Kể từ khi bắt đầu khám phá không gian, gần như mọi khía cạnh của các hoạt động trên không gian vẫn rất đắt đỏ. Ví dụ, tàu con thoi của NASA tốn khoảng 54 000 đô la để đưa một kg trọng tải lên quỹ đạo Trái Đất.
Theo tuyên bố của NASA và các sứ mệnh Artemis and Gateway, việc định cư trên Mặt Trăng sẽ diễn ra sớm nhất vào năm 2024 bằng cách đưa phi hành đoàn đầu tiên của con người lên bề mặt Mặt Trăng. Sử dụng tài nguyên tại chỗ để duy trì các cuộc khám phá của con người có thể giúp thực hiện các sứ mệnh ngoài Trái Đất hiệu quả hơn với những thách thức về hậu cần được giảm thiểu.
Khả năng sản xuất và sửa chữa các thành phần cấu trúc trong không gian là rất quan trọng cho các sứ mệnh không gian trong tương lai lên Mặt Trăng, Sao Hỏa và xa hơn nữa là Trạm vũ trụ quốc tế. Để thực hiện ý tưởng này, các kỹ thuật sản xuất phụ gia (AM) có thể chế tạo các cấu trúc từ dưới lên và từng lớp bằng cách sử dụng các nguồn tài nguyên sẵn có tại chỗ.
Hơn nữa, nếu các thành phần cấu trúc hoặc lớp phủ có thể được sản xuất bằng cách sử dụng các nguồn tài nguyên tại chỗ, nó sẽ giảm thiểu gánh nặng khối lượng cần thiết của các sứ mệnh ngoài Trái Đất. Khả năng sản xuất các cấu trúc tùy chỉnh với các thiết kế khác nhau của AM khiến nó trở thành một cách tiếp cận hấp dẫn để khám phá không gian hướng tới các sứ mệnh mở rộng của con người hoặc robot trong tương lai.
Sử dụng tài nguyên tại chỗ (ISRU) đã được thực hiện bằng một số kỹ thuật AM như phản ứng quang phân tử, phản ứng tổng hợp bột, lắng đọng năng lượng có hướng (DED) và mô hình lắng đọng hợp nhất để chế tạo các cấu trúc dựa trên các nguồn nguyên liệu khác nhau, sẵn có trên Sao Hỏa/ Mặt Trăng.
Tuy nhiên, phương pháp AM dựa trên bột lại phải đối mặt với nhiều thách thức khác nhau về vi trọng lực hơn so với các kỹ thuật khác, chẳng hạn như nhiễm bẩn bột do bột kim loại nổi và giữ cho bột chảy tại điểm laser; do đó, các công nghệ phải được phát triển để giải quyết những vấn đề này để cho phép sản xuất kim loại quy mô lớn.
Lớp đất mặt (regolith) là một lớp vật liệu không đồng nhất, bở rời phủ lên nền đá cứng. Lớp này bao gồm bụi, đất, mảng vụn đá và những vật liệu liên quan khác và chúng có mặt trên Trái Đất, Mặt Trăng, Sao Hỏa và các hành tinh khác. Lớp này hầu như bao phủ toàn bộ Mặt Trăng.
Theo đó, nhóm các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Vật liệu Y sinh WM Keck, Trường Kỹ thuật Cơ khí và Vật liệu, Đại học Bang Washington, Pullman, Washington, Hoa Kỳ đã tiến hành một nghiên cứu mới thông qua việc sử dụng regolith để tạo ra đồ gốm và cũng trộn nó với hợp kim Titan-nhôm-vanadi. Hợp kim này được biết đến với độ bền cực cao và khả năng chống ăn mòn và nhóm nghiên cứu rất quan tâm đến việc thêm một loại đất mô phỏng Sao Hỏa vào nó để xem nó có cải thiện được mọi thứ hay không.
Việc tạo ra gốm sứ 100% regolith trên thực tế không thực sự thành công. Chúng có xu hướng nứt khi nguội đi và mặc dù không hữu ích như một vật liệu xây dựng, nhưng có thể được sử dụng như một lớp phủ bảo vệ khỏi quá trình oxy hóa và thậm chí có thể làm giảm bức xạ. Sao Hỏa không có từ trường nên ít được bảo vệ khỏi gió Mặt Trời và tia vũ trụ. Điều còn có thể tạo ra một số cực quang khá độc đáo trên Sao Hỏa.
Nhưng regolith có thể được sử dụng để làm một vật liệu khá chắc chắn. Khi một phần nhỏ của regolith (5%) được trộn với hợp kim titan, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng nó đã cải thiện đáng kể các đặc tính của vật liệu và làm cho nó nhẹ hơn nhiều.
Đồng tác giả của nghiên cứu, Amit Bandyopadhyay, từ Đại học Bang Washington, cho biết : “Nó cung cấp cho bạn một vật liệu tốt hơn, có độ bền và độ cứng cao hơn, để có thể hoạt động tốt hơn đáng kể trong một số ứng dụng".
Nhóm đã tạo ra hỗn hợp in 3D bằng cách nấu chảy hợp kim đến hơn 2.000 độ C và thêm đất mô phỏng vào. Sau đó, hỗn hợp này chảy lên một bệ chuyển động cho phép các nhà nghiên cứu in các vật thể có kích thước và hình dạng cụ thể.
Cách tiếp cận này vẫn đòi hỏi rất nhiều vật liệu cần được mang từ Trái Đất, nhưng như nhóm nghiên cứu nói, đó là một bước khởi đầu. Công việc trong tương lai có thể tạo ra các vật liệu composite tốt hơn nữa và sử dụng các kỹ thuật in 3D hiệu quả hơn.
Bandyopadhyay nói thêm: “Điều này chứng tỏ rằng có thể, và có lẽ chúng ta nên nghĩ theo hướng này bởi vì nó không chỉ có thể chế tạo các bộ phận bằng nhựa mà còn là các bộ phận kết hợp kim loại-gốm rất bền và có thể được sử dụng cho bất kỳ loại bộ phận cấu trúc nào”.
Đây không phải là cách duy nhất để sử dụng regolith trên Sao Hỏa. Các nhà nghiên cứu khác đã tìm ra cách trộn nó với máu hoặc chất thải để tạo ra những viên gạch chắc chắn.
Tham khảo: NASA; Iflscience; International Journal of Applied Ceramic Technology