D'ici 2028, la NASA a l'intention de décrocher la « première femme et la première personne de couleur » sur la lune dans le cadre de la mission Artemis III. Ce sera la première fois que les humains vont à la surface lunaire depuis que les astronautes d'Apollo y ont marché pour la dernière fois en 1972.
Avec des partenaires internationaux et commerciaux, la NASA espère qu'Artemis permettra un «programme soutenu d'exploration et de développement lunaires», qui pourraient inclure des installations à long terme et des habitats sur la lune. Étant donné que les frais de lancement de charges utiles lourdes, l'envoi de tous les équipements et matériaux nécessaires à la lune ne sont pas pratiques.
Cela signifie que les structures sur la lune doivent être fabriquées à l'aide de ressources locales, un processus appelé ressources in situ (ISRU). Sur la lune, ce processus tire parti des progrès dans la fabrication additive (AM) ou l'impression 3D, pour transformer le régolithe lunaire en matériaux de construction. Malheureusement, les problèmes techniques signifient que la plupart des techniques d'impression 3D ne sont pas réalisables sur la surface lunaire.
Dans une étude récente publiée sur le arxiv Preprint Server, une équipe de chercheurs dirigée par l'Université de l'Arkansas, a proposé une méthode alternative où le frittage basé sur la lumière est utilisé pour fabriquer des briques lunaires, plutôt que d'imprimer des structures entières.
L'équipe de recherche est dirigée par Wan Shou, professeur adjoint au Département de génie mécanique de l'Université de l'Arkansas. Il est rejoint par Cole McCallum, Youwen Liang, et Nahid Tushar, un boursier, un assistant de recherche et un doctorant au collège de l'université. L'équipe comprenait également des chercheurs du Département de génie mécanique et aérospatial de l'Université de Houston et de la Faculté d'ingénierie et des sciences naturelles de l'Université Tampere.
Comme ils le notent dans leur article, la création d'une base permanente (ou semi-permanente) sur la Lune a fait l'objet d'études et de propositions de recherche depuis l'ère Apollo. Ces plans ont toujours été gâchés par le simple fait que les machines et matériaux de construction requis nécessiteraient de nombreux véhicules de lancement lourds pour les livrer à un coût élevé. Bien que le coût de l'envoi de charges utiles ait considérablement baissé au cours de la dernière décennie, en grande partie grâce au développement du secteur spatial commercial de fusées réutilisables, le coût de lancement de tout ce que les astronautes devraient construire une installation lunaire sont toujours prohibitifs.
En conséquence, seul Isru suffira pour créer des bases sur la lune. Malheureusement, la plupart des méthodes proposées pour les structures d'impression 3D ne sont pas pratiques dans l'environnement lunaire, où la gravité est considérablement plus faible (16,5% celle de la Terre) et les températures sont extrêmes. Dans le bassin du pole-pole sud de la Lune, où la NASA et d'autres agences spatiales prévoient de construire leurs bases, les températures varient de 54 ° C (130 ° F) dans les zones du soleil à -246 ° C (-410 ° F) dans les régions ombragées. En effet, la plupart des méthodes AM nécessitent des fournitures supplémentaires à être lancées sur la Lune, y compris des solvants, des polymères ou d'autres agents de liaison.
Les exemples incluent le travail de l'Agence spatiale européenne (ESA) avec le cabinet d'architecture Foster + Partners pour créer un concept de base de lune imprimée en 3D.
Comme l'a expliqué le professeur Sou, « il existe de nombreuses méthodes AM qui nécessitent un solvant pour préparer de la pâte ou des composites pour l'extrusion ou l'impression; ces approches ne sont pas possibles, car le transport de solvants peut être très coûteux, et l'évaporation des solvants peut provoquer de nombreux problèmes potentiels.
La technologie de frittage a également été explorée comme une méthode potentielle pour les structures d'impression 3D sur la lune. Il s'agit de régolithes bombardants avec des lasers, des micro-ondes ou d'autres sources d'énergie pour la transformer en céramique fondée. Cette céramique est ensuite imprimée, couche par couche, et refroidisse et durcit une fois exposée à l'air ou au vide de l'environnement lunaire. Cette méthode est à forte intensité d'énergie et nécessiterait probablement une source d'énergie nucléaire, comme un réacteur kilopower.
