Kerámiák a vörös bolygó „Homokjából”

Vázák, gyűrűk és tabletták Mars-kerámiából különböző égetési szinteken. (© TU Berlin/David Karl) / Váza, gyűrűk és táblák szimulált marsi talajból készült, különböző égetési szinteken. (© TU Berlin/David Karl)

Művészi ábrázolás a Mars bolygóról. (© NASA) / Egy művészi ábrázolás a Marsról. (© NASA)

Cserepek marsi kerámiából különböző gyártási szakaszokban. (© TU Berlin/David Karl) / Cserepek különböző gyártási szakaszokban. (© TU Berlin/David Karl)

Berlin Műszaki Egyetem Kerámia Anyagok Tanszékének kutatói az anyagkutató intézettel együttműködve elsőként készítettek összetett alkatrészeket szimulált Mars-talajból, és bemutatták, hogy elméletileg lehetséges stabil edényeket, például vázákat, kizárólag a vörös bolygó erőforrásaiból gyártani. Eredményeiket az Open Access „PLOS One” folyóiratban tették közzé. Kutatásaikkal a kutatók a vörös bolygó hosszú távú kutatásához kívánnak hozzájárulni.

A célok ambiciózusak: az amerikai űrügynökség, a NASA a 2030-as években tervezi első emberes küldetését a Marsra nemzetközi partnereivel közösen – ez egy az űr mélyébe vezető utazás, amelyet világszerte kutatók kísérnek figyelemmel. A Berlin Műszaki Egyetem Kerámia Anyagok Tanszékének egy csapata az Anyagtudomány és Technológiák Intézetében, a III. Folyamat Tudományok Karán szintén olyan kísérletekkel foglalkozik, amelyek a vörös bolygóra való esetleges utazásra fókuszálnak.

Szimulált Mars-talaj vulkáni eredetű anyagból összetett geometriai formák készíthetők

A kutatók a „Towards the colonization of Mars by in-situ resource utilization: Slip cast ceramics from Martian soil simulant” című publikációjukhoz először készítettek összetett geometriai formákat, például gyűrűket és vázákat a szimulált Mars-talaj, a „JSC-Mars-1A” segítségével. A Mars-talaj (regolit) utánzatként szolgáló anyag vulkáni eredetű, és a Hawaii legmagasabb hegyének, a Mauna Keának a lejtőjéről származik. Az anyagokat a NASA Johnson Űrközpont fejlesztette ki, és a tudományos közösség számára többek között az úgynevezett in-situ erőforrás-hasznosítási (ISRU) tanulmányokhoz tették elérhetővé. Az anyag a Mars-regolitot utánozza.

Az erőforrások helyi felhasználásán alapuló módszerek

A Mars és a Föld távolsága 56 és 401 millió kilométer között változik. A jelenlegi ismeretek szerint odautazás akár nyolc hónapot is igénybe vehet. „Egy Marson tartózkodás esetén fontos lesz az űrhajósok számára, hogy saját termékeket helyi anyagokból állítsanak elő. Ezt a gyakorlatot „in-situ resource utilization”-nak, azaz helyszíni erőforrás-hasznosításnak nevezik, és ez adja az alapját a kísérleteinknek” – magyarázza David Karl. Ő és Franz Kamutzki a tanulmány projektvezetői. Mindketten a Prof. Dr. Aleksander Gurlo vezetette kutatócsoport tagjai.

„A mi „Mars-kerámiánk” egy olyan földből készül, amely kémiailag hasonlít a Marséra. A feldolgozás során a Mars-szimulánst csak vízzel őröltük, gipszformákba öntöttük, majd égettük” – magyarázza Franz Kamutzki a folyamatot. „Csak a „Mars-talaj”, gipsz, víz és energia került felhasználásra – ezek mind olyan erőforrások, amelyek a Marson elérhetők vagy előállíthatók.”

A folyamat: víz hozzáadása, őrlés és égetés

„Kezdetben a anyagon több előfeldolgozási lépést végeztünk: termikus kezelést, előőrlést, szitálást, szerves adalékokat, például diszpergálószereket és kötőanyagokat adtunk hozzá, végül pedig arra jutottunk, hogy a legegyszerűbb módszer a legstabilabb” – mondja David Karl. A kutatók a Mars-szimulánst körülbelül 50-50 arányban keverték vízzel, majd 48 órán át keverve őrölték. A keletkezett sárgás masszát ezután gipszformákba öntötték – például vázákhoz –, rövid idő múlva formázás nélkül kivették, levegőn szárították, és különböző hőmérsékleteken, 1000 és 1130 Celsius-fokon égették. Az eredmény olyan kerámiaalkatrészek, amelyek a sütési hőmérséklettől függően hasonló vagy akár magasabb nyomószilárdságot mutatnak, mint a porcelán.

„Nagyon meglepődtünk a Mars-kerámiáink jó mechanikai tulajdonságain – elméletileg minden olyan alkalmazásban érdekeltek lehetnek, ahol ma porcelán és agyagkerámiákat használnak a Földön: például edények, műszaki alkatrészek vagy építőanyagok” – összegzi Franz Kamutzki a kísérletek jelentőségét.

Jövőképek: távolról irányított 3D nyomtatás a rugalmas geometriai formákhoz

A kutatók a vázákon kívül elmondják: „A projektünk koncepcionális szakaszában alaposan megvitattuk, mely eszközök lennének alapvetőek az emberi Mars-kolonizációhoz. Végül egy olyan geometria mellett döntöttünk, amelyet minden kultúra a civilizáció történetében gyártott, használt és hagyott hátra, és amely ma is világszerte elterjedt.”

A csapat hangsúlyozza továbbá, hogy sok más összetett forma is előállítható a kifejlesztett eljárással. A gipszformás sárgás massza alkalmas nagy mennyiségű, azonos geometria szerinti gyártásra. Jelenleg a csapat új eljárásokon dolgozik, amelyek során a kifejlesztett sárgás rendszer 3D nyomtatással feldolgozható. Elméletileg egy ilyen távolról irányított vagy teljesen automatikus folyamat lehetőséget adna arra, hogy rugalmas geometriai formákat hozzanak létre – akár még azelőtt, hogy az emberek megérkeznének a vörös bolygóra.

Tudományos publikáció

A projekt első eredményeit az „PLOS One” nyílt hozzáférésű folyóiratban tették közzé.

„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