Keramika z „písku“ červené planety

Vázy, prsteny a tabulky vyrobené z marské keramiky v různých fázích vypalování. (© TU Berlin/David Karl) / Vázy, prsteny a tabulky vyrobené z simulované marské půdy v různých stádiích vypalování. (© TU Berlin/David Karl)

Umělecké ztvárnění planety Mars. (© NASA) / Umělecká ilustrace Marsu. (© NASA)

Vázy z marské keramiky v různých fázích výroby. (© TU Berlin/David Karl) / Vázy v různých fázích výroby. (© TU Berlin/David Karl)

Vědci z oboru keramických materiálů na TU Berlin ve spolupráci s Německým ústavem pro výzkum a zkoušení materiálů poprvé vyrobili složité součásti z simulované marsovské půdy a ukázali teoretickou možnost výroby stabilních nádob, jako jsou vázy, pouze s prostředky červené planety. Jejich výsledky byly publikovány v open-accessovém časopise „PLOS One“. Svým přístupem chtějí vědci přispět k výzkumu dlouhodobého průzkumu červené planety.

Cíle jsou odvážné: v 30. letech 21. století plánuje americká kosmická agentura NASA spolu se svými mezinárodními partnery první pilotovaný let na Mars – cestu do hlubin vesmíru, kterou budou sledovat vědci po celém světě. Tým z TU Berlin z oboru keramických materiálů na Ústavu materiálových věd a technologií Fakulty III Procesních věd se také zabývá experimenty zaměřenými na možnou cestu na červenou planetu.

Simulovaná marsovská půda z vulkanické země umožňuje výrobu složitých geometrických tvarů

Vědci ve své publikaci „Towards the colonization of Mars by in-situ resource utilization: Slip cast ceramics from Martian soil simulant“ poprvé vyrobili složité geometrické tvary, jako jsou kruhy a vázy, za použití simulované marsovské půdy „JSC-Mars-1A“. Materiál napodobující marsovský regolit má vulkanický původ a pochází z úbočí nejvyšší hory na Havaji, Mauna Kea. Materiály byly vyvinuty NASA Johnson Space Center a zpřístupněny vědecké komunitě mimo jiné pro studie tzv. in-situ resource utilization (ISRU). Jejich složení simuluje marsovský regolit.

Využití místních zdrojů jako základ

Mars a Země jsou od sebe vzdáleny mezi 56 a 401 miliony kilometrů. Cesta na Mars by podle současných poznatků trvala až osm měsíců. „V případě pobytu na Marsu bude pro astronauty důležité vyrábět si vlastní produkty z místních materiálů. Tato praxe se nazývá ‚in-situ resource utilization‘ a tvoří základ našich pokusů,“ vysvětluje David Karl. Spolu s Franzem Kamutzkim je odpovědný za projekt studie. Oba jsou vědečtí pracovníci v týmu vedoucího oboru Prof. Dr. Aleksandra Gurla.

„Naše ‚marsovská keramika‘ se skládá z půdy, která je chemicky podobná té na Marsu. Pro zpracování jsme simulant Marsu pouze rozemleli na vodě, nalili do sádrových forem a vypálili,“ vysvětluje Franz Kamutzki přístup k procesu. „Použily se pouze ‚marsovská půda‘, sádra, voda a energie – všechny zdroje, které jsou na Marsu dostupné nebo je lze vyrobit.“

Proces: Smíchat s vodou, mlít a vypálit

„Na začátku jsme materiál podrobili mnoha předprocesům: termicky jsme ho předzpracovali, předmlátili, předsítovali, přidali organické přísady ve formě dispergátorů a pojiv a nakonec jsme zjistili, že nejstabilnější je nejjednodušší varianta,“ říká David Karl. Vědci simulant Marsu smíchali s vodou v poměru přibližně 50 ku 50 a míchali ho 48 hodin. Tmavý kal, který vznikl, následně vložili do sádrových forem – například na vázy – po krátké době vyklopili, nechali oschnout na vzduchu a vypálili při různých teplotách od 1000 do 1130 stupňů Celsia. Výsledkem jsou keramické díly, které podle teploty vypalování vykazují podobnou nebo dokonce vyšší pevnost v tlaku než porcelán.

„Byli jsme velmi překvapeni dobrými mechanickými vlastnostmi našich marsovských keramik – teoreticky jsou proto zajímavé pro všechny aplikace, kde se dnes na Zemi používá porcelán a keramika z hlíny: od nádobí přes technické díly až po stavební materiály,“ shrnuje Franz Kamutzki význam experimentů.

Vize do budoucnosti: dálkově ovládaný 3D tisk součástí s flexibilními geometrickými tvary

Na otázku, jaký by mohl být užitek váziček na Marsu, vědci odpovídají: „V koncepční fázi našeho projektu jsme důkladně diskutovali, jaké nástroje by byly pro lidskou kolonizaci Marsu nezbytné. Nakonec jsme se shodli na geometrickém tvaru našich ‚marsovských keramik‘, který je v lidské civilizaci produkován, používán a zanechán ve všech kulturách a který se dodnes používá po celém světě.“

Tým také zdůrazňuje, že mnoho dalších složitých tvarů by bylo možné vyrobit pomocí vyvinutého procesu. Tvarování pomocí lití do sádrových forem je vhodné pro výrobu velkých kusů s identickou geometrií. Momentálně tým pracuje na nových procesech, při nichž bude vyvinutý systém sádrového lití nahrazen 3D tiskem. Teoreticky by taková dálkově ovládaná nebo plně automatická výroba umožnila vytvářet součásti s flexibilními geometrickými tvary – dokonce ještě před tím, než lidé vstoupí na Mars.“

Vědecká publikace

První výsledky projektu byly publikovány v open-accessovém časopise „PLOS One“.

„Towards the colonization of Mars by in-situ resource utilization: Slip cast ceramics from Martian soil simulant“. David Karl, Franz Kamutzki, Andrea Zocca, Oliver Goerke, Jens Guenster, Aleksander Gurlo (2018): https://doi.org/10.1371/journal.pone.0204025