Fotografija otiska čizme astronauta Buzz Aldrina na površini Mjeseca, koja je postala ikonična, uvijek iznova pobuđuje zanimanje javnosti. No, što se točno nalazi u tlu Mjeseca koje je zadržalo trag toga "malog koraka za čovjeka"?

Odgovor na to pitanje nije samo prolazna znatiželja. On je ključan za program Artemis Američke svemirske agencije NASA, čiji je cilj uspostaviti trajnu bazu na Mjesecu. Iako istraživači općenito razumiju sastav mjesecnog tla, mineralog sa Sveučilišta Northwestern, Steven Jacobsen, dobio je financijska sredstva od NASA-inog Marshall Space Flight Centera za dodatna istraživanja ove neobične prašine.

S obzirom na to da je trošak transporta tradicionalnih građevinskih materijala sa Zemlje na Mjesec izuzetno visok, NASA je ostvarila partnerstvo s tvrtkom ICON Technology Inc., koja se bavi robotikom i umjetnom inteligencijom, kako bi istražili nove metode za izgradnju lunarnog naselja koristeći resurse samog Mjeseca. No, prije nego što ICON može započeti s gradnjom koristeći mjesecno tlo, tim prvo mora razumjeti točan sastav tla, koji se može znatno razlikovati od uzorka do uzorka.

Kako bi karakterizirali ove uzorke, Jacobsen u suradnji sa svojom bivšom studenticom Katie Koube, sada znanstvenicom za materijale u ICON-u, analizira različite uzorke koristeći objekte Sveučilišta Northwestern. Njihov krajnji cilj je stvoriti biblioteku mogućih sastava uzoraka, koja će se koristiti za optimizaciju parametara gradnje.

"Izgradnja izvan Zemlje donosi mnoge izazove," izjavio je Jacobsen, glavni istraživač projekta. "Tlo na Mjesecu nije poput zemljišta na Zemlji. Na Mjesecu se tlo formira od udara meteoroida koji su zdrobili površinu. Tako je Mjesec u suštini prekriven debelim slojem prašine slične brašnu. Vrste minerala i stakla u mjesecnom tlu ovise o mnogim čimbenicima. Materijal se može znatno razlikovati čak i unutar male površine."

Jacobsen je profesor znanosti o Zemlji i planetima na Weinberg College of Arts and Sciences na Sveučilištu Northwestern. Također je pridruženi član Instituta Paula M. Trienens za održivost i energiju te Centra za inženjersku održivost i otpornost. U projektu sudjeluju i Laura Gardner i Tirzah Abbott, koje su doktorandice u Jacobsenovom laboratoriju.

Opasnosti mjesecnog prasine
Sa planovima za redovita putovanja na Mjesec, prva potreba NASA-e je pouzdano mjesto za slijetanje. U suprotnom, svaki put kada lunarni modul dodirne površinu Mjeseca, podići će destruktivnu prašinu koja može oštetiti opremu i okolni stanišni prostor.

"Svaka čestica prašine na Mjesecu je oštra i kutna," rekla je Koube. "Kada razmišljate o zrncima pijeska na Zemlji, ona su zaobljena jer erozija uklanja sve one oštre rubove. Bez erozije, čestice ostaju grublje i oštrije. Dakle, ako raketa slijeće direktno na površinu Mjeseca, podiže abrazivnu prašinu koja u suštini pjeskari cijelo područje."

U studenom 2022., NASA je odabrala ICON za dodjelu sredstava od 57,2 milijuna dolara za razvoj tehnologije gradnje na Mjesecu. Ugovor se temelji na prethodnom financiranju NASA-e i Ministarstva obrane za ICON-ov Projekt Olympus za istraživanje i razvoj svemirskih sustava za gradnju kako bi se podržalo planirano istraživanje Mjeseca i dalje. Olympus sustav ICON-a namijenjen je kao višenamjenski sustav za gradnju koji primarno koristi lokalne lunarne i marsovske resurse kao građevinski materijal, potičući napore NASA-e kao i komercijalnih organizacija za uspostavu trajne prisutnosti na Mjesecu. ICON već koristi svoju naprednu tehnologiju 3D ispisa za gradnju domova na Zemlji. Postavljanjem višenamjenskih lunarne gradnje temeljenih na iskorištavanju resursa in situ na Mjesecu, tim ima za cilj koristiti lunarne resurse kao građevinske blokove za gradnju.

