Keramiek uit het "Zand" van de rode planeet

Vazen, ringen en tabletten gemaakt van gesimuleerd marsgrond in verschillende brandstadia. (© TU Berlin/David Karl) / Vazen, ringen en tabletten gemaakt van gesimuleerd marsgrond in verschillende brandstadia. (© TU Berlin/David Karl)

Artistieke voorstelling van de planeet Mars. (© NASA) / Een artistieke impressie van Mars. (© NASA)

Vazen van Marskeramiek in verschillende productiestadia. (© TU Berlin/David Karl) / Vazen in verschillende stadia van productie. (© TU Berlin/David Karl)

Wetenschappers van het vakgebied Keramische Materialen aan de TU Berlijn hebben in samenwerking met het Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung voor het eerst complexe onderdelen uit gesimuleerd Marsbodem vervaardigd en de theoretische mogelijkheid aangetoond om stabiele vaten zoals vazen uitsluitend met hulpbronnen van de rode planeet te maken. Hun resultaten zijn gepubliceerd in het Open Access-tijdschrift PLOS One. Met hun aanpak willen de wetenschappers een bijdrage leveren aan het onderzoek naar de langdurige verkenning van de rode planeet.

De doelen zijn ambitieus: in de jaren 2030 plant de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA, samen met haar internationale partners, de eerste bemande vlucht naar de planeet Mars – een reis naar de diepten van het heelal, die wereldwijd door onderzoekers wordt begeleid. Een team van de TU Berlijn van het vakgebied Keramische Materialen aan het Instituut voor Materialenwetenschappen en -technologieën van Faculteit III Proceswetenschappen houdt zich eveneens bezig met experimenten die een mogelijke reis naar de rode planeet in de focus stellen.

Gesimuleerd Marsbodem uit vulkanische aarde maakt het mogelijk complexe geometrische vormen te vervaardigen

De wetenschappers hebben voor hun publicatie „Towards the colonization of Mars by in-situ resource utilization: Slip cast ceramics from Martian soil simulant” voor het eerst complexe geometrische vormen zoals ringen en vazen gemaakt met behulp van de gesimuleerde Marsbodem „JSC-Mars-1A”. Het materiaal dat de Marsbodem (regoliet) nabootst, is van vulkanische oorsprong en komt van de flank van de hoogste berg op Hawaï, de Mauna Kea. De materialen zijn ontwikkeld door het NASA Johnson Space Center en beschikbaar gesteld aan de wetenschappelijke gemeenschap, onder andere voor zogenaamde In-situ Resource Utilization (ISRU)-studies. Hun samenstelling simuleert het Mars-regoliet.

Gebruik van lokale hulpbronnen als basis

De afstand tussen Mars en de aarde varieert tussen 56 en 401 miljoen kilometer. Volgens de huidige inzichten zou een reis daar naartoe tot acht maanden duren. „In het geval van een verblijf op Mars zal het voor astronauten belangrijk zijn om eigen producten uit lokale materialen te maken. Deze praktijk wordt ‘in-situ resource utilization’ genoemd en vormt de basis voor onze experimenten,” legt David Karl uit. Hij is samen met Franz Kamutzki projectverantwoordelijke van de studie. Beiden zijn wetenschappelijke medewerkers in het team van vakgroepleider Prof. Dr. Aleksander Gurlo.

„Onze ‘Marskeramiek’ bestaat uit aarde die chemisch gezien vergelijkbaar is met die op Mars. Voor de verwerking hebben we de Mars-simulant alleen met water vermalen, in gipsvormen gegoten en gebakken,” legt Franz Kamutzki het proces uit. „Er werden alleen ‘Marsbodem’, gips, water en energie gebruikt – allemaal hulpbronnen die op Mars aanwezig zijn of kunnen worden geproduceerd.”

Het proces: mengen met water, malen en bakken

„Aanvankelijk hebben we het materiaal aan verschillende voorbehandelingen onderworpen: thermisch voorbehandeld, voorgemalen, voorgescheiden, organische additieven zoals dispersanten en bindmiddelen toegevoegd en uiteindelijk vastgesteld dat de eenvoudigste variant het meest stabiel functioneert,” zegt David Karl. De wetenschappers mengden de Mars-simulant met water in een verhouding van ongeveer 50 tot 50 en maalden het 48 uur lang. De daaruit ontstane slib werd vervolgens in gipsvormen gegoten – bijvoorbeeld voor vazen – en na korte tijd uit de vormen gehaald, luchtgedroogd en bij verschillende temperaturen van 1000 tot 1130 graden Celsius gebakken. Het resultaat zijn keramische onderdelen die, afhankelijk van de baktemperatuur, vergelijkbare of zelfs hogere druksterktes vertonen dan porselein.

„We waren zeer verrast door de goede mechanische eigenschappen van onze Marskeramieken – theoretisch zijn ze hierdoor interessant voor alle toepassingen waarvoor op aarde porselein en aardekeramiek worden gebruikt: van servies tot technische onderdelen en bouwmaterialen,” vat Franz Kamutzki de betekenis van de experimenten samen.

Toekomstvisies: op afstand bediende 3D-printen van onderdelen met flexibele geometrieën

Over het nut van vazen op Mars vertellen de wetenschappers: „In de conceptuele fase van ons project hebben we uitgebreid gediscussieerd over welke gereedschappen essentieel zouden zijn voor een menselijke kolonisatie van Mars. Uiteindelijk zijn we uitgegaan van een geometrie voor onze ‘Marskeramiek’ die in de menselijke beschavingsgeschiedenis door alle culturen is geproduceerd, gebruikt en achtergelaten en die nog steeds wereldwijd wordt toegepast.”

Het team benadrukt verder dat veel andere complexe vormen met de ontwikkelde procesroute kunnen worden vervaardigd. Het slibgieten met gipsvormen is geschikt voor de productie van grote aantallen met dezelfde geometrie. Momenteel werkt het team aan nieuwe processen waarbij het ontwikkelde slib-systeem wordt verwerkt met 3D-printtechnologie. Theoretisch biedt zo’n op afstand bediende of volledig geautomatiseerde verwerking de mogelijkheid om onderdelen met flexibele geometrieën te produceren – zelfs voordat mensen de rode planeet betreden.

Wetenschappelijke publicatie

De eerste resultaten van het project zijn gepubliceerd in het Open Access-tijdschrift 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