Budući stanovnici Marsa neće moći svaki pokvareni dio, alat ili metalni nosač čekati sa Zemlje. Novo istraživanje pokazuje da bi se metalni 3D ispis mogao izvoditi u atmosferi bogatoj ugljikovim dioksidom, plinu koji čini gotovo cijelu Marsovu atmosferu. To još nije marsovska radionica, ali jest prvi tehnički trag da bi se dio proizvodnje jednoga dana mogao osloniti na uvjete koji već postoje na planetu.
Kolonija ne može ovisiti o rezervnim dijelovima sa Zemlje
Svaka ozbiljna ideja o ljudskom boravku na Marsu prije ili kasnije nailazi na isti problem: kako održavati opremu na planetu koji je predaleko za brzu pomoć?
Nastambe, roveri, sustavi za energiju, pumpe, alati, nosači, spojevi i uređaji za održavanje života neće raditi vječno. Dijelovi će pucati, trošiti se, gubiti oblik ili jednostavno nedostajati u trenutku kada budu najpotrebniji. Na Zemlji se takav problem često rješava narudžbom, skladištem ili servisom. Na Marsu to nije stvar organizacije, nego preživljavanja.
Zato je lokalna proizvodnja jedan od ključnih uvjeta za dugotrajniji boravak ljudi izvan Zemlje. Buduća marsovska postaja ne bi smjela biti samo mjesto koje troši zalihe dopremljene raketama. Morala bi postupno postati sustav koji može popravljati, prilagođavati i izrađivati barem dio vlastite opreme.
Metalni 3D ispis u toj priči ima očitu privlačnost. Umjesto da se sa Zemlje šalje velik broj unaprijed izrađenih dijelova, misija bi mogla ponijeti metalni prah, digitalne nacrte i stroj koji po potrebi izrađuje komponente. No kod metala problem nije samo oblik. Važno je u kakvoj se atmosferi dio izrađuje.
Plin koji na Zemlji štiti metal postaje teret na Marsu
Uobičajeni metalni 3D ispis često se izvodi u komori ispunjenoj argonom. Argon je plemeniti plin i služi kao zaštita tijekom izrade. Dok laser tali metalni prah i spaja ga u čvrste slojeve, argon smanjuje oksidaciju i pomaže da se dobije kvalitetniji dio.
Za industriju na Zemlji to nije neobično. Za Mars je to veliki problem.
Ako buduće misije trebaju argon za proizvodnju metalnih dijelova, taj plin treba dopremiti sa Zemlje ili ga nekako proizvesti na Marsu. Obje opcije povećavaju masu, složenost i cijenu misije. Svaki dodatni sustav traži energiju, prostor, održavanje i sigurnosne rezerve.
Zane Mebruer, donedavni student strojarstva na Sveučilištu Arkansas, zato je postavio izravno pitanje: može li se metalni 3D ispis izvoditi u ugljikovu dioksidu?
To pitanje ima jasnu marsovsku logiku. Ugljikov dioksid čini oko 95 posto Marsove atmosfere. Ako bi se taj plin mogao koristiti u proizvodnji, buduća misija ne bi morala u istoj mjeri ovisiti o zaštitnom plinu dopremljenom sa Zemlje. Marsov okoliš tada ne bi bio samo neprijateljski uvjet koji treba svladati, nego i resurs koji se može iskoristiti.
Mebruer je istraživanje proveo pod vodstvom Wana Shoua, docenta strojarstva, a rad je objavljen u časopisu Journal of Manufacturing and Materials Processing.
Test nije dao savršen rezultat, ali je pokazao nešto važno
Istraživači su koristili postupak poznat kao fuzija praha laserskim snopom. U toj se metodi tanki sloj metalnog praha nanosi na podlogu, a zatim ga laser tali i spaja u čvrsti trag. Nakon toga se nanosi novi sloj i postupak se ponavlja dok ne nastane željeni metalni oblik.
Prednost takve proizvodnje je u tome što se neiskorišteni metalni prah može prikupiti i ponovno upotrijebiti. Za Mars je to iznimno važno. Materijal ondje neće biti jeftina potrošna roba, nego ograničen resurs.
Slaba točka je oksidacija. Ako se metal tijekom izrade previše oksidira, problem nije samo na površini. Oštećenja se mogu pojaviti u samoj strukturi materijala. Slojevi se tada ne spajaju jednako dobro, a dio može biti slabiji nego što se očekuje.
U pokusu su ispisivane jednostavne metalne linije u tri okruženja: argonu, ugljikovu dioksidu i običnom zraku. Uzorci su zatim pregledani pod mikroskopom kako bi se vidjelo koliko su ujednačeni, kakva im je površina i koliko ima nepravilnosti.
Argon je, očekivano, dao najbolje rezultate. To je važno naglasiti jer istraživanje ne tvrdi da ugljikov dioksid već sada može jednostavno zamijeniti industrijske uvjete na Zemlji.
No ugljikov dioksid pokazao se boljim od običnog zraka. To je središnja vrijednost rada. Marsova atmosfera nije idealna za metalni 3D ispis, ali nije ni potpuno neupotrebljiva. U kontroliranim uvjetima mogla bi postati osnova za daljnji razvoj proizvodnje metala na Marsu.
Prvi korak prema radionicama daleko od Zemlje
Ovo istraživanje ne znači da će budući astronauti na Marsu uskoro ispisivati složene metalne strojeve kao u zemaljskoj tvornici. Pokus je bio početni i ograničen. Testirani su jednostavni, jednoslojni uzorci, a ne gotovi alati ili konstrukcijski dijelovi izloženi stvarnim opterećenjima.
Sljedeći izazovi bit će znatno teži. Trebat će ispitati višeslojne dijelove, njihovu čvrstoću, otpornost na lom, ponašanje pri dugotrajnoj uporabi i kvalitetu proizvodnje u uvjetima koji bolje odgovaraju stvarnom Marsu. Marsova atmosfera nije samo bogata ugljikovim dioksidom. Rijetka je, hladna i dio je mnogo zahtjevnijeg okoliša nego što ga može u potpunosti oponašati osnovni laboratorijski test.
Ipak, ovo je vrsta istraživanja bez koje nema ozbiljnog razgovora o naseljavanju Marsa. Velike vizije o kolonijama često počinju raketama i nastambama, ali opstaju ili propadaju na svakodnevnim tehničkim pitanjima. Kako zamijeniti dio koji je puknuo? Kako popraviti mehanizam bez skladišta na Zemlji? Kako proizvoditi u okolišu u kojem svaka dodatna tona tereta znači golem trošak?
Ako se pokaže da se ugljikov dioksid iz Marsove atmosfere može koristiti barem u dijelu procesa metalnog 3D ispisa, buduće misije dobivaju važnu prednost. Ne moraju sve uvjete za proizvodnju nositi sa sobom. Dio njih možda već postoji na planetu.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
Izvori i publikacija
DOI: 10.3390/jmmp10020067
Časopis / izvor: Journal of Manufacturing and Materials Processing
