We weten allemaal dat de tijd voorbij is voor een maanbasis. Maar de kosten van het verzenden van alles wat de aarde nodig heeft om een basis te bouwen, zijn onbetaalbaar. De zwaartekrachtbron van de aarde is te diep en te sterk om alles daar met raketten te krijgen. Dus wat is de oplossing?
Volgens de ESA is de oplossing Additive Manufacturing (AM) en In-Situ Resource Utilization (ISRU).
De ESA leidt een project om manieren te bedenken waarop AM, of 3D-printen, nu en in de toekomst kan worden gebruikt om een maanbasis haalbaarder te maken. Het project heet "Conceiving a Lunar Base Using 3D Printing Technologies". Dit is de oude pioniersgeest van leven op het land, maar opnieuw opgestart met moderne, geavanceerde technologie. AM en ISRU zullen onze logistieke afhankelijkheid van de aarde beperken en toestaan dat veel van wat een maanbasis nodig heeft, wordt opgebouwd uit middelen die op de maan beschikbaar zijn; namelijk Maanstof zelf.
"3D-printen biedt een potentieel middel om de maannederzetting te vergemakkelijken met verminderde logistiek vanaf de aarde." -Scott Hovland van ESA's bemande ruimtevaartteam.
Uiteindelijk, volgens de ESA, kan een grote verscheidenheid aan materialen en apparatuur die nodig is voor een maanbasis, 3D-geprint worden waar en wanneer dat nodig is. Alles, van bouwmaterialen tot zonnepanelen, uitrusting en gereedschap tot kleding, kan mogelijk 3D-geprint worden op de maan. Het is mogelijk dat zelfs voedingsstoffen en voedselingrediënten kunnen worden geleverd door 3D-printen.
3D-printen verlaagt niet alleen de kosten van een maanbasis, het maakt de hele onderneming responsiever en aanpasbaarder. Niet alleen kan de maanregoliet worden gebruikt om zoveel mogelijk van de structuren en items te maken, het kan ook worden gebruikt om items die van de aarde zijn gehaald te recyclen en opnieuw te gebruiken.
Het project “Conceiving a Lunar Base…” ziet een driefasig plan voor een maanbasis die sterk afhankelijk is van 3D-printen:
- Fase één: overleefbaar. Dit behandelt de basisprincipes die nodig zijn om een kleine bemanning te laten overleven op de maan, zoals woonvertrekken.
- Fase twee: duurzaam. Hierdoor wordt de maanbasis uitgebreid met meer bemanningsverblijven, fabricagegebieden en onderzoeksfaciliteiten.
- Fase drie: operationeel. In deze fase is de maanbasis volledig operationeel en gebouwd voor bewoning op lange termijn.
"Door de geselecteerde printprocessen zouden de beschikbare materialen voor verschillende doeleinden kunnen worden gerecycled", legt Antonella Sgambati van OHB System AG uit, die het project leidt. “Een ander groot voordeel van 3D-printen - ook wel bekend als additive manufacturing - is de breedte van de ontwerpopties die het mogelijk maakt. Componenten, producten en het printproces zelf kunnen opnieuw worden ontworpen op basis van hun beoogde uiteindelijke gebruik in de maanbasis. Er kunnen beslissingen worden genomen over de beste manier om beschikbare materialen te koppelen aan de te printen hardware. ”
De wortels van het project gaan terug tot 2013, toen de ESA een architectenbureau inhuurt om een structuur te ontwerpen die bestand is tegen de maanomgeving. De kicker was dat het gemaakt moest zijn van maangrond, of in dit geval gesimuleerde maangrond. Het architectenbureau Foster and Partners heeft een monsterbouwsteen van 1,5 ton gebouwd. Het bouwblok was een holle, gesloten celstructuur vergelijkbaar met vogelbeenderen.
"Als praktijk zijn we gewend te ontwerpen voor extreme klimaten op aarde en de milieuvoordelen van het gebruik van lokale, duurzame materialen te benutten", aldus Xavier De Kestelier van Foster + Partners Specialist Modelling Group. "Onze maanbewoning volgt een vergelijkbare logica."
Onderzoekers van de ESA experimenteren met gesimuleerde maanregoliet om kleine voorwerpen zoals schroeven en tandwielen, en zelfs een munt, in 3D te printen. De regoliet is niet zo moeilijk te simuleren en bevat dingen als silicium, aluminium, calcium en ijzeroxiden. De aanwezigheid van deze materialen betekent dat de regoliet tot bruikbare vormen kan worden gevormd.
Het is natuurlijk niet zo eenvoudig als maanvuil in een printer gieten en dan komen de broodnodige objecten tevoorschijn. Eerst wordt de gesimuleerde maanregoliet vermalen tot deeltjesgrootte. Vervolgens wordt het gemengd met een bindmiddel dat op licht reageert. Het object wordt afgedrukt uit het resulterende mengsel, vervolgens blootgesteld aan licht om het uit te harden en vervolgens gebakken in een oven. Volgens de ESA is het eindproduct als een stuk Moon-dust-keramiek.
