این نخستین بار پس از سال ۱۳۵۰ خواهد بود که انسان دوباره بر سطح ماه قدم میگذارد؛ آخرینبار این اتفاق در دوران مأموریتهای آپولو رخ داد. ناسا با همکاری شرکای بینالمللی و تجاری امیدوار است که برنامه آرتمیس بتواند به برنامهای پایدار برای اکتشاف و توسعه در ماه تبدیل شود؛ برنامهای که میتواند شامل ایجاد زیرساختهای دائمی یا بلندمدت در سطح ماه باشد.
با توجه به هزینه بالای ارسال بارهای سنگین به ماه، انتقال تمام تجهیزات و مصالح لازم از زمین، از نظر اقتصادی و فنی، غیرعملی است. به همین دلیل، سازهها باید با استفاده از منابع محلی ساخته شوند؛ فرایندی که به آن استفاده درجا از منابع (ISRU) گفته میشود.
در ماه، این فرآیند از پیشرفتهای فناوری ساخت افزایشی (Additive Manufacturing) یا همان چاپ سهبعدی بهره میگیرد تا خاک ماه (رگولیت) را به مصالح ساختمانی تبدیل کند. با این حال، چالشهای فنی باعث شدهاند که اغلب روشهای چاپ سهبعدی فعلی در محیط ماه قابلاجرا نباشند.
در مطالعهای تازه، تیمی از پژوهشگران به رهبری دانشگاه آرکانزاس، روش جایگزینی پیشنهاد کردهاند که در آن بهجای ساخت کامل سازه با چاپ سهبعدی، از فرایندی به نام زینترینگ نوری (light-based sintering) برای تولید آجرهای ماهنشین استفاده میشود.
سرپرستی این تیم پژوهشی را دکتر «وان شو»، استادیار مهندسی مکانیک در دانشگاه آرکانزاس، بر عهده دارد. دیگر اعضای تیم شامل کول مککالوم، یووِن لیانگ، و ناهید توشار هستند که به ترتیب دانشجوی ممتاز، دستیار پژوهشی و دانشجوی دکتری در دانشکده مهندسی این دانشگاهاند. پژوهشگرانی از دانشگاه هوستون و دانشگاه تامپره فنلاند نیز در این تحقیق مشارکت داشتهاند.
به گفته نویسندگان مقاله، ایده ساخت پایگاهی دائمی (یا نیمهدائمی) در ماه از زمان برنامههای آپولو مطرح بوده، اما همواره با یک مانع بزرگ روبهرو بوده: انتقال ماشینآلات و مصالح ساختمانی نیاز به پرتابهای سنگین و پرهزینه دارد. اگرچه هزینه پرتابها در دهه اخیر به لطف پیشرفت بخش خصوصی و توسعه موشکهای قابل استفاده مجدد کاهش یافته، اما همچنان ارسال تمام نیازمندیهای ساخت یک پایگاه به ماه بسیار گران است.
در نتیجه، تنها راهکار عملی، استفاده از منابع موجود در محل (ISRU) است. با این حال، بسیاری از روشهای پیشنهادی چاپ سهبعدی در شرایط خاص ماه مانند گرانش پایین (تنها ۱۶٫۵٪ زمین) و دمای بسیار متغیر قابل اجرا نیستند. در حوضه قطب جنوب-آیتکن ماه، جایی که ناسا و سایر سازمانهای فضایی قصد ساخت پایگاه دارند، دما در بخشهای آفتابی تا ۵۴+ درجه سانتیگراد و در سایهها تا ۲۴۶- درجه کاهش مییابد.
بیشتر روشهای چاپ سهبعدی نیازمند استفاده از چسبها، حلالها یا پلیمرهایی هستند که باید از زمین ارسال شوند؛ که این موضوع موجب پیچیدگی و افزایش هزینه میشود.
برای نمونه، آژانس فضایی اروپا (ESA) با همکاری شرکت معماری Foster + Partners، طرحی برای پایگاه چاپ سهبعدی روی ماه ارائه دادهاند. دکتر شو توضیح میدهد:
«بسیاری از روشهای چاپ سهبعدی نیاز به آمادهسازی خمیر یا ترکیبهایی با حلال دارند، که حمل آنها به ماه بسیار پرهزینه است. تبخیر این حلالها هم مشکلاتی ایجاد میکند. استفاده از پلیمر یا چسب نیز با چالشهایی مثل زباله و انتقال اضافی همراه است. علاوه بر این، این ماشینها به انرژی نیاز دارند.»
