WSU: Marsgestein-Metall-Verbundwerkstoff Option für 3D-Druck auf dem Mars

Ein wenig Marsstaub scheint einen langen Weg zu gehen. Eine kleine Menge simulierten zerkleinerten Marsgesteins gemischt mit einer Titanlegierung ergab in einem 3D-Druckverfahren ein stärkeres, leistungsfähigeres Material, das eines Tages auf dem Mars zur Herstellung von Werkzeugen oder Raketenteilen verwendet werden könnte.

Die Teile wurden von Forschern der Washington State University mit 5 % bis 100 % Marsregolith hergestellt, einer schwarzen, pulverförmigen Substanz, die das felsige, anorganische Material auf der Oberfläche des roten Planeten imitieren soll.

Während die Teile mit 5 % Marsregolith fest waren, erwiesen sich die Teile mit 100 % Regolith als spröde und brachen leicht. Dennoch wären selbst Materialien mit hohem Marsanteil nützlich für die Herstellung von Beschichtungen zum Schutz von Geräten vor Rost oder Strahlungsschäden, so Amit Bandyopadhyay, korrespondierender Autor der im International Journal of Applied Ceramic Technology veröffentlichten Studie.

“Im Weltraum ist 3D-Druck etwas, das passieren muss, wenn wir an eine bemannte Mission denken, denn wir können nicht alles von hier aus mitnehmen”, sagte Bandyopadhyay, Professor an der School of Mechanical and Materials Engineering der WSU. “Und wenn wir etwas vergessen haben, können wir nicht zurückkommen, um es zu holen.

Die Beförderung von Materialien in den Weltraum kann extrem teuer sein. Die Autoren stellten fest, dass es beispielsweise etwa 54.000 Dollar kostet, ein Kilogramm Nutzlast (etwa 2,2 Pfund) mit dem Space Shuttle der NASA in die Erdumlaufbahn zu bringen. Alles, was im Weltraum oder auf dem Planeten hergestellt werden kann, würde Gewicht und Geld sparen – ganz zu schweigen davon, dass die Astronauten im Falle eines Defekts eine Möglichkeit zur Reparatur vor Ort benötigen.

Bandyopadhyay demonstrierte die Machbarkeit dieser Idee erstmals 2011, als sein Team für die NASA Teile aus Mondregolith, einem simulierten zerkleinerten Mondgestein, im 3D-Druckverfahren herstellte. Seitdem haben sich die Raumfahrtbehörden die Technologie zu eigen gemacht, und die Internationale Raumstation verfügt über eigene 3D-Drucker, um die benötigten Materialien vor Ort und für Experimente herzustellen.

Für diese Studie verwendete Bandyopadhyay zusammen mit den Doktoranden Ali Afrouzian und Kellen Traxel einen pulverbasierten 3D-Drucker, um den simulierten Marsgesteinstaub mit einer Titanlegierung zu mischen, einem Metall, das aufgrund seiner Festigkeit und Hitzebeständigkeit häufig in der Weltraumforschung verwendet wird. Dabei erhitzte ein Hochleistungslaser die Materialien auf über 2.000 Grad Celsius (3.632 F). Dann floss die geschmolzene Mischung aus Regolith-Keramik und Metall auf eine bewegliche Plattform, mit der die Forscher verschiedene Größen und Formen herstellen konnten. Nachdem das Material abgekühlt war, testeten die Forscher es auf seine Festigkeit und Haltbarkeit.

Das keramische Material, das zu 100 % aus Marsgesteinstaub besteht, bekam beim Abkühlen Risse, aber wie Bandyopadhyay betonte, könnte es dennoch gute Beschichtungen für Strahlenschutzschilde ergeben, da Risse in diesem Zusammenhang keine Rolle spielen. Aber nur ein wenig Marsstaub, die Mischung mit 5 % Regolith, bekam nicht nur keine Risse oder Blasen, sondern wies auch bessere Eigenschaften auf als die Titanlegierung allein, was bedeutete, dass sie für die Herstellung leichterer Teile verwendet werden konnte, die dennoch schwere Lasten tragen konnten.

“Damit erhält man ein besseres Material mit höherer Festigkeit und Härte, das in einigen Anwendungen deutlich bessere Leistungen erbringen kann”, sagte er.

Diese Studie sei nur ein Anfang, so Bandyopadhyay, und künftige Forschungen könnten bessere Verbundwerkstoffe mit anderen Metallen oder 3D-Drucktechniken hervorbringen.

“Dies zeigt, dass es möglich ist, und vielleicht sollten wir in diese Richtung denken, denn es geht nicht nur um die Herstellung von Kunststoffteilen, die schwach sind, sondern um Metall-Keramik-Verbundteile, die stark sind und für alle Arten von Strukturteilen verwendet werden können”, sagte er.

Diese Forschung wurde von der National Science Foundation unterstützt.

Mehr über die Washington State University finden Sie hier.