تسعى ناسا والوكالات العالمية إلى إنشاء وجود دائم على القمر، مع التركيز على الاستدامة واستخدام الموارد المحلية.

يمكن للطباعة ثلاثية الأبعاد المعتمدة على الليزر بناء قواعد مستقبلية على القمر

من خلال برنامج أرتيميس، تأمل ناسا في إنشاء وجود بشري دائم على القمر في منطقته القطبية الجنوبية. ولدى الصين وروسيا ووكالة الفضاء الأوروبية (ESA) خطط مشابهة، جميعها تتضمن بناء قواعد بالقرب من المناطق المظللة بشكل دائم (PSRs) — الفوهات التي تحتوي على جليد الماء — التي تميز حوض القمر الجنوبي. بالنسبة لهذه الوكالات وغيرها، من الضروري أن تكون هذه القواعد ذاتية الاكتفاء قدر الإمكان، حيث لا يمكن إطلاق مهمات الإمداد بشكل منتظم وتستغرق عدة أيام للوصول.

لذلك، يجب أن تنحصر أي خطة لإنشاء قاعدة قمرية في استغلال الموارد المحلية لتلبية احتياجات الطاقم قدر الإمكان، وهي عملية تعرف باسم استخدام الموارد في الموقع (ISRU). في دراسة حديثة، اقترح باحثون من جامعة ولاية أوهايو (OSU) استخدام طريقة طباعة ثلاثية الأبعاد معتمدة على الليزر لتحويل رمال القمر إلى مواد بناء صلبة. وفقًا لنتائجهم، يمكن لهذه الطريقة إنتاج هياكل متينة تتحمل الإشعاع وغيرها من الظروف القاسية على سطح القمر.

ترأس فريق البحث Sizhe Xu، وهو باحث دراسات عليا في OSU. وانضم إليه زملاء من قسم الهندسة المتكاملة، والهندسة الميكانيكية والفضائية، وهندسة المواد في OSU. ظهرت ورقتهم، “تصنيع إضافي باستخدام طاقة موجهة بالليزر لمحاكاة رمال القمر”، في مجلة Acta Astronautica.

تحديات الطباعة ثلاثية الأبعاد على القمر

لقد أدت أهمية ISRU لاستكشاف البشر إلى تطوير سريع لأنظمة التصنيع الإضافي، أو الطباعة ثلاثية الأبعاد. وقد أثبتت هذه الأنظمة فعاليتها في تصنيع الأدوات والهياكل والمساكن، مما يقلل بشكل فعال الاعتماد على الإمدادات التي يتم تسليمها من الأرض. إن تطوير مثل هذه الأنظمة للبعثات الطويلة الأمد هو أحد أكثر الجوانب تحديًا في هذه العملية، حيث يجب أن تُصمم لتعمل في بيئة القمر القاسية. وهذا يشمل عدم وجود غلاف جوي، والتغيرات الكبيرة في درجات الحرارة، والمشكلة المستمرة لغبار القمر.

يستخدم العلماء نوعين من رمال القمر في تجاربهم وأبحاثهم: محاكاة المرتفعات القمرية (LHS-1) ومحاكاة البحار القمرية (LMS-1). كجزء من أبحاثهم، استخدم الفريق LHS-1، الذي يحتوي على معادن بازلتية، مشابهة لعينات الصخور التي حصلت عليها مهمات أبولو. قاموا بإذابة هذه الرمال باستخدام الليزر لإنتاج طبقات من المواد ودمجها على سطح قاعدة من الفولاذ المقاوم للصدأ أو الزجاج. لتقييم مدى تحمل هذه المواد للبيئة القمرية، اختبر الفريق عملية التصنيع تحت مجموعة من الظروف البيئية المختلفة.

لاحظوا أن الرمال المدمجة تلتصق جيدًا بالسيراميك الألومينا-سيليكات، ربما لأن المركبين يشكلان بلورات تعزز مقاومة الحرارة والقوة الميكانيكية. وقد أظهر ذلك أن الجودة العامة للمادة المطبوعة تعتمد إلى حد كبير على السطح الذي تتم الطباعة عليه. كما أثرت عوامل بيئية أخرى، مثل مستويات الأكسجين في الغلاف الجوي، وقوة الليزر، وسرعة الطباعة، على استقرار المادة المطبوعة.

أين يمكن أن تساعد المواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد

يمكن أن يساعد هذا العملية في بناء مساكن وأدوات قوية وقادرة على التعامل مع البيئة القمرية. وهذا له فائدة إضافية تتمثل في زيادة الاستقلال عن الأرض، وهو أمر أساسي لتحقيق بعثات طويلة الأمد على القمر. بالإضافة إلى مساعدة رواد الفضاء الذين يستكشفون القمر في المستقبل القريب (كجزء من برنامج أرتيميس التابع لناسا)، يمكن أن تؤدي هذه التكنولوجيا أيضًا إلى إنشاء مساكن مرنة ستتيح وجودًا بشريًا طويل الأمد على القمر، والمريخ، وما بعده.

ومع ذلك، هناك العديد من العوامل البيئية غير المعروفة التي قد تحد من فعالية هذه الأنظمة على عوالم أخرى، وهناك حاجة إلى مزيد من البيانات قبل أن يمكن التