Gemaakt uit maanstof: Lithoz 3D printers produceren gereedschappen voor een maanstation
Is dit science fiction? Zeker niet! De bouw van woningen op de maan is veel meer van een gedurfde visie - in belangrijke mate dankzij het internationale Artemis programma, met als doel mensen terug op de satelliet van de aarde te brengen. Voor een project van de Europese ruimtevaartorganisatie (ESA) onderzoekt Lithoz GmbH in Wenen, gespecialiseerd in technische keramische materialen voor additieve productiemethoden, hoe gereedschappen en materialen ter plaatse kunnen gemaakt worden uit maanstof met 3D printen. Het materiaal wordt getest met ZwickRoell testmachines.
“Alles wat een persoon zich in zijn verbeelding kan voorstellen, zullen anderen in de praktijk kunnen brengen.” (Uit: Rond de wereld in 80 dagen, Jules Verne)
Een huis bij de oceaan of in de bergen: Wie droomt er niet van? Maar een huis op de maan? Met zicht op de aarde, de ruimte en de Melkweg? Wat misschien klinkt als een scène uit een sciencefictionfilm of -boek is het onderwerp waaraan onderzoekers en wetenschappers al geruime tijd werken met de internationale ruimtevaartorganisaties, bijvoorbeeld momenteel voor de Artemis maanmissie. De visie: op korte of lange termijn een ruimtebasis bouwen op de maan. Het doel: van daaruit uitbreiden naar de ruimte en Mars om ons zonnestelsel verder te verkennen en zelfs nieuwe onbekende ruimtestelsels op te sporen en te verkennen...
Om een grote stap te nemen naar dit doel, geloven experten dat het nodig en onontbeerlijk is een maanstation te bouwen. Deze buitenpost, die al bestaat in talloze sciencefictionfilms, kan het lange en uiterst dure transport van de Aarde naar de maan significant verkorten.
ISRU principe: In Situ Resource Utilization
De oplossing is: maanregoliet of maanstof. Dit is voldoende aanwezig op de satelliet van de Aarde, en volgens het ISRU principe (In Situ Resource Utilization) bruikbaar als grondstof voor productie van bouwmaterialen, gereedschappen en zelfs meubilair voor de maanbasis. Het doel van ISRU in de ruimtevaart is het verzamelen van beschikbare bronnen of grondstoffen, deze te verwerken en ze te gebruiken als vervanging voor materialen die anders meegenomen moeten worden vanop Aarde.
Volgens plannen van onder andere de Europese ruimtevaartorganisatie ESA moet een complete maanbasis gecreëerd worden op deze manier, met 3D printen. Eenvoudig gezegd hoeven enkel 3D printers meegenomen te worden naar de maan om daar de nodige materialen en gereedschappen te printen. Hiervoor zouden voertuigen het maanstof verzamelen, waarna het mits toevoegen van enkele andere stoffen geschikt wordt om mee te printen. Een bijkomend voordeel: de grondstoffen waarmee het basismateriaal printbaar wordt, maken slechts één percent uit. Dit betekent een groot voordeel op vlak van kostenreductie.
Echt maanstof is niet bruikbaar - tests met synthetisch materiaal
Lithoz GmbH in Wenen houdt zich in haar maanstofproject bezig met dit bijzondere thema, en werd sinds haar stichting in 2011 een specialist en wereldwijd marktleider in additieve productiemethoden voor geavanceerde keramische materialen. Materiaalingenieurs en materiaaltesters van Lithoz GmbH, opgericht en bestuurd door twee alumni van de Technische Universiteit Wenen (TU) Johannes Benedikt en Johannes Homa, werken aan een proces om gereedschappen en slijtstukken te produceren uit synthetisch maanstof met een 3D printer. Daarbij testen ze de eigenschappen van deze materialen.
Alhoewel er zich ongeveer 400 kilogram maanrots op Aarde bevindt uit vorige maanmissies, is dit nu onbruikbaar voor deze experimenten door de blootstelling aan lucht en vochtigheid, en de chemische reactiviteit van het materiaal.
Met aards synthetisch materiaal produceren wetenschappers zogenaamd gesimuleerd maanregoliet, met gelijkaardige chemische, mechanische en technische eigenschappen als echt maanregoliet. Als deel van de LUPIN studie met de Europese Ruimtevaartorganisatie (ESA) ontwikkelt Lithoz GmbH een methode om regoliet te verwerken in lithografiegebaseerde printtechnologie. Bij LCM 3D printen wordt een keramische massa met een fotoreactief bindmiddel laag voor laag pixelprecies blootgesteld aan blauw licht, waardoor het op de juiste plaats uithardt en keramische onderdelen ontstaan met feilloze mechanische eigenschappen die verder verwerkt kunnen worden.
Homa: “Onze toonaangevende LCM technologie is - op basis van de resultaten - de norm voor keramisch LCM 3D printen.”