« Pour cette raison, notre équipe envisage un système où seul le matériau lunaire est nécessaire pour les structures elles-mêmes, éliminant ainsi le goulot d'étranglement des missions de réapprovisionnement de Binder de la Terre », a ajouté Cole, qui était le premier auteur du document décrivant leurs conclusions.
La méthode qu'ils ont testée et recommandée sont connues sous le nom de frittage à base de lumière, qui s'appuie sur la lumière du soleil concentrée par un ensemble d'optiques pour bombarder et faire fondre le régolithe lunaire en matière première. Les chercheurs ont testé cette technologie sur Terre à l'aide de Lunar Regolith Simulant pour fabriquer du verre et des miroirs. Sur la lune, l'énergie solaire est toujours présente et abondante dans les régions ensoleillées, ce qui le rend beaucoup plus fiable qu'une source d'alimentation qui doit être transportée. La simplicité du système le rend hautement souhaitable pour des environnements difficiles où les réparations seront difficiles si quelque chose se décompose.
Cependant, des expériences ont montré que la technologie éprouve toujours des problèmes lorsqu'il est utilisé pour façonner des structures entières. À cette fin, l'équipe de SOU s'est plutôt concentrée sur la fabrication de composants de construction.
Cole a déclaré: « Alors que la plupart des recherches sur ce sujet s'appuient toujours sur un mélange de liant et de sol lunaire, la teneur en silice du régolithe est telle qu'à des températures suffisamment élevées, elle peut se lier à elle-même lorsqu'elle est fritté. Ce que nous avons trouvé lors de la tentative de structures plus grandes, c'est qu'il y avait moins d'uniformité et donc moins de précision dans les parties que nous avons créées.
« À partir de cela, nous avons déterminé que le meilleur cas d'utilisation pour notre méthode était de se concentrer sur la fabrication d'un grand nombre de briques imbriquées et reconfigurables pour une utilisation dans des structures à grande échelle. Nous pensons que cette approche« Bricks Lego »est également bénéfique car l'équipement peut s'adapter aux contraintes de volume pour les missions lunaires, car l'espace global nécessaire pour fabriquer chaque unité est beaucoup plus petit. »
Leur travail s'appuie sur la recherche existante sur la technologie de frittage qui tire parti de différentes sources d'énergie pour faire fondre le régolithe lunaire et créer des matériaux de construction. Cela comprend le travail de la NASA avec le cabinet d'architectes spatial Sinterhab, qui a proposé d'équiper le véhicule Extraterrestrial Explorer (athlète) à la technologie extraterrestre (athlète) à la technologie des micro-ondes. Cependant, a déclaré Cole, leur concept est particulièrement attrayant en raison de la façon dont il produit des briques reconfigurables.
« La reconfigurabilité de nos assemblages en briques, en particulier, est passionnante en raison de la flexibilité que nous pouvons réaliser avec le processus de construction. Parce que différentes parties auront des exigences matérielles différentes, nous pourrions voir une myriade de techniques utilisées en fonction du problème.
Avant que le concept puisse être réalisé, cependant, beaucoup de travail doit encore être fait. Comme Shou l'indique, plus de recherches sont nécessaires pour optimiser les paramètres de frittage et les propriétés des matériaux. L'équipe prévoit également de construire un prototype et d'effectuer des tests de laboratoire, qui, ils espèrent, leur permettra d'affiner et de faire évoluer la technologie pour une utilisation sur la lune. Ils doivent également considérer comment l'imprimante 3D résultante se transportera le long de la surface lunaire, sur les options de puissance sur lesquelles elle dépendrait et d'autres considérations.
« En ce qui concerne la mise en œuvre complète, il y a beaucoup d'ingénierie qui doit encore être fait », a conclu Cole. « À l'avenir, nous devrons considérer comment le processus de frittage change dans le vide, ou quelles modifications de la plate-forme de construction seront nécessaires afin que les pièces puissent être effectuées de manière fiable lors du suivi du soleil, par exemple.
« De plus, notre appareil doit être en mesure de résister à des conditions difficiles par rapport à l'environnement de laboratoire dans lequel nous avons travaillé pour cette recherche. Ce sont tous des problèmes difficiles, mais en fin de compte, la science derrière tout cela est bien comprise. »
