Cómo un láser puede convertir el polvo lunar en carreteras

el Agencia Espacial Europea La Agencia Espacial Europea (ESA) ha utilizado con éxito un láser para derretir polvo lunar simulado, allanando el camino para una posible construcción de carreteras en la Luna, un paso crucial para gestionar los desafíos del polvo lunar en futuras misiones.

Cuando los astronautas regresen a la superficie de la luna, probablemente conducirán más que caminar, pero para mantener a raya el polvo lunar que se eleva, necesitarán carreteras. El proyecto de la ESA fue informado el 12 de octubre en la revista Informes científicos Experimente creando superficies aptas para circular disolviendo el polvo lunar con un potente láser.

El astronauta Gene Cernan conduce el módulo lunar, con el módulo lunar del Apolo 17 al fondo. Crédito: NASA

La necesidad de los caminos lunares

Con la civilización vienen las carreteras, y esto sería especialmente cierto en la Luna, sólo para mantener alejado el polvo. El polvo lunar es muy fino, abrasivo y pegajoso. En la era Apolo, el polvo obstruía los equipos y corroía los trajes espaciales.

La nave espacial Surveyor 3 recibió la visita de los astronautas del Apolo 12 Charles Conrad Jr. y Alan L. Bean, quienes tomaron esta fotografía el 20 de noviembre de 1969. Fuente de la imagen: NASA

2. 

En particular, cuando el módulo lunar del Apolo 17 perdió su mamparo trasero, el vehículo quedó tan cubierto de polvo que amenazó con sobrecalentarse, hasta que los astronautas improvisaron una solución utilizando mapas lunares reciclados. La nave espacial Lunokod 2 de la Unión Soviética en realidad murió por sobrecalentamiento cuando el polvo cubrió su refrigerador.

El módulo de aterrizaje Surveyor 3 quedó expuesto al polvo cuando el módulo lunar Apolo 12 aterrizó a unos 180 metros de distancia. Presente NASA Los modelos indican que cuando los módulos de aterrizaje aterrizan en la superficie de la Luna, sus columnas de empuje podrían desalojar toneladas de polvo, adhiriéndose potencialmente a las superficies de aterrizaje y cubriendo toda el área adyacente al aterrizaje.

Pavimentando la superficie de la luna

La respuesta más práctica es prevenir el polvo pavimentando áreas de actividad en la Luna, incluidas carreteras y plataformas de aterrizaje. La idea de derretir arena para crear carreteras se propuso por primera vez en la Tierra en 1933.

El proyecto PAVER de la ESA (Paving the Way for Large-Area Regolith Sintering) investigó la viabilidad de este mismo enfoque para construir caminos lunares, liderado por el Instituto BAM de Investigación y Ensayo de Materiales de Alemania junto con la Universidad de Aalen en Alemania, el grupo LIQUIFER Systems en Austria y Universidad Clausthal de Alemania. La tecnología, respaldada por el Instituto de Física de Materiales Espaciales del Centro Aeroespacial Alemán, DLR.

El consorcio PAVER utilizó un láser de dióxido de carbono de 12 kilovatios para fundir polvo lunar simulado en una superficie sólida de vidrio, como medio para construir superficies pavimentadas en la cara de la luna. En las instalaciones de la Universidad Tecnológica de Clausthal, el consorcio logró un tamaño de mancha de 5 a 10 cm. Mediante prueba y error, idearon una estrategia consistente en utilizar un rayo láser de 4,5 cm de diámetro para producir formas geométricas triangulares con centros huecos de unos 20 cm de ancho. Estos elementos podrían entrelazarse para crear superficies sólidas en grandes áreas de suelo lunar que podrían servir como caminos o plataformas de aterrizaje. Crédito: Consorcio PAVER

El consorcio PAVER utilizó un láser de dióxido de carbono de 12 kilovatios para fundir polvo lunar simulado en una superficie sólida de vidrio, como medio para construir superficies pavimentadas en la cara de la luna.

Como explica Advinit Makaya, ingeniero de materiales de la ESA, el proyecto se remonta al concepto original de 1933: «En la práctica, no llevaremos un láser de CO2 a la Luna. En cambio, este láser actual sirve como fuente de luz». Para nuestros experimentos, la sustitución reemplaza la luz solar lunar, que puede enfocarse utilizando una lente Fresnel de unos pocos metros de ancho para producir una fusión parabólica en la superficie lunar.

