Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) z powodzeniem wykorzystała laser do stopienia sztucznego pyłu księżycowego, torując drogę do budowy dróg na Księżycu. Stanowi to kluczowy krok w radzeniu sobie z wyzwaniami związanymi z pyłem księżycowym w przyszłych misjach.
Kiedy astronauci powrócą na powierzchnię Księżyca, bardziej prawdopodobne jest, że będą więcej jeździć specjalnym pojazdem niż chodzić. Jednak aby powstrzymać unoszenie się kłębów księżycowego pyłu, będą potrzebować dróg. W ramach projektu ESA opublikowanego 12 października w czasopiśmie „Scientific Reports” testowano tworzenie powierzchni nadających się do ruchu drogowego poprzez stopienie sztucznego pyłu księżycowego za pomocą potężnego lasera.
Wraz z cywilizacją pojawiają się drogi, a te, co będzie szczególnie istotne na Księżycu, trzeba chronić przed pyłem. Pył księżycowy jest bardzo drobny, ścierny i lepki. W epoce lotów Apollo pył zatykał urządzenia i prowadził do uszkodzeń skafandrów kosmicznych. Gdy łazik księżycowy Apollo 17 stracił tylny błotnik, cały pojazd został tak mocno pokryty pyłem, że groziło to jego przegrzaniem. Z pomocą przyszli astronauci, którzy zaimprowizowali nowy błotnik z papierowych map Księżyca.
Na zdjęciu: Astronauta Gene Cernan prowadzący łazik księżycowy z modułem księżycowym Apollo 17 w tle. Źródło: NASA
Łazik Łunochod 2 należący do Związku Radzieckiego rzeczywiście zepsuł się w wyniku przegrzania, gdy jego chłodnica pokryła się pyłem. Inny lądownik, Surveyor 3, został uszkodzony przez pył, gdy moduł księżycowy Apollo 12 wylądował w odległości około 180 metrów od niego.
Obecne modele NASA pokazują, że gdy lądowniki księżycowe osiadają na powierzchni Srebrnego Globu, ich silniki mogą doprowadzić do wyrzucenia w górę ton pyłu księżycowego, który następnie przywrze do powierzchni lądownika i pokryje otoczenie miejsca lądowania.
Na zdjęciu: Surveyor 3 odwiedziony przez astronautów Apollo 12, Charlesa Conrada Jr. i Alana L. Beana, którzy zrobili to zdjęcie 20 listopada 1969 roku. Źródło: NASA
Najbardziej praktycznym rozwiązaniem tego problemu jest powstrzymanie unoszenia się pyłu poprzez wybrukowanie tych obszarów na Księżycu, gdzie będą regularnie przebywać ludzie – w tym dróg i lądowisk.
Pomysł topienia piasku w celu budowy dróg został po raz pierwszy zaproponowany w celu usprawnienia prac inżynieryjnych na Ziemi w 1933 roku. W ramach projektu ESA PAVER badano wykonalność takiego samego podejścia w przypadku budowy dróg na Księżycu. W tym celu konsorcjum PAVER wykorzystało dwunastokilowatowy laser CO2 do stopienia sztucznego pyłu księżycowego w szklistą stałą powierzchnię, aby w ten sposób tworzyć utwardzone powierzchnie na Księżycu.
Na zdjęciu: Konsorcjum PAVER wykorzystało dwunastokilowatowy laser na dwutlenku węgla do stopienia sztucznego pyłu księżycowego w szklistą stałą powierzchnię, aby w ten sposób tworzyć utwardzone powierzchnie na Księżycu. Źródło: Konsorcjum PAVER
Jak wyjaśnia inżynier materiałowy ESA Advenit Makaya, w projekcie tak naprawdę powraca się do pierwotnej koncepcji z 1933 roku, choć nie planuje się użycia lasera CO2 na Księżycu. Obecnie wykorzystywany laser służy jako źródło światła w eksperymentach, zastępując światło słoneczne, które na Księżycu będzie można skupić za pomocą soczewki Fresnela o średnicy kilku metrów, aby uzyskać stopienie powierzchni.
Na zdjęciu: Konsorcjum PAVER opracowało technologię wykorzystującą wiązkę lasera o średnicy 4,5 centymetra do tworzenia trójkątnych, wydrążonych kształtów geometrycznych o średnicy około 20 centymetrów. Źródło: Konsorcjum PAVER
Podczas poprzednich projektów wykorzystania zasobów na miejscu, w tym wypalania cegieł przy użyciu skupionego światła słonecznego, naukowcy zajmowali się procesem topnienia powierzchniowego ograniczonego do stosunkowo małych punktów (o średnicy od kilku milimetrów do kilku centymetrów). Do budowy dróg lub lądowisk wymagany jest znacznie szerszy punkt ogniskowania, aby móc pokryć bardzo duży obszar w rozsądnym czasie. Konsorcjum PAVER osiągnęło wielkość plamki topiącej rzędu 5–10 centymetrów.
Na zdjęciu: Trójkątne, wydrążone kształty, które można ze sobą łączyć, tworząc stałe powierzchnie na dużych obszarach księżycowej gleby; powierzchnie te mogłyby służyć jako drogi lub lądowiska. Źródło: Konsorcjum PAVER
Metodą prób i błędów naukowcy opracowali technologię wykorzystującą wiązkę lasera o średnicy 4,5 centymetra do tworzenia trójkątnych, wydrążonych kształtów o średnicy około 20 centymetrów. Można je ze sobą łączyć, tworząc stałe powierzchnie na dużych obszarach księżycowej gleby, które mogłyby służyć jako drogi lub lądowiska.
W czasie badań okazało się, że łatwiej jest pracować z regolitem używając większego rozmiaru plamki, ponieważ w skali milimetrowej podczas ogrzewania powstają stopione kulki, których napięcie powierzchniowe utrudnia łączenie. Większa wiązka wytwarza stabilną warstwę stopionego regolitu, którą łatwiej kontrolować.
Na zdjęciu: Pojedyncza warstwa stopu o grubości około 1,8 cm. Źródło: Konsorcjum PAVER
Uzyskany materiał jest podobny do szkła i kruchy, ale będzie poddawany głównie działaniu sił ściskających skierowanych w dół. Nawet jeśli ulegnie zniszczeniu, będzie można go naprawiać, jeśli to będzie konieczne.
Zespół szacuje, że do zbudowania lądowiska o powierzchni 100 m2 i grubości 2 cm potrzeba będzie około 115 dni.
Na ilustracji: logo projektu ESA PAVER, w ramach którego badano wykonalność topienia regolitu do budowy dróg na Księżycu. Badania były prowadzone pod kierownictwem niemieckiego Instytutu Badań i Testowania Materiałów BAM wraz z Uniwersytetem w Aalen w Niemczech, LIQUIFER Systems Group w Austrii i Niemieckim Uniwersytetem Clausthal w Niemczech, przy wsparciu Instytutu Fizyki Materiałów w Przestrzeni Niemieckiego Centrum Lotnictwa i Kosmonautyki (DLR). Źródło: Konsorcjum PAVER
Więcej informacji: publikacja Laser melting manufacturing of large elements of lunar regolith simulant for paving on the Moon, Juan-Carlos Ginés-Palomares i in., „Scientific Reports” (2023). DOI: 10.1038/s41598-023-42008-1
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: wizja artystyczna księżycowego lądowiska. Źródło: konsorcjum PAVER/Grupa LIQUIFER Systems
