dat ligt maar net aan het doel van het experiment, zegt Taylor. Welke fysische, chemische of mineralogische eigenschappen van belang zijn verschilt per onderzoek, maar daar wordt vaak helemaal geen rekening mee gehouden.

JSC-1

Neem bijvoorbeeld simulant JSC-1, die in 1994 ontwikkeld is om zijn geotechnische eigenschappen, maar daarna op grote schaal is ingezet voor heel andere experimenten. Tayor: “Deze simulant is zelfs gebruikt om de waterstofreductie van ilmeniet te bestuderen – een manier om zuurstof uit het gesteente te winnen. Maar er zit helemaal geen ilmeniet in!”

Meurisse is zich bewust van het probleem. Voor de bakstenen uit zijn onderzoek gebruikte hij de simulant die het meest op maangesteente lijkt wat betreft de mineraalinhoud het gehalte aan glas – volgens hem de belangrijkste eigenschappen voor het sinteren. “Maar we doen momenteel testen met allerlei andere namaakmaanstenen van over de hele wereld, om te kijken wat de verschillen zijn en welke eigenschappen er toe doen”, zegt hij.

In een artikel over imitatie-regoliet dat deze maand verscheen, pleit Taylor voor meer communicatie tussen maanwetenschappers en ingenieurs. Dit om er voor te zorgen dat experimenten echt relevantie hebben voor de maan. Daarnaast is hij voorstander van een Bureau voor Imitatie-Ruimtestenen (Office of Space Simulants), als onderdeel van het Lunar Curatorial Office van het Johnson Space Center in Houston, Texas (Verenigde Staten). Een zorgvuldig overzicht van nagemaakt ruimtemateriaal zal steeds harder nodig worden, zegt Taylor. “Vooral nu er ook nieuwe gesteentemonsters binnen gaan komen van andere hemellichamen, zoals bijvoorbeeld de planeet Mars en de asteroïde Bennu.”

Bronnen