Céramiques issues du « Sable » de la planète rouge

Vases, anneaux et tablettes en céramique martienne simulée à différents stades de cuisson. (© TU Berlin/David Karl)

Représentation artistique de la planète Mars. (© NASA) / Illustration artistique de Mars. (© NASA)

Vases en céramique martienne à différents stades de production. (© TU Berlin/David Karl) / Vases in different stages of production. (© TU Berlin/David Karl)

Des chercheurs du département Matériaux céramiques à la TU Berlin ont, en collaboration avec l'Institut fédéral de recherche sur les matériaux et la technologie, fabriqué pour la première fois des pièces complexes à partir de simulants de sol martien et ont démontré la possibilité théorique de fabriquer des vases et autres contenants stables uniquement avec les ressources de la planète rouge. Leurs résultats ont été publiés dans la revue en accès libre « PLOS One ». Avec leur approche, les chercheurs souhaitent contribuer à la recherche sur l'exploration à long terme de la planète rouge.

Les objectifs sont ambitieux : dans les années 2030, la NASA, agence spatiale américaine, prévoit, avec ses partenaires internationaux, le premier vol habité vers la planète Mars – un voyage dans les profondeurs de l'espace, qui sera suivi par des chercheurs du monde entier. Une équipe de la TU Berlin, du département Matériaux céramiques au sein de l'Institut des sciences et technologies des matériaux de la Faculté III des sciences des procédés, s'intéresse également à des expériences axées sur un éventuel voyage vers la planète rouge.

Sol martien simulé à partir de terre volcanique permettant la fabrication de formes géométriques complexes

Pour leur publication « Towards the colonization of Mars by in-situ resource utilization: Slip cast ceramics from Martian soil simulant », les chercheurs ont, pour la première fois, fabriqué des formes géométriques complexes telles que des anneaux et des vases à l’aide du sol martien simulé « JSC-Mars-1A ». Le matériau, imitant le régolithe martien, est d’origine volcanique et provient du flanc du plus haut sommet d’Hawaii, le Mauna Kea. Ces matériaux ont été développés par le centre spatial Johnson de la NASA et mis à disposition de la communauté scientifique notamment pour des études d’utilisation in-situ des ressources (en anglais, in-situ resource utilization, ISRU). Leur composition simule le régolithe martien.

Utilisation des ressources locales comme base

La distance entre Mars et la Terre varie entre 56 et 401 millions de kilomètres. Selon les connaissances actuelles, un voyage jusqu’à la planète prendrait jusqu’à huit mois. « Dans le cas d’un séjour sur Mars, il sera important pour les astronautes de produire leurs propres objets à partir de matériaux locaux. Cette pratique s’appelle « utilisation in-situ des ressources » et constitue la base de nos expériences », explique David Karl. Il est, avec Franz Kamutzki, responsable du projet de cette étude. Tous deux sont chercheurs au sein de l’équipe dirigée par le professeur Dr. Aleksander Gurlo.

« Notre « céramique martienne » est composée d’une terre qui, chimiquement, ressemble à celle de Mars. Pour le traitement, nous avons simplement moulu le simulant martien avec de l’eau, puis versé le mélange dans des moules en plâtre et cuit », explique Franz Kamutzki. « Seuls le « sol martien », le plâtre, l’eau et l’énergie ont été utilisés – toutes des ressources présentes ou pouvant être produites sur Mars. »

Le procédé : mélanger avec de l’eau, moudre et cuire

« Au début, nous avons soumis le matériau à plusieurs pré-traitements : nous l’avons thermiquement prétraité, pré-moulu, pré-tamisé, ajouté des additifs organiques sous forme de dispersants et de liants, et avons finalement constaté que la méthode la plus simple fonctionnait de façon la plus stable », raconte David Karl. Les chercheurs ont mélangé le simulant martien avec de l’eau dans un rapport d’environ 50 à 50, puis l’ont moulu pendant 48 heures. La boue ainsi obtenue a été ensuite versée dans des moules en plâtre – par exemple pour des vases – puis démoulée après un court délai, séchée à l’air et cuite à différentes températures comprises entre 1000 et 1130 degrés Celsius. Le résultat : des pièces en céramique qui, selon la température de cuisson, présentent une résistance à la compression comparable, voire supérieure, à celle du porcelaine.

« Nous avons été très surpris par les bonnes propriétés mécaniques de nos céramiques martiennes – elles sont, en théorie, intéressantes pour toutes les applications où l’on utilise aujourd’hui du porcelaine ou des céramiques en terre : allant de la vaisselle aux composants techniques en passant par les matériaux de construction », résume Franz Kamutzki, soulignant l’importance de ces expériences.

Visions d’avenir : impression 3D à distance de pièces avec des géométries flexibles

Interrogés sur l’utilité des vases sur Mars, les chercheurs expliquent : « Dans la phase de conception de notre projet, nous avons longuement discuté des outils essentiels pour une colonisation humaine de Mars. Finalement, nous avons choisi une géométrie pour nos « céramiques martiennes » qui a été produite, utilisée et laissée par toutes les civilisations humaines tout au long de l’histoire, et qui est encore aujourd’hui utilisée dans le monde entier. »

L’équipe souligne également que de nombreuses autres formes complexes pourraient être fabriquées avec la méthode développée. La coulée de boue dans des moules en plâtre est adaptée à la production en grande série de pièces géométriques identiques. Actuellement, l’équipe travaille sur de nouveaux procédés permettant d’utiliser le système de boue développé avec l’impression 3D. Théoriquement, un tel processus à distance ou entièrement automatisé offrirait la possibilité de produire des pièces aux géométries flexibles – même avant que des humains n’aillent sur la planète rouge.

Publication scientifique

Les premiers résultats du projet ont été publiés dans la revue en accès libre « 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