La microstruttura e le proprietà meccaniche delle microonde

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 1804 (2023) Citare questo articolo

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Per ottenere una presenza umana sostenibile sulla Luna, è fondamentale sviluppare tecnologie che utilizzino le risorse locali (noto anche come utilizzo delle risorse in situ o ISRU) per la costruzione e l’estrazione delle risorse. In questo studio, investighiamo la fattibilità del riscaldamento a microonde di due simulanti del suolo lunare (JSC-1A e OPRH3N) in condizioni di vuoto, per simulare un ambiente di superficie lunare rispetto a studi precedenti eseguiti a pressione atmosferica. Tutti i simulanti vengono trattati termicamente in un apparato a microonde da 2,45 GHz su misura utilizzando tre potenze in ingresso: 1000 W, 600 W e 250 W. Le microstrutture e le proprietà meccaniche dei campioni sottoposti a microonde vengono analizzate per identificare le loro potenziali applicazioni. I nostri risultati principali sono: (i) potenze di input più elevate generano materiali in tempi di fabbricazione più brevi con resistenze meccaniche più elevate e rese più elevate nonostante lo stesso input di energia totale; (ii) le microstrutture dei campioni sottoposti a microonde sotto vuoto sono molto diverse da quelle in condizioni atmosferiche a causa delle diffuse vescicole/bolle; e (iii) diverse velocità di riscaldamento causate da diverse potenze di input possono essere utilizzate per scopi ISRU specifici: potenze di input più elevate per la costruzione extraterrestre e potenze di input inferiori per l'estrazione di risorse. I risultati di questo studio hanno implicazioni significative per lo sviluppo di un carico utile per il riscaldamento a microonde per le missioni dimostrative ISRU lunari.

Nell'ambito della strategia europea di esplorazione spaziale, il Consiglio dell'Agenzia spaziale europea (ESA) ha creato nel 2016 il programma European Exploration Envelope (E3P), ora chiamato Terrae Novae, che significa "Nuovo Mondo". Terrae Novae 2030+ è una strategia di esplorazione che comprende tre destinazioni esplorative dell'ESA: Low Earth Orbit (LEO), Luna e Marte. Nell’ambiente della Luna e di Marte, la costruzione dell’habitat e l’estrazione delle risorse sono considerati due dei cinque elementi chiave della tabella di marcia strategica per la presenza umana sulla Luna e su Marte. Una tecnologia chiave che molto probabilmente verrà impiegata in tali processi di costruzione lunare è una piattaforma robotica di stampa 3D1, che utilizza il suolo lunare sinterizzato/fuso come materiale da costruzione grazie al suo funzionamento semplice e autonomo. Grazie all'efficienza del riscaldamento volumetrico intrinseco al processo a microonde, la sinterizzazione/fusione a microonde è considerata un metodo di fabbricazione praticabile per una piattaforma di stampa 3D. Questa tecnica richiede circa il 23% dell'energia rispetto alla sinterizzazione laser e riduce i tempi di fabbricazione, come discusso in 1,2,3.

Questo articolo riporta i risultati di una serie di esperimenti di riscaldamento a microonde su un simulante del suolo lunare JSC-1A e un simulante del suolo lunare di altopiano OPRH3N. Entrambi i simulanti sono stati sottoposti a riscaldamento a microonde in condizioni di vuoto (10–4 Pa) per imitare l'ambiente lunare. Questa ricerca si basa sui precedenti esperimenti condotti in condizioni atmosferiche3. I campioni sono stati fusi utilizzando potenze di ingresso di 1000 W, 600 W e 250 W, utilizzando lo stesso apparato a microonde da 2,45 GHz su misura descritto in 3. L'obiettivo è studiare come le microstrutture e le resistenze meccaniche dei campioni sinterizzati/fusi vengono influenzate dal vuoto, mantenendo tutti gli altri parametri sperimentali gli stessi degli esperimenti precedenti.

I risultati di questo lavoro verranno utilizzati per sviluppare un carico utile per il riscaldamento a microonde, attualmente supportato dall'Agenzia spaziale britannica (UKSA) e dall'Agenzia spaziale europea (ESA), che potrebbe potenzialmente far parte di un dimostratore di utilizzo delle risorse in situ (ISRU). missione per l’estrazione di risorse basate sul riscaldamento e la costruzione di habitat utilizzando la tecnologia di stampa 3D. Più specificamente, i risultati di questo lavoro contribuiranno a determinare la potenza in ingresso ottimale per la sinterizzazione/fusione a microonde del suolo lunare per la stampa 3D; e la potenza minima in ingresso per l’estrazione delle risorse lunari come ossigeno, acqua e ferro dal suolo.