Een van de meest interessante potentiële toekomstige toepassingen van 3D-printen bij ruimteverkenning is op het gebied van medische zorg en wordt ‘bio-printen’ genoemd. Astronauten die naar de maan gingen tijdens de Apollo-missies waren ongeveer 12 dagen weg en namen een kleine EHBO-doos mee. Maar voor het soort langdurig verblijf dat astronauten op de maanbasis zullen doorstaan, zal waarschijnlijk meer medische zorg nodig zijn.
"We vragen wat astronauten op korte, middellange en lange termijn nodig hebben en welke stappen nodig zijn om 3D-bioprinting te ontwikkelen tot een niveau waarop het nuttig kan zijn in de ruimte." - Tommaso Ghidini, hoofd van de afdeling Structuren, Mechanismen en Materialen van ESA.
De ESA onderzoekt 3D-printen en hoe het kan helpen bij het verlenen van medische zorg aan astronauten op de maan of elders. Astronauten die diep de ruimte in trekken, zouden medische behandelingen kunnen ondergaan met 3D-geprinte huid, botten en - op een dag - hele organen, volgens een leidende groep van 3D-bioprinting-experts die zich verzamelden tijdens een tweedaagse ESA-workshop over medisch 3D-printen.
Dit idee draait om het idee van ‘bio-inkten’. Ze zijn gebaseerd op menselijke cellen en de voedingsstoffen en materialen die nodig zijn om lichaamsweefsel zoals huid, botten en kraakbeen te laten groeien. Verderop in de toekomst is het idee om hele orgels te printen. Dit is op dit moment behoorlijk speculatief, maar medisch 3D-printen zal er in de toekomst waarschijnlijk wel komen.
"We vragen wat astronauten op de korte, middellange en lange termijn nodig hebben en welke stappen nodig zijn om 3D-bioprinting te ontwikkelen tot een niveau waarop het nuttig kan zijn in de ruimte", zegt Tommaso Ghidini, hoofd van ESA's Structures, Mechanisms, en Materials Division. "We definiëren een roadmap en tijdlijn voor ontwikkeling, met als doel dat deze groep in de toekomst een wetenschappelijke werkgroep wordt, die vooruitgang bevordert."
Met 3D bio-printing kunnen geïsoleerde bemanningen in de ruimte zich voorbereiden op een groter aantal noodsituaties dan mogelijk is met de huidige technologie. In de ruimte, of op de maan of een andere planeet, is de ruimte binnen woonruimten schaars. Een goed gevuld medisch centrum is een luxe die astronauten zich waarschijnlijk niet zullen veroorloven. De ESA gebruikt een brandwond als voorbeeld om de voordelen van 3D-bio-printen te illustreren.
Ernstige brandwonden worden meestal behandeld met huidtransplantaties van elders op het lichaam van een patiënt. Dit brengt een secundaire verwonding van het getransplanteerde gebied met zich mee, verre van ideaal wanneer uit onderzoek blijkt dat de orbitale omgeving het moeilijker maakt om wonden te genezen. In plaats daarvan kan een nieuwe huid worden gekweekt en bioprint uit de eigen cellen van de patiënt en vervolgens direct worden getransplanteerd.
De ESA groeit enthousiast over een maanbasis. Het is de volgende logische stap en vormt een aanvulling op de Deep Space Gateway als vertrekpunt voor verdere verkenning van het zonnestelsel. Er zijn tal van technologieën die de hele onderneming vooruit helpen, waarvan Additive Manufacturing of 3D-printen er slechts één is. Maar voorlopig moet het testen van de meeste van deze technologieën hier op aarde plaatsvinden, in omgevingen die belangrijke aspecten van de maanomgeving simuleren.
Sommige van deze technologieën worden getest in ESA's Pangea-X Moon-basis op Lanzarote op de Canarische Eilanden. Lanzarote is de perfecte setting om enkele geologische aspecten van een missie naar de maan of naar Mars te testen. Het zal met name technologieën testen voor het nemen van gesteentemonsters.
Zelfs iets dat zo simpel lijkt als het nemen van gesteentemonsters, wordt in de war gebracht door meerdere moeilijkheden in een ruimteomgeving. Met name communicatievertragingen kunnen alles uitdagender maken. Een experiment vorige week genaamd Analog-1 testte de wetenschappelijke, operationele en communicatieaspecten van een verkennende missie. ESA-astronaut Matthias Maurer zal gevestigd zijn op Pangea-X en zal op afstand een rover in Nederland besturen. Om dit te doen, zal hij gebruikmaken van technologie die een elektronisch veldboek wordt genoemd.
Het elektronische veldboek is een tool die realtime positionering, gegevensuitwisseling, voicechat en nog veel meer integreert. Het is een droge proef voor een experiment dat ESA-astronaut Luca Parmitano volgend jaar zal uitvoeren vanaf het internationale ruimtestation ISS. Met het Field Book kunnen deskundige wetenschappers astronauten begeleiden bij het verzamelen van de beste monsters.
Of het nu gaat om 3D-printen van structuren, bio-medische 3D-printen of alle andere technologieën die ontwikkeld en geperfectioneerd moeten worden, het is duidelijk dat de ESA zijn ogen op een maanbasis richt.
- ESA-persbericht: Future Moon Base
- ESA-persbericht: Pangea-X Moon-basis
- ESA-persbericht: 3D-printen van huid, botten en lichaamsdelen die worden bestudeerd voor toekomstige astronauten
- ESA-persbericht: een maanbasis bouwen met 3D-printen
