Esa onderzoekt het bestraten van de maan (video)

Het European Space Agency (Esa) heeft onderzocht hoe we verharde oppervlakken kunnen aanbrengen op de maan. De oplossing: maanstof smelten door zonlicht te focussen met een Fresnel-lens.

Het project werd gerapporteerd in Nature.

Met de beschaving komen wegen – en dat zal zeer zeker nodig zijn op de maan, al was het maar om het stof weg te houden. Maanstof is ultrafijn, schurend en plakkerig. In het Apollo-tijdperk verstopte het stof de apparatuur en erodeerde het de ruimtepakken. Toen de maanrover Apollo 17 zijn achterspatbord verloor, raakte het voertuig bijvoorbeeld zo bestoven met stof dat het oververhit dreigde te raken, totdat astronauten een oplossing improviseerden met behulp van gerecyclede maankaarten. De Lunokod 2-rover uit de Sovjet-Unie kwam inderdaad tot een vroegtijdig einde door oververhitting toen de radiator bedekt raakte met stof. En de Surveyor 3-lander werd met stof gezandstraald toen de Apollo 12-maanmodule op ongeveer 180 meter afstand landde.

Uit huidige modellen van de Nasa blijkt dat wanneer maanlanders landen, hun stuwpluimen tonnen stof kunnen losmaken, dat zich mogelijk aan het oppervlak van de lander kan hechten en de hele omgeving van de landing kan bedekken.

De meest praktische reactie is volgens Esa om stof op afstand te houden door gebieden met activiteit op de maan te bestraten, inclusief wegen en landingsplatforms. Het idee om zand te smelten om wegen aan te leggen werd voor het eerst voorgesteld voor de aarde, in 1933.

Esa’s project ‘Paving the road for large area sintering of regolith’ (Paver) onderzocht de haalbaarheid van deze aanpak voor de aanleg van maanwegen. Het project werd geleid door het Duitse instituut voor materiaalonderzoek BAM met de hogeschool van Aalen en de TU in Clausthal (DE), Liquifer Systems Group (AT) en steun van het DLR Institute of Materials Physics in Space (DE).

Glasachtig oppervlak

Het Paver-consortium gebruikte een koolstofdioxidelaser van 12 kilowatt om gesimuleerd maanstof tot een glasachtig vast oppervlak te smelten, als een manier om verharde oppervlakken op het oppervlak van de maan te construeren. Op de maan zou maanzonlicht geconcentreerd kunnen worden met behulp van een Fresnel-lens van een paar meter doorsnee om een gelijkwaardige smeltkracht te produceren.

Het team ontwikkelde een strategie waarbij een laserstraal met een diameter van 4,5 cm de zijden van driehoeken smelt met een hol midden. Deze kunnen met elkaar worden verbonden om vaste oppervlakken te creëren.

Esa’s materiaalingenieur Advenit Makaya: “Tijdens eerdere in-situ projecten voor het gebruik van hulpbronnen – waaronder het bouwen van bakstenen – hebben we gekeken naar het smelten van relatief kleine smeltplekken, van enkele millimeters tot een paar centimeter in diameter. Voor het aanleggen van wegen of landingsplaatsen is een veel breder focuspunt vereist. Het bleek eigenlijk gemakkelijker om met regoliet met grotere plekken te werken, omdat op millimeterschaal gesmolten ballen ontstaan die door oppervlaktespanning moeilijk samen te voegen zijn. De grotere straal produceert een stabiele laag gesmolten regoliet die gemakkelijker te controleren is.

“Het resulterende materiaal is glasachtig en bros, maar zal vooral onderhevig zijn aan neerwaartse compressiekrachten. Zelfs als het kapot gaat, kunnen we het nog steeds blijven gebruiken en indien nodig repareren.”

Barst

Het team ontdekte dat het opnieuw verwarmen van een gekoelde baan ervoor kan zorgen dat deze barst, dus zijn ze overgestapt op geometrieën met minimale cross-overs. Een enkele smeltlaag is ongeveer 1,8 cm diep; Gebouwde constructies en wegen kunnen uit verschillende lagen bestaan, afhankelijk van de vereiste belastingskrachten.

Jens Günster, hoofd van de divisie Multimaterial Manufacturing Processes bij BAM: “Een dergelijke hoge smeltdiepte om massieve structuren te produceren kan alleen worden bereikt door grote laservlekken.”

Het team schat dat er in 115 dagen een landingsplatform van 100 vierkante meter met een dikte van 2 cm aan dicht materiaal kan worden aangelegd.