فناوری زینترینگ (پخت خاک با لیزر، مایکروویو یا منابع دیگر انرژی برای تبدیل به سرامیک مذاب) نیز بررسی شده است. این سرامیک لایهلایه سرد میشود و سخت میگردد. اما این روش انرژیبر است و احتمالاً نیازمند منبعی مانند رآکتور هستهای خواهد بود.
در این زمینه، کول مککالوم (نویسنده اول مقاله) میگوید:
«ما سیستمی را طراحی کردیم که فقط از خاک ماه برای ساخت سازه استفاده میکند، بنابراین نیاز به ارسال چسب یا مواد اضافی از زمین را از بین میبرد.»
روش پیشنهادی آنها، زینترینگ با نور خورشید است؛ نوری که با استفاده از مجموعهای از عدسیها و آینهها متمرکز میشود و خاک ماه را ذوب میکند. پیشتر این فناوری با شبیهسازهای خاک ماه روی زمین آزمایش شده و توانایی تولید شیشه و آینه را داشته است.
از آنجایی که انرژی خورشید در مناطق آفتابی ماه بهوفور و بهصورت پایدار در دسترس است، این روش نسبت به منابع انرژی قابلحمل از زمین، قابلاعتمادتر و سادهتر است.
با این حال، آزمایشها نشان دادند که ساخت کل سازه با این فناوری همچنان دشوار است. بنابراین تیم پژوهشی تمرکز خود را روی ساخت قطعات سازهای معطوف کرد. کول توضیح میدهد:
«درحالیکه بیشتر مطالعات ترکیبی از خاک ماه و چسب را استفاده میکنند، اما ما فهمیدیم که سیلیس موجود در رگولیت در دمای بالا میتواند به خودی خود به هم بچسبد. ولی در ساخت قطعات بزرگ، یکنواختی کمتر میشود و دقت کاهش مییابد.»
از این رو، بهترین کاربرد این روش، تولید تعداد زیادی آجر بههمقابلقفلشدن و قابلتغییر است — چیزی شبیه لگو. چون دستگاه لازم برای این کار، حجم کمی دارد و برای پرتابهای فضایی مناسبتر است.
آنها بر پایه پژوهشهایی مانند همکاری ناسا با شرکت SINTERHAB کار میکنند که پیشنهاد داده بودند ربات ATHLETE ناسا به فناوری زینترینگ با مایکروویو مجهز شود. اما ویژگی منحصربهفرد ایده این تیم، قابلیت تغییرپذیری آجرهاست.
کول میگوید:
«انعطافپذیری آجرهای ما در فرایند ساخت بسیار هیجانانگیز است. چون بسته به نیاز، میتوانیم روشهای متفاوتی را بهکار ببریم. مثلاً برای سازههایی که دقت بالایی لازم ندارند مثل حفاظهای پرتوی، روش ما بسیار امیدوارکننده است.»
با این حال، هنوز کار زیادی برای تحقق عملی ایده باقی مانده است. دکتر شو تأکید میکند که پارامترهای زینترینگ و ویژگیهای مواد نیاز به بهینهسازی دارند. تیم قصد دارد نمونه اولیهای بسازد و آن را در آزمایشگاه بیازماید تا این فناوری برای استفاده در سطح ماه آماده شود.
همچنین باید مشخص شود که چاپگر چگونه روی سطح ماه جابجا شود، چه منبع انرژی داشته باشد و با چه سازوکاری با شرایط سخت محیطی مقابله کند.
در پایان، کول میگوید:
«تا پیادهسازی کامل این سیستم، هنوز مهندسی زیادی باقی مانده است. مثلاً باید ببینیم زینترینگ در خلأ چه تفاوتی با زمین دارد یا سکوی ساخت باید چه تغییری کند تا بهدرستی با خورشید همراستا شود. همچنین، تجهیزات باید در برابر شرایط دشوار سطح ماه بسیار مقاومتر از چیزی باشند که ما در آزمایشگاه تجربه کردیم. اینها همه چالشبرانگیز هستند، ولی خوشبختانه علم پشت این فناوری کاملاً شناختهشده است.»