De stabiliteit van maanstof wordt getest met druktests en 3-punts buigtests
Als in de toekomst onderdelen geproduceerd worden op de maan met een Lithoz 3D printer, draagt ook testmachineproducent ZwickRoell bij aan het project en het mogelijke succes. De reden: bij de ontwikkeling van de machines, de materiaaltests en de processen - met andere woorden alles wat het bedrijf maakt tot wat het vandaag is - maakten de twee stichters Benedikt en Homa als student aan de Technische Universiteit Wenen reeds gebruik van ZwickRoell testmachines. “We zetten onze eerste stappen in 3D printen aan de universiteit. We kennen en appreciëren de betrouwbaarheid en nauwkeurigheid van de ZwickRoell testmachines, “ vertelt Johannes Benedikt, CTO bij Lithoz GmbH.
Aangezien even stoppen bij de winkel voor een wisselstuk op de maan niet echt een optie is, werden de in Wenen geteste samples uit maanstof in november ook getest door materiaalingenieurs bij ZwickRoell in Ulm in opdracht van Lithoz GmbH om te bepalen of ze geschikt zijn als basismateriaal voor gereedschappen en bouwmaterialen in de ruimte.
“Een controletest is in dergelijke gevallen altijd zeer nuttig, en helpt ons het proces continu te verbeteren,” legt CEO Homa uit. De testcampagne van 2 dagen bevatte druktests en 3-punts buigtests. “Voor ons waren de materiaaltests met regoliet nieuw, maar we konden ze zeer goed uitvoeren op basis van de speciale vereisten van de klant,” concludeert Tobias Ebner, die bij ZwickRoell de leiding over de tests voor het maanstofproject had als materiaalingenieur. Hij voegt toe: “De evaluatie van de testresultaten, en in welke mate het materiaal geschikt is voor de bouw van een maanstation, en of het al dan niet moet aangepast worden, hangt nu af van onze klant.”
Momenteel worden de resultaten en bevindingen van de tweedaagse kwaliteitscontroletests geanalyseerd door Lithoz GmbH, besproken met de Europese ruimtevaartorganisatie (ESA) en gepubliceerd.
“We zijn goed gekend in wetenschappelijke kringen”
Dankzij hun astronomische opgang in de sector van 3D printen behoort Lithoz GmbH nu tot een selecte groep die binnenkort te horen - of beter te zien - zal zijn in de ruimte: Lithoz GmbH biedt uitgebreide knowhow rond 3D printoplossingen op maat, van fundamenteel en toegepast onderzoek tot de ontwikkeling van gebruiksklare en verkoopbare producten voor industrieel gebruik. Dit is een van de redenen waarom de ESA (Europese ruimtevaartorganisatie) nauw samenwerkt met het Oostenrijkse bedrijf. Naast de universitaire achtergrond van de twee bestuurders, dragen ze in belangrijke mate bij aan de wetenschap en staat het bedrijf goed gekend volgens CEO Johannes Homa. Ondanks hun succesvol ondernemerschap: Lithoz GmbH werkt niet volledig onafhankelijk en houdt, ondanks hun groei, graag de voeten op de grond. Het bedrijf stelt meer dan 135 mensen tewerk, produceert en ontwikkelt voornamelijk in het hoofdkwartier te Wenen en vertrouwt op nauwe samenwerking met experten uit onderzoek, wetenschap en industrie.
De grenzen van het mogelijke verleggen, op naar de volgende fase
Volgens Lithoz CEO Homa zal de aarde zeker nog enkele banen rond de zon afwerken vooraleer de bouw van het maanstation begint. Hij benadrukt dat de weg naar de maan niet eenvoudig zal zijn. De weg is echter gepland en verhard. Daarom is het slechts een kwestie van tijd vooraleer het maanstation er zal zijn. Lithoz GmbH is goed op weg om hun missie te vervullen door de beste kwaliteit te leveren op vlak van keramisch printen en voortdurend de grenzen te verleggen bij de ontwikkeling van keramische materialen. “We willen ons steentje bijdragen aan de verkenning van onbekende ruimtestelsels en nieuwe werelden,” vertelt de keramiekspecialist om de drijfveer van het bedrijf te verduidelijken.
“De bouw van een maanstation wordt een grote stap voor de ruimtevaart en een mijlpaal voor de mens. We zijn bij Lithoz GmbH klaar om ons steentje bij te dragen aan deze spannende reis en project.” Benedikt voegt toe: “Iedereen die naar de maan vliegt, kan niet om ons heen. Als betrouwbare partner voorzag ZwickRoell ons van zeer belangrijke gegevens, waardoor we de nodige inzichten kregen voor deze missie. Met de hulp van ZwickRoell hebben we een belangrijke stap voortwaarts genomen. We willen graag - in de meest letterlijke zin - reiken naar de sterren, het denkbare mogelijk maken en het in de ruimte implementeren met onze expertise.”
