Ceramiche dal "Sabbia" del pianeta rosso

Vasi, anelli e tavolette realizzati con suolo marziano simulato in diverse fasi di cottura. (© TU Berlin/David Karl)

Rappresentazione artistica del pianeta Marte. (© NASA) / Un'illustrazione artistica di Marte. (© NASA)

Vasi in ceramica marziana in diverse fasi di produzione. (© TU Berlin/David Karl) / Vasi in diverse fasi di produzione. (© TU Berlin/David Karl)

Gli scienziati del settore dei Materiali Ceramici presso il TU di Berlino, in collaborazione con l'Istituto Federale di Ricerca e Sperimentazione sui Materiali, hanno realizzato per la prima volta componenti complessi utilizzando suolo marziano simulato e hanno dimostrato la possibilità teorica di produrre contenitori stabili come vasi esclusivamente con risorse provenienti dal pianeta rosso. I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista Open Access "PLOS One". Con il loro approccio, gli scienziati vogliono contribuire alle ricerche sulla esplorazione a lungo termine del pianeta rosso.

Gli obiettivi sono ambiziosi: negli anni 2030, l'agenzia spaziale americana NASA, insieme ai suoi partner internazionali, pianifica il primo volo con equipaggio verso il pianeta Marte – un viaggio nelle profondità dello spazio, seguito da ricercatori di tutto il mondo. Un team del TU di Berlino, del settore Materiali Ceramici presso l'Istituto di Scienze e Tecnologie dei Materiali dell'Facoltà III di Scienze dei Processi, si occupa anch'esso di esperimenti che focalizzano sulla possibile missione verso il pianeta rosso.

Suolo marziano simulato da terra vulcanica permette la produzione di forme geometriche complesse

Gli scienziati hanno realizzato, per la loro pubblicazione "Towards the colonization of Mars by in-situ resource utilization: Slip cast ceramics from Martian soil simulant", per la prima volta, forme geometriche complesse come anelli e vasi utilizzando il suolo marziano simulato "JSC-Mars-1A". Il materiale, che imita il suolo (regolite) di Marte, ha origine vulcanica ed è stato prelevato dal fianco del monte più alto delle Hawaii, il Mauna Kea. I materiali sono stati sviluppati dal NASA Johnson Space Center e messi a disposizione della comunità scientifica, tra l'altro, per studi di utilizzo delle risorse in situ (in-situ resource utilization, ISRU). La loro composizione simula quella della regolite marziana.

Utilizzo delle risorse locali come base

Marte e Terra sono distanti tra loro tra 56 e 401 milioni di chilometri. Un viaggio verso Marte, secondo le attuali conoscenze, durerebbe fino a otto mesi. "In caso di soggiorno su Marte, sarà importante per gli astronauti produrre propri manufatti utilizzando materiali locali. Questa pratica si chiama 'utilizzo delle risorse in situ' e costituisce la base dei nostri esperimenti", spiega David Karl. È lui, insieme a Franz Kamutzki, il responsabile del progetto dello studio. Entrambi sono ricercatori del team guidato dal Prof. Dr. Aleksander Gurlo.

"La nostra 'ceramica marziana' è composta da una terra che, dal punto di vista chimico, è simile a quella di Marte. Per la lavorazione abbiamo macinato il simulante marziano solo con acqua, versato in forme di gesso e cotto", spiega Franz Kamutzki il metodo. "Sono stati utilizzati solo 'suolo marziano', gesso, acqua ed energia – tutte risorse presenti o producibili su Marte."

Il procedimento: mescolare con acqua, macinare e cuocere

"All'inizio abbiamo sottoposto il materiale a diversi pre-trattamenti: trattamento termico, pre-macinatura, setacciatura, aggiunta di additivi organici come dispergenti e leganti, e infine abbiamo constatato che la soluzione più semplice funziona in modo più stabile", afferma David Karl. I ricercatori hanno mescolato il simulante marziano con acqua in rapporto circa 50:50 e lo hanno macinato per 48 ore. La sospensione risultante è stata poi versata in forme di gesso – ad esempio per vasi – e, dopo breve tempo, rimossa dalle forme, lasciata asciugare all'aria e cotta a temperature tra 1000 e 1130 gradi Celsius. Il risultato sono componenti ceramici che, a seconda della temperatura di cottura, mostrano resistenze alla compressione simili o anche superiori a quelle della porcellana.

"Siamo rimasti molto sorpresi dalle buone proprietà meccaniche delle nostre ceramiche marziane – teoricamente sono interessanti per tutte le applicazioni per cui sulla Terra si usano porcellana e ceramiche di argilla: dall'uso in stoviglie, a componenti tecnici fino ai materiali da costruzione", riassume Franz Kamutzki l'importanza degli esperimenti.

Visioni future: stampa 3D remota di componenti con geometrie flessibili

Rispondendo sulla utilità di vasi su Marte, gli scienziati spiegano: "Nella fase di progettazione del nostro progetto, abbiamo discusso a lungo su quali strumenti sarebbero stati essenziali per una colonizzazione umana di Marte. Alla fine, abbiamo deciso di adottare una geometria per le nostre 'ceramiche marziane' che è stata prodotta, usata e lasciata da tutte le civiltà nella storia umana e che è ancora oggi diffusa in tutto il mondo."

Il team sottolinea inoltre che molte altre forme complesse potrebbero essere prodotte con il metodo sviluppato. La colata di sospensione con forme di gesso è utile per la produzione di grandi quantità di pezzi con la stessa geometria. Attualmente, il team lavora a nuovi processi in cui il sistema di sospensione sviluppato verrà lavorato tramite stampa 3D. Teoricamente, un processo di questo tipo, controllato a distanza o completamente automatizzato, potrebbe consentire di produrre componenti con geometrie flessibili – anche prima che gli esseri umani mettano piede sul pianeta rosso.

Pubblicazione scientifica

I primi risultati del progetto sono stati pubblicati sulla rivista open access "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