Ceramika z „Piasku” czerwonej planety

Wazony, pierścienie i tabliczki wykonane z symulowanej gleby marsjańskiej w różnych stadiach wypalania. (© TU Berlin/David Karl)

Artystyczne przedstawienie planety Mars. (© NASA) / Artystyczna wizja Marsa. (© NASA)

Wazon z marskiej ceramiki na różnych etapach produkcji. (© TU Berlin/David Karl) / Wazon w różnych stadiach produkcji. (© TU Berlin/David Karl)

Naukowcy z dziedziny Ceramicznych Materiałów na TU Berlin we współpracy z Federalnym Instytutem Badań Materiałowych i Kontroli po raz pierwszy wyprodukowali złożone elementy z symulowanej gleby marsjańskiej i wykazali teoretyczną możliwość wytwarzania stabilnych naczyń, takich jak wazony, wyłącznie z zasobów czerwonej planety. Ich wyniki zostały opublikowane w otwartym czasopiśmie „PLOS One”. Ze swoim podejściem naukowcy chcą wnieść wkład w badania nad długoterminową eksploracją czerwonej planety.

Ambitne cele: W latach 2030. amerykańska agencja kosmiczna NASA planuje wraz ze swoimi międzynarodowymi partnerami pierwszy załogowy lot na planetę Mars – podróż w głębiny kosmosu, którą będą towarzyszyć badacze z całego świata. Zespół z TU Berlin z dziedziny Ceramicznych Materiałów na Instytucie Nauki i Technologii Materiałowych Wydziału III Procesów Naukowych również zajmuje się eksperymentami skupionymi na potencjalnej podróży na czerwony planetę.

Symulowana gleba marsjańska z wulkanicznej ziemi umożliwia wytwarzanie złożonych form geometrycznych

Naukowcy w ramach publikacji „Towards the colonization of Mars by in-situ resource utilization: Slip cast ceramics from Martian soil simulant” po raz pierwszy wyprodukowali z pomocą symulowanej gleby marsjańskiej „JSC-Mars-1A” złożone formy geometryczne, takie jak pierścienie i wazony. Materiał naśladujący marsjański regolith (pokład) pochodzi z wulkanicznego pochodzenia i został pobrany z zbocza najwyższej góry na Hawajach, Mauna Kea. Materiały te zostały opracowane przez NASA Johnson Space Center i udostępnione społeczności naukowej m.in. do badań nad tzw. in-situ resource utilization (ISRU), czyli wykorzystaniem lokalnych zasobów. Ich właściwości symulują marsjański regolith.

Wykorzystanie lokalnych materiałów jako podstawa

Planeta Mars i Ziemia oddalone są od siebie od 56 do 401 milionów kilometrów. Według obecnych szacunków podróż do niej trwałaby do ośmiu miesięcy. „W przypadku pobytu na Marsie ważne będzie dla astronautów wytwarzanie własnych produktów z lokalnych materiałów. Ta praktyka nazywa się ‚in-situ resource utilization’ i stanowi podstawę naszych eksperymentów” – wyjaśnia David Karl. Jest on wspólnie z Franzem Kamutzkim odpowiedzialny za projekt badawczy. Obaj są pracownikami naukowymi zespołu kierowanego przez prof. dr. Aleksandra Gurlo.

„Nasza ‚marsjańska ceramika’ składa się z gleby, która chemicznie jest podobna do tej na Marsie. Do przetwarzania użyliśmy symulanta marsjańskiego, który został zmielony tylko z wodą, wylany do form gipsowych i wypalony” – wyjaśnia Franz Kamutzki. „Użyto tylko ‚gleby marsjańskiej’, gipsu, wody i energii – wszystko to zasoby dostępne na Marsie lub możliwe do wyprodukowania.”

Proces: mieszanie z wodą, mielenie i wypalanie

„Na początku poddaliśmy materiał wielu procesom wstępnym: poddaliśmy go obróbce termicznej, wstępnemu zmieleniu, przesiewaniu, dodaliśmy organiczne dodatki w postaci dispergatorów i środków wiążących, a na końcu stwierdziliśmy, że najprostsza metoda działa najstabilniej” – mówi David Karl. Naukowcy mieszali symulant marsjański z wodą w proporcji około 50 do 50 i mieli go przez 48 godzin. Powstały w ten sposób szlam następnie wylewali do form gipsowych – np. na wazony – po czym wyjmowali je po krótkim czasie, suszyli na powietrzu i wypalali w temperaturach od 1000 do 1130 stopni Celsjusza. Efektem są elementy ceramiczne, które w zależności od temperatury wypalania mają podobną lub nawet wyższą wytrzymałość na ściskanie w porównaniu do porcelany.

„Byliśmy bardzo zaskoczeni dobrymi właściwościami mechanicznymi naszych marsjańskich ceramik – teoretycznie mogą być one używane do wszystkich zastosowań, dla których na Ziemi używa się porcelany i ceramiki z gliny: od naczyń, przez elementy techniczne, aż po materiały budowlane” – podsumowuje Franz Kamutzki znaczenie eksperymentów.

Wizje przyszłości: zdalny druk 3D elementów o elastycznych geometriach

Odpowiadając na pytanie o użyteczność waz na Marsie, naukowcy wyjaśniają: „W fazie koncepcyjnej naszego projektu dyskutowaliśmy szeroko, jakie narzędzia byłyby niezbędne dla ludzkiej kolonizacji Marsa. Ostatecznie zgodziliśmy się, że kształt naszych ‚marsjańskich ceramik’ opiera się na geometrii, która była produkowana, używana i pozostawiana przez wszystkie kultury w historii ludzkości, i która do dziś znajduje zastosowanie na całym świecie.”

Zespół podkreśla również, że wiele innych złożonych form można by wyprodukować za pomocą opracowanej metody. Wylewanie szlamu do form gipsowych jest sensowne przy produkcji dużej liczby elementów o identycznej geometrii. Obecnie zespół pracuje nad nowymi procesami, w których opracowany system szlamu będzie przetwarzany metodą druku 3D. Teoretycznie taka zdalna lub w pełni zautomatyzowana produkcja umożliwiłaby wytwarzanie elementów o elastycznych geometriach – nawet zanim ludzie postawią stopę na czerwonej planecie.

Publikacja naukowa

Pierwsze wyniki projektu zostały opublikowane w otwartym czasopiśmie „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