"Nije izvedivo slati tradicionalnu zemaljsku opremu i materijale za gradnju na Mjesec," rekao je Jacobsen. "Teret bi bio previše težak. Stoga je ovaj plan mnogo praktičniji. Baš kao što su prve cigle na Zemlji bile napravljene od zemaljskog tla, prve cigle na Mjesecu bit će napravljene od lunarnog tla."

Simulirani uzorci tla
Nakon što je ICON primio financiranje od NASA-e, Koube, koja je diplomirala sa dvostrukim stupnjem na programima za materijalne znanosti i znanosti o Zemlji i planetima na Sveučilištu Northwestern 2014., kontaktirala je Jacobsena za vođenje analize uzoraka. Par je okupio tim koji surađuje s Marshall Space Flight Centerom NASA-e u Huntsvilleu, Alabama, u okviru projektu Moon to Mars Planetary Autonomous Construction Technologies (MMPACT) pod vodstvom Direktorata za svemirske tehnologije.

Na Sveučilištu Northwestern, analiza je već u tijeku. Gardner i Abbott trenutno koriste različite tehnike mikroskopije za analizu osam lunarnih simulanta — umjetnog mjesecnog tla koje je dizajnirano kako bi oponašalo pravu stvar — i sintetičkog plagioklasa, krhkog, sivkasto-bijelog minerala koji je glavni sastojak mjesecnog kamena. Nakon toga, tim će usporediti lunarne simulante s pravim uzorcima prikupljenim tijekom misija Apollo.

"Naravno, znamo iz misija Apollo što se nalazi u mjesecnom prahu — i da je vrlo heterogeno (ili promjenjivo)," rekao je Jacobsen. "Naš zadatak je predvidjeti vjerojatnu varijabilnost u mjesecnom tlu i smisliti način kako to mjeriti u hodu, na samom 3D printeru."

Do sada su istraživači primijetili velike razlike među lunarnim simulanti. U nekim mineralima, tim je otkrio vodik — komponentu vode, koja nije obilna u mineralima na Mjesecu. Također su u potrazi za mineralnim nečistoćama u simulanti koji se ne očekuju na površini Mjeseca. Tim se može zatim fokusirati na materijale i kemijske varijacije s kojima su građevinski procesi vjerojatnije suočeni.

Nijedna lopata nije ista Nakon što utvrde varijabilnost u realističnim uzorcima, istraživači će istražiti kako sastav tla može utjecati na proces topljenja koji se koristi u robotskoj gradnji. Jednom na Mjesecu, višenamjenski ISRU temeljeni sustavi lunarnih gradnji tvrtke ICON će pokupiti lunarno tlo i otopiti ga za ispis. Nakon ispisa, otopljeni prah će se stvrdnuti i ohladiti u keramički materijal.

"Na Zemlji, možete sakupiti glinu i peći je u peći kako biste napravili keramiku," rekao je Jacobsen. "Ali, svojstva lunarnog tla su takva da ga prvo treba otopiti. Različiti minerali u mjesecnom prahu tope se različitim brzinama, pa je proces 3D ispisa vrlo osjetljiv na promjene u mineralogiji."

I, naravno, nijedan uzorak nije isti. Jedna lopata mjesecnog praha može imati drugačiju točku topljenja od sljedeće. Tehnologija 3D ispisa mora biti dovoljno spretna da zna kako upravljati tim suptilnim razlikama. Tu na scenu stupa Jacobsenova biblioteka uzoraka. Omogućujući 3D printeru da bude pripremljen za sve moguće sastave, može izvršiti dijagnostiku svake lopate, a zatim prilagoditi svoje laserske parametre za grijanje i hlađenje.

"Bez razumijevanja karakteristika tla, teško je razumjeti varijabilnost konačnih ispisanog materijala," rekao je Jacobsen. "Koristeći biblioteku koju stvaramo iz simulanta — provjerenu protiv lunarnog tla — printer će znati kako obraditi svaki komad kako bi proizveo najbolju keramiku. Ta detaljna biblioteka informacija igrat će ulogu u ostvarivanju zamišljenog naselja u stvarnosti."

Izvor: Northwestern University