Vi vet alla att tiden är förfallen för en månbase. Men kostnaden för att skicka allt som behövs från Jorden för att bygga en bas är oöverkomlig. Jordens tyngdkraftsbrunn är för djup och för stark för att få allt där med raketer. Så vad är lösningen?
Enligt ESA är lösningen Additive Manufacturing (AM) och Resource Utilization in situ (ISRU).
ESA leder ett projekt för att hitta sätt som AM, eller 3D-utskrift, kan användas nu och i framtiden för att göra en månbase mer genomförbar. Projektet heter "Conceiving a Lunar Base Using 3D Printing Technologies." Detta är den gamla pionjärandan att leva utanför landet, men omstartad med modern, avancerad teknik. AM och ISRU kommer att begränsa vårt logistiska beroende av jorden och tillåta mycket av det som en månbas behöver byggas av resurser tillgängliga på månen; nämligen själva måndammet.
"3D-utskrift erbjuder ett potentiellt sätt att underlätta månens uppsättning med minskad logistik från jorden." -Scott Hovland från ESA: s mänskliga rymdflygteam.
Så småningom, enligt ESA, kan en mängd olika material och utrustning som är nödvändig för en Moon-bas 3D-tryckas när och där det behövs. Allt från byggnadsmaterial till solpaneler, utrustning och verktyg till kläder, kan vara 3D-tryckt på månen. Det är möjligt att även näringsämnen och livsmedelsingredienser kan tillhandahållas genom 3D-utskrift.
3D-utskrift sänker inte bara kostnaderna för en månbas, det gör hela företaget mer lyhörd och anpassningsbar. Lunarregolitten kan inte bara användas för att göra så många strukturer och föremål som möjligt, utan kan också användas för att återvinna och återanvända föremål som kommer från jorden.
Projektet ”Conceiving a Lunar Base…” ser en trefasplan för en månbas som förlitar sig starkt på 3D-utskrift:
- Fas ett: Survivable. Detta behandlar grunderna som krävs för att låta en liten besättning överleva på månen, som bostadsområden.
- Fas två: Hållbar. Detta ser månbasen utvidgas till att omfatta fler besättningskvarter, tillverkningsområden och forskningsanläggningar.
- Fas tre: operationell. I denna fas är månbasen fullt operationell och byggd för långsiktig bebyggelse.
"De valda tryckprocesserna skulle göra det möjligt att återvinna tillgängligt material för olika ändamål," förklarar Antonella Sgambati från OHB System AG, som ansvarar för projektet. ”En annan viktig fördel med 3D-utskrift - även känd som additiv tillverkning - är bredden av designalternativ som det tillåter. Komponenter, produkter och själva utskriftsprocessen kan göras om baserat på den avsedda slutliga användningen i månbasen. Beslut kan fattas om hur man bäst kopplar tillgängligt material till hårdvaran som ska skrivas ut. ”
Projektets rötter spårar tillbaka till 2013, då ESA anlitade ett arkitektfirma för att utforma en struktur som skulle kunna motstå Lunar-miljön. Kickaren var att den måste tillverkas av månjord, eller i detta fall simulerade månjord. Arkitektföretaget Foster och Partners byggde en byggnadsblock på 1,5 ton. Byggstenen var en ihålig, stängd cellstruktur som liknar fågelben.
"Som en praxis är vi vana att utforma för extrema klimat på jorden och utnyttja de miljömässiga fördelarna med att använda lokala, hållbara material," kommenterade Xavier De Kestelier från Foster + Partners Specialist Modelling Group. "Vår månlänning följer en liknande logik."
Forskare vid ESA experimenterar med simulerad månregolit för att 3D-trycka små föremål som skruvar och växlar och till och med ett mynt. Regolitten är inte för svår att simulera, och den innehåller saker som kisel, aluminium, kalcium och järnoxider. Närvaron av dessa material innebär att regolitten kan formas till användbara former.
Naturligtvis är det inte så enkelt som att hälla månsmuts i en skrivare och sedan kommer det välbehövliga objekt. Först slipas den simulerade månregoliten till partikelstorlek. Sedan blandas det med ett bindemedel som reagerar på ljus. Föremålet trycks från den resulterande blandningen, utsätts sedan för ljus för att härda det och sedan slutligen bakas i en ugn. Enligt ESA är den färdiga produkten som en bit av Moon-dust keramik.
En av de mest intressanta potentiella framtida användningarna av 3D-tryckning i rymdutforskning är inom det medicinska området, och det kallas 'bio-printing'. Astronauter som åkte till månen på Apollo-uppdragen var borta i cirka 12 dagar och tog med sig ett litet första hjälpen-kit. Men för den typ av långvariga vistelser som astronauter vid månbasen kommer att tåla, kommer en större nivå av medicinsk vård sannolikt att behövas.
"Vi frågar vilka astronauter skulle behöva på kort, medellång och lång sikt och vilka steg som krävs för att mogna 3D-biotryck till en nivå där det kan vara användbart i rymden." - Tommaso Ghidini, chef för ESAs avdelning för strukturer, mekanismer och material.
ESA undersöker 3D-utskrift och hur det kan hjälpa till att tillhandahålla medicinsk vård för astronauter på månen eller någon annanstans. Astronauter som vågar sig djupt ut i rymden kunde få medicinska behandlingar med 3D-tryckt hud, ben och - en dag - hela organ, enligt en ledande grupp 3D-biotrycksexperter som samlades på en två-dagars ESA-workshop om medicinsk 3D-tryckning.
Denna idé kretsar kring idén om "bio-bläck". De är baserade på mänskliga celler och de näringsämnen och material som behövs för att återväxa kroppsvävnad som hud, ben och brosk. Längre in i framtiden är idén att skriva ut hela organ. Detta är ganska spekulativt vid denna tidpunkt, men medicinsk 3D-utskrift kommer sannolikt att komma dit någon gång i framtiden.
"Vi frågar vad astronauter skulle behöva på kort, medellång och lång sikt och vilka steg som krävs för att mogna 3D-biotryck till en nivå där det kan vara användbart i rymden," sade Tommaso Ghidini, chef för ESA: s strukturer, mekanismer, och materialavdelningen. "Vi definierar en utvecklingsplan och tidslinje med målet att den här gruppen ska bli en vetenskaplig arbetsgrupp i framtiden och driva framsteg."
3D-bioutskrift gör att isolerade besättningar i rymden kan förbereda sig för ett större antal nödsituationer än vad som är möjligt med nuvarande teknik. I rymden, eller på månen eller på en annan planet, är rymden i bostadsområdena högre. Ett fullt lager medicinskt centrum är en lyx astronauter kommer osannolikt att ha råd. ESA använder en brännskada som ett exempel för att illustrera fördelarna med 3D-biotryck.
Allvarliga brännskador behandlas vanligtvis med hudtransplantat från någon annanstans i patientens kropp. Detta innebär en sekundär skada på det transplanterade området, långt ifrån idealiskt när forskning visar att den orbitalmiljön gör sår svårare att läka. Istället kan ny hud odlas och biotryckas från patientens egna celler och sedan transplanteras direkt.
ESA växer med entusiasm för en månbas. Det är nästa logiska steg och kompletterar Deep Space Gateway som en avstigande punkt för vidare utforskning av solsystemet. Det finns en mängd tekniker som driver hela strävan framåt, varav Additive Manufacturing, eller 3D-utskrift, bara är en. Men för tillfället måste testningen av de flesta av dessa tekniker äga rum här på jorden, i miljöer som simulerar viktiga aspekter av månmiljön.
Vissa av dessa tekniker testas vid ESA: s Pangea-X Moon-bas på Lanzarote på Kanarieöarna. Lanzarote är den perfekta miljön för att testa några av de geologiska aspekterna av ett uppdrag till månen eller till Mars. Specifikt kommer det att testa tekniker för att ta stenprover.
Till och med något som verkar lika enkelt som att ta stenprov förvirras av flera svårigheter i en rymdmiljö. Framför allt kan kommunikationsförseningar göra allt mer utmanande. Ett experiment förra veckan som heter Analog-1 testade vetenskap, operationer och kommunikationsaspekter av ett undersökningsuppdrag. ESA-astronauten Matthias Maurer kommer att vara belägen vid Pangea-X och kommer att fjärrpilotera en rover i Nederländerna. För att göra detta kommer han att använda tekniken som kallas en elektronisk fältbok.
Den elektroniska fältboken är ett verktyg som integrerar positionering i realtid, datadelning, röstchatt och mycket mer. Det är en torr körning för ett experiment som ESA-astronauten Luca Parmitano kommer att utföra nästa år från International Space Station. Fältboken tillåter experter att vägleda astronauter att samla de bästa proverna.
Oavsett om det är 3D-utskrift av strukturer, biomedicinsk 3D-utskrift eller alla andra tekniker som behöver utvecklas och perfektioneras, är det tydligt att ESA har sina ögon på en månbase.
- ESA: s pressmeddelande: Future Moon Base
- ESA Press Release: Pangea-X Moon base
- ESA: s pressmeddelande: 3D-tryckande hud-, ben- och kroppsdelar som studeras för framtida astronauter
- ESA: s pressmeddelande: Bygga en månbas med 3D-utskrift