En las instalaciones instaladas en la Universidad Tecnológica de Clausthal, el consorcio PAVER ha logrado un tamaño del punto de fusión de 5 a 10 cm. Mediante prueba y error, idearon una estrategia consistente en utilizar un rayo láser de 4,5 cm de diámetro para producir formas geométricas triangulares con centros huecos de unos 20 cm de ancho. Estos elementos podrían entrelazarse para crear superficies sólidas en grandes áreas de suelo lunar que podrían servir como caminos o plataformas de aterrizaje. Crédito: Consorcio PAVER

Metodología y resultados

“Durante proyectos anteriores de utilización de recursos en el sitio – incl. Construcción de ladrillos utilizando calor solar concentrado en espejos. -Estábamos observando un derretimiento superficial que se limita a parches de derretimiento relativamente pequeños, que van desde unos pocos milímetros hasta unos pocos centímetros de diámetro. Para construir carreteras o pistas de aterrizaje, se requiere un punto focal mucho más amplio, de modo que se pueda escanear un área muy amplia en una escala de tiempo práctica.

En las instalaciones de la Universidad Tecnológica de Clausthal, el consorcio logró un tamaño de mancha de 5 a 10 cm.

En las instalaciones instaladas en la Universidad Tecnológica de Clausthal, el consorcio PAVER logró un tamaño de mancha de 5 a 10 cm para disolver polvo lunar simulado. Mediante prueba y error, idearon una estrategia consistente en utilizar un rayo láser de 4,5 cm de diámetro para producir formas geométricas triangulares con centros huecos de unos 20 cm de ancho. Estos elementos podrían entrelazarse para crear superficies sólidas en grandes áreas de suelo lunar que podrían servir como caminos o plataformas de aterrizaje. Crédito: Consorcio PAVER

Mediante prueba y error, idearon una estrategia consistente en utilizar un rayo láser de 4,5 cm de diámetro para producir formas geométricas triangulares con centros huecos de unos 20 cm de ancho. Estos elementos podrían entrelazarse para crear superficies sólidas en grandes áreas de suelo lunar que podrían servir como caminos o pistas de aterrizaje.

«En realidad, resulta más fácil trabajar con regolito con un tamaño de punto mayor, porque el calentamiento a escala milimétrica produce bolas fundidas que son difíciles de mantener juntas debido a la tensión superficial», añade Advinit. «Un haz más grande produce una capa estable de regolito fundido que es más fácil de controlar”.

Una capa fundida tiene aproximadamente 1,8 cm de profundidad. Crédito: Consorcio PAVER

«El material resultante es frágil y parecido al vidrio, pero estará sujeto principalmente a fuerzas de presión hacia abajo. Incluso si se rompe, podemos seguir usándolo y reparándolo cuando sea necesario».

El equipo descubrió que recalentar la pista enfriada podría provocar que se agrietara, por lo que pasaron a geometrías que implicaban cruces mínimos. Una capa fundida tiene aproximadamente 1,8 cm de profundidad; Las estructuras construidas y las carreteras pueden constar de varias capas, dependiendo de las fuerzas de carga requeridas.

«Una profundidad de fusión tan alta para producir estructuras masivas sólo se puede lograr con puntos láser grandes», explica Jens Gunster, jefe de procesos de fabricación de múltiples materiales en BAM.

El equipo estima que se podría crear una pista de aterrizaje de 100 metros cuadrados con 2 centímetros de material denso en 115 días.

El proyecto PAVER de la ESA – Paving the Way for Large-Area Regolith Sintering – investigó la viabilidad de la fusión del regolito para construir carreteras en la Luna, liderado por el Instituto BAM de Investigación y Ensayo de Materiales de Alemania junto con la Universidad de Aalen en Alemania, el Grupo de Sistemas LIQUIFER en Austria y Universidad Clausthal de Alemania. La tecnología, respaldada por el Instituto de Física de Materiales Espaciales del Centro Aeroespacial Alemán, DLR. Crédito: Consorcio PAVER

Origen y perspectivas de futuro

Este proyecto surgió como resultado de una convocatoria de ideas gestionada por el Componente Discovery de las actividades principales de la ESA a través de la Open Space Innovation Platform (OSIP).

Se buscaban ideas de investigación relacionadas con la fabricación y la construcción fuera de tierra.

La llamada fue atendida nada menos que 69 veces. De estas ideas, se implementaron un total de 23, según una evaluación de un panel de expertos de la ESA, que calificaron las ideas según su novedad.

«Esta invitación inicial fue una inversión eficaz desde nuestra perspectiva, ya que abrió múltiples caminos prometedores para continuar con la investigación», señala Advinit.

Referencia: “Fabricación con láser de grandes elementos de regolito lunar simulado” por Juan Carlos Genis Palomares, Miranda Vateri, Eckhard Kalhofer, Tim Schubert, Lena Meyer, Niko Kölsch, Monika Brandič Lipinska, Robert Davenport, Barbara. Imhof, René Waklavicek, Matthias Sperl, Advinit Makaya, Jens Gunster, 12 de octubre de 2023, Informes científicos.
doi: 10.1038/s41598-023-42008-1