Pesquisadores da Universidade de Arkansas testam impressão 3D de metallic em uma atmosfera semelhante à de Marte – 3DPrint.com

Se os humanos eventualmente estabelecerem uma presença de longo prazo em Marte, enfrentarão um grande desafio de produção quase imediatamente. As ferramentas vão quebrar. As peças irão desgastar-se. Os equipamentos precisarão de reparos. Mas, ao contrário do que acontece na Terra, não haverá uma cadeia de abastecimento próxima, nenhuma peça de substituição chegará durante a noite e nenhum armazém abastecido com componentes de reserva.

Essa é uma das razões pelas quais os pesquisadores continuam explorando como a manufatura aditiva (AM) poderia apoiar o futuro. missões espaciais. Agora, um novo estudo da Universidade do Arkansas analisa uma pequena mas importante peça desse quebra-cabeça: se a impressão 3D de metallic poderia funcionar em uma atmosfera semelhante à encontrada em Marte.

A pesquisa foi liderada por Zane Mebruer, que concluiu o trabalho como estudante de graduação em engenharia mecânica na universidade sob a supervisão do professor assistente Wan Shou. As descobertas foram publicadas em um estudo intitulado “Explorando a fabricação de aditivos metálicos em ambientes atmosféricos marcianos” no Diário de Fabricação e Processamento de Materiais.

A pesquisa de Mebruer explica que um dos desafios é que a maioria dos sistemas AM metálicos dependem de gás argônio durante a produção. O gás protege o metallic fundido da oxidação à medida que as peças são construídas camada por camada. Sem essa proteção, podem formar-se defeitos no inside do componente que enfraquecem a peça closing. Mas o problema é que as pessoas que se instalassem em Marte não teriam acesso a grandes suprimentos de argônio, e trazê-lo da Terra seria caro. Além disso, produzi-lo em Marte exigiria equipamentos e recursos adicionais.

A atmosfera de Marte é composta por mais de 95% de dióxido de carbono. Em vez de enviar grandes quantidades de gás especializado da Terra, os investigadores queriam ver se a impressão em metallic poderia ser realizada diretamente num ambiente de dióxido de carbono. Se isso fosse possível, os futuros colonos poderiam ser capazes de utilizar recursos já disponíveis no planeta.

Para a tarefa, a equipe usou um sistema personalizado de fusão em leito de pó a laser (PBF-LB) desenvolvido na Universidade de Arkansas para imprimir amostras de teste simples de aço inoxidável 316L. Equipado com um laser de fibra IPG de 500 watts e uma câmara selada que pode ser preenchida com diferentes gases, o sistema permitiu aos pesquisadores comparar a impressão sob argônio, dióxido de carbono e condições normais de ar. As amostras foram então examinadas quanto à qualidade da superfície, oxidação e coesão estrutural.

Visão geral da configuração experimental do PBF-LB com ambiente synthetic. Imagem cortesia da Universidade de Arkansas.

Argon ainda apresentou o desempenho geral mais forte, o que não foi surpreendente. Mas o que chamou a atenção dos investigadores foi que o ambiente de dióxido de carbono teve um desempenho muito melhor do que o ar comum. As peças não tiveram um desempenho tão bom quanto aquelas feitas com argônio, mas tiveram um desempenho bom o suficiente para incentivar mais pesquisas.

“É uma prova de conceito”, disse Shou, que ajudou Mebruer a conceituar o trabalho e supervisionou a pesquisa em seu laboratório.

A pesquisa ainda está em um estágio muito inicial. A equipa não imprimiu ferramentas acabadas ou peças funcionais, mas simples amostras de teste de aço inoxidável, incluindo linhas individuais fundidas a laser e pequenas estruturas planas, para ver como o materials se comportava numa atmosfera de dióxido de carbono semelhante à de Marte. Afinal, ainda há uma longa lista de desafios a resolver antes de ir para Marte, porque é um lugar difícil para fabricar qualquer coisa. Além da própria atmosfera, os sistemas futuros teriam de operar em gravidade mais baixa e lidar com poeira, radiação e algumas das mudanças de temperatura mais extremas no sistema photo voltaic.

Efeito da potência do laser em amostras 2D fabricadas. Imagem cortesia da Universidade de Arkansas.

Mesmo assim, o estudo aponta para uma questão que as agências espaciais têm pensado há anos: como fazer o que precisa quando a Terra está a milhões de quilómetros de distância?

Esta questão está a tornar-se mais importante à medida que governos e empresas privadas avançam em missões mais longas para além da órbita da Terra. Programa Artemis da NASApor exemplo, quer devolver os astronautas à Lua e estabelecer uma presença mais sustentável lá antes que futuras missões se dirijam a Marte. Uma parte basic desse esforço é o que NASA chamadas utilização de recursos in-situ (ISRU), a ideia de usar recursos locais sempre que possível em vez de enviar tudo da Terra. Essa ideia se aplica à produção de combustível, construção de habitats, sistemas de suporte à vida e manufatura. Afinal, quanto mais os humanos se afastam da Terra, mais importante se torna a produção native.

Uma viagem a Marte seria muito diferente de uma missão na órbita da Terra. As tripulações podem ficar longe de casa durante anos e não há uma maneira fácil de enviar peças de reposição quando algo quebra. É por isso que os pesquisadores estão de olho na impressão 3D. Em vez de embalar todas as peças sobressalentes de que necessitassem, os futuros astronautas poderiam trazer matérias-primas e fabricar algumas ferramentas e componentes sob demanda. Na verdade, os investigadores já exploraram vários conceitos de impressão 3D relacionados com Marte nos últimos anos.

Cientistas em Universidade Estadual de Washington demonstrou anteriormente que Simulado regolito marciano poderia ser misturado com ligas de titânio para criar materiais impressos resistentes que um dia poderão ser usados ​​em ferramentas, componentes estruturais ou revestimentos protetores.

O que torna este estudo interessante é que os investigadores não estão a olhar para o que pode ser impresso em Marte. Eles estão analisando o que pode ser impresso na atmosfera de Marte. E isso pode ser muito importante, porque se futuras missões pudessem utilizar gases que já estão disponíveis em Marte, em vez de árgon, isso poderia tornar a produção lá muito mais fácil.

A ideia pode até ter aplicações na Terra. Os pesquisadores apontam que o dióxido de carbono está geralmente mais disponível e é mais barato que o argônio. Seriam necessários muito mais testes, mas as descobertas sugerem que pode haver situações em que o dióxido de carbono poderia servir como alternativa.

É claro que ninguém instalará impressoras 3D de metallic em Marte tão cedo. Na verdade, as agências espaciais ainda estão trabalhando para conseguir a presença humana na Lua. A NASA ainda fala oficialmente em enviar humanos a Marte na década de 2030, mas isso começou a soar mais como um objetivo de longo prazo. Na verdade, os analistas sugeriram que o início da década de 2040 pode ser uma janela mais realista para uma missão tripulada a Marte. Mas se um dia os humanos chegarem a Marte, precisarão de formas de fabricar e reparar coisas assim que lá chegarem.