Martian Biolith: un nuovo composito bioispirato per la stampa 3D su Marte

Ci sono molte sfide per l’utilizzo delle risorse in situ al di fuori della Terra. Tuttavia, con l’ avvicinarsi dei piani di esplorazione spaziale umana , è urgente trovare soluzioni creative che consentano all’equipaggio spaziale di accedere a rifornimenti critici ed elementi di sostegno vitale. I piani di esplorazione lunare umana della NASA nell’ambito del programma Artemis potrebbero inviare astronauti sulla superficie della Luna già nel 2024 e anticipano l’esplorazione sostenibile entro la fine del decennio.

Tuttavia, vivere e lavorare nello spazio per mesi o anni significa generare prodotti con materiali localizzati per evitare costi di trasporto estremamente elevati, stimati in $ 100.000 per tonnellata su Marte dall’imprenditore spaziale Elon Musk. Sebbene siano stati proposti diversi processi che utilizzano minerali e rocce nativi come materia prima per la stampa 3D in loco, gli esperti hanno sottolineato che non è ancora chiaro in che misura uno qualsiasi di questi materiali possa essere convertito economicamente e utilizzato per la produzione additiva (AM).

Ora, un nuovo studio di un team di scienziati della Singapore University of Technology and Design (SUTD) ha proposto di utilizzare un biopolimero organico comune e di lavorare con una chimica semplice per produrre un materiale che potrebbe essere utilizzato per stampare oggetti 3D, come strumenti e rifugi , su Marte. Il risultato, un composito di regolite bioispirato chiamato biolite marziano che può essere realizzato con energia minima e senza la necessità di trasportare attrezzature specializzate o materie prime dedicate.

Modello di habitat marziano completato con un modulo lander stampato in 3D che illustra un possibile scenario di fabbricazione di habitat su Marte.

Gli scienziati hanno descritto i loro esperimenti in un recente articolo pubblicato sulla rivista PLOS ONE . Il coautore e membro accademico fondatore del SUTD Javier Fernandez ei suoi colleghi hanno spiegato che la loro semplice tecnologia di produzione è basata sulla chitina, uno dei polimeri organici più onnipresenti sulla Terra. È prodotto e metabolizzato dagli organismi nella maggior parte dei regni biologici e probabilmente farà parte di qualsiasi ecosistema artificiale in quanto è la soluzione ricorrente della biologia per formare componenti strutturali. La chitina si trova nelle pareti cellulari dei funghi; gli esoscheletri di artropodi, come crostacei e insetti, e le squame di pesci e anfibi.

Per questo studio, i ricercatori hanno utilizzato il chitosano derivato dai gamberetti, che hanno poi sciolto in una bassa concentrazione di acido acetico (un sottoprodotto comune sia nella fermentazione aerobica che in quella anaerobica). Hanno quindi combinato il chitosano con un minerale progettato per imitare le proprietà del suolo marziano per creare la soluzione di biolite finale .

Per testare l’idoneità del biolite come materia prima per la stampa 3D, hanno creato un modello di habitat in scala ispirato al design del vincitore dell’habitat stampato in 3D della NASA MARS HAbitat ( MARSHA ) di AI SpaceFactory . Il biolite è stato estruso roboticamente in tre segmenti, utilizzando un estrusore pneumatico a pistone montato su un braccio robotico a sei assi KUKA KR 60 HA . Il team ha impiegato meno di due ore per stampare la struttura. Uno dei vantaggi della configurazione della stampante è la capacità di regolare il processo per bilanciare velocità e definizione, nonché la capacità di ridimensionare gli artefatti stampati a diversi ordini di grandezza utilizzando lo stesso materiale e tecnologia di produzione.

L’impostazione della produzione additiva prevede un estrusore pneumatico a pistone montato su un braccio robotico a 6 assi.

Hanno anche utilizzato il versatile biolite per fondere diverse geometrie, inclusa una chiave funzionale che è stata successivamente testata, utilizzata per riparare un tubo rotto. Attraverso lo studio, gli autori sono stati in grado di dimostrare che questo materiale consente la rapida produzione di oggetti che potrebbero supportare gli esseri umani in un ambiente marziano. Descrivendo che i prodotti iniziali del biolite potrebbero essere strumenti di consumo e attrezzature fabbricate in massa a mano o colate.

Le scarse risorse in un ambiente extraterrestre pongono sfide estreme alla creazione di un ciclo ecologico chiuso che supporti le attività umane, simile al problema dello sviluppo sostenibile sulla Terra. Fernandez ha suggerito che la tecnologia è stata originariamente sviluppata per creare ecosistemi circolari in ambienti urbani, ma grazie alla sua efficienza, è anche il metodo più adatto e scalabile per produrre materiali in un ecosistema artificiale chiuso nell’ambiente estremamente scarso di un pianeta o satellite senza vita . È stato osservando le strategie di successo della natura per adattarsi agli ambienti difficili, che hanno potuto creare il versatile biolite marziano .

“Contro la percezione generale, la produzione bioispirata e i materiali sostenibili non sono una tecnologia sostitutiva per i polimeri sintetici, ma una tecnologia abilitante che definisce un nuovo paradigma nella produzione e consente di fare cose che sono irraggiungibili dalle controparti sintetiche”, ha detto Fernandez. “Qui abbiamo dimostrato che sono fondamentali non solo per la nostra sostenibilità sulla Terra, ma anche per uno dei prossimi più grandi risultati dell’umanità: la nostra trasformazione in una specie interplanetaria”.

Sezioni stampate in 3D dopo l’asciugatura e prima dell’assemblaggio.

La comunità di ricerca sta attualmente valutando le opportunità di utilizzare rocce e minerali esistenti per la produzione spaziale che non richiederà un livello di lavorazione estremo o elevato. Molti metodi di produzione attualmente presi in considerazione per gli sviluppi fuori dalla Terra si basano su tecnologie per il paradigma generoso della Terra e sono comunemente caratterizzati da processi che coinvolgono alte temperature e pressioni o polimeri con biosintesi complessa e dedicata.

Tuttavia, le future missioni di esplorazione dello spazio su Marte richiederanno un insediamento extraterrestre sostenibile che deve essere efficiente in termini di risorse con sistemi ecologici chiusi in atto, che richiedono meno energia da elaborare, trasformandosi in qualcosa che può essere utilizzato per AM. Attraverso questo nuovo studio, il team ha dimostrato un modo innovativo per creare un composito con bassi requisiti di produzione, integrazione ecologica e utilità versatile che potrebbe diventare la base dei futuri ambienti marziani.

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