3D-Druck auf dem Mars: Kanadische Forscher tüfteln an selbstreplizierendem 3D-Drucker für Einsatz auf Mond und Mars

Schon oft wurde darüber berichtet, dass der 3D-Druck in der Weltraumforschung eine große Rolle spielen wird. Einer der Vorteile dieser Technologie liegt sicher darin begründet, dass mit einem 3D-Drucker an Bord Werkzeuge und andere Gegenstände hergestellt werden können. Forscher der Carleton University in Ottawa (Kanada) arbeiten nun an einem replizierenden 3D-Drucker und planen weit über den gegenwärtigen Stand der Forschung hinaus.

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Auf Weltraumflügen, vor allem aber auch bei Missionen zum Mond oder zu anderen Planeten, können in der Raumkapsel nicht allzu viele Gegenstände mitgenommen werden. Deshalb ist es sinnvoll, eine Technologie zu entwickeln, die die Herstellung direkt vor Ort ermöglicht. Eine solche Technologie kann der 3D-Druck darstellen.

Mittlerweile arbeiten mehrere Forschungseinrichtungen und Weltraumagenturen an der Entwicklung von 3D-Druck-Material aus simuliertem Mond- und Marsboden. Forscher der Carleton University in Ottawa um Alex Ellery, einem Professor für Mechanik, Luft- und Raumfahrttechnik, arbeiten an der Entwicklung eines völlig selbstreplizierenden 3D-Druckers, der Kopien von sich selbst mit Mondregolith fertigen könnte.

Das Modell basiert auf dem RepRap 3D-Drucker, geht aber weit über dieses hinaus, denn die heutigen selbstreplizierenden 3D-Drucker können nur die benötigten Kunststoffteile herstellen. Die Motoren und die Elektronik werden separat eingebaut. Ellery und sein Team wollen nun einen 3D-Drucker erschaffen, der jede einzelne Komponente selbst fertigen kann. Derzeit arbeitet das Team mit einer Kombination von Kunststoff- und Eisen-Filings, mit der sie den Stator und den Rotor fertigen wollen.

X400 3D-Drucker
Als Grundlage für ihre Forschung nutzen die Wissenschaftler der Carleton University einen X400 3D-Drucker von German RepRap. (Bild © German RepRap).

„Wir müssen das magnetische Einfädeln durch den Rotor maximieren, was mehr Eisen erfordert, aber die Wirbelströme im Stator minimieren, was weniger Eisen erfordert. So haben wir die Menge an Eisen in der Plastikmatrix verändert“, so Ellery.

Ellery und sein Team sind der Meinung, dass die Elemente für die Schaffung einer ähnlichen Materialmischung aus dem Marsboden entnommen werden können. Ein Roboterarm, der an den 3D-Drucker angeschlossen wurde, könnte den Boden aufwühlen und auf etwa 900 Grad Celsius erwärmen. Dabei würde eine Fresnel-Linse zum Einsatz kommen, die das Sonnenlicht fokussiert. Flüchtige Gase würden so aus dem Boden entweichen, zu diesem Zeitpunkt würde eine Komponente, die die Bezeichnung „Ilmenite“ trägt, herausgetrennt und zur Extrahierung des Eisens eingesetzt.

„Obwohl wir [Polymilchsäure] Kunststoff [als 3D-Druck-Komponenten] verwenden, habe ich vor, diesen durch Silikon-Kunststoff zu ersetzen – Silikon kann aus lunar flüchtigen Kohlenstoff-Compounds und Mondwasser hergestellt werden“, so Ellery.

Alex Ellery, Carleton University
Alex Ellery, Assozierter Professor an der Carleton University, leitet die Forschungsarbeiten. (Bild: © carleton.ca)

Für den 3D-Druck des Motors sollen die Drahtspulen durch Aluminiumspulen ersetzt werden, die aus einem PLA-Substrat bestehen. Für den Einsatz auf dem Mond würde Aluminium durch die Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung Fernico und das PLA durch ein keramisches Substrat, das aus geschmolzenem Mondboden besteht, ersetzt. Bislang ist das auf dem aus PLA-Filament bestehenden Aluminiumspulen recht schwach, die Forscher wollen hier einen Weg finden, mehr Schichten hinzuzufügen, um so die Strommenge zu erhöhen.

Irgendwann werde das System in den Motor integriert und so ein kompletter Kern geschaffen, der aus dem 3D-Drucker stammt. Nach Meinung Ellerys könnte es einen voll funktionsfähigen 3D-gedruckten Motor dann in wenigen Monaten geben. Die Elektronik hingegen wird etwas kniffliger, aber auch hier ist er optimistisch.

„Wir haben Vakuumröhren betrachtet, weil der Versuch, Solid-State-Elektronik zu schaffen, auf dem Mond praktisch unmöglich wäre“, sagte Ellery. „Wenn Sie Vakuumröhren verwenden, sind die einzigen Materialien, die Sie im Wesentlichen benötigen, Nickel, Wolfram, Glas und Kovar – alles, was Sie auf dem Mond vorfinden können.“

Für den 3D-Drucker würde ein neuronales Netzwerk benötigt, das kleiner und einfacher ist als ein Standard-Computersystem. Das Forscherteam hat bereits ein solches Netzwerk installiert und mit ihm ein kleines Mond- und Marsfahrzeug namens Rover kontrolliert.

Mond- und Marsfahrzeug Rover.
Dieses Rover Mond- und Marsfahrzeug wurde mit dem neuronalen Netzwerk kontrolliert. (Bild: © carleton.ca)

„Sobald Motoren und elektronische Steuerungen 3D-gedruckt werden können, können wir jede Art von Roboter drucken, einschließlich eines 3D-Druckers, sowie Fräsmaschinen, Bohrer, Drehmaschinen, Aushubmaschinen und so weiter. Wenn du eine Roboter-Selbstreplikiermaschine hast, kannst du eine enorme Fertigungsinfrastruktur auf dem Mond robotisch wachsen lassen,“ so Ellery abschließend.

Diese neue Möglichkeiten würden dazu beitragen, auf dem Mond und auch auf fernen Planeten Lebensräume zu bauen, aber auch Gegenstände, die die Astronauten dort benötigen würden. Sogar für die Gewinnung der Sonnenenergie ist die Technik unter Umständen geeignet. Satelliten könnten mit Sonnenkollektoren ausgestattet und die Sonnenenergie zur Erde weitergeleitet werden. Mit dieser Technologie ließen sich vielleicht auch Raumschilde bauen, die die Erde vor zu viel Sonneneinstrahlung schützen und so die globale Erderwärmung verlangsamen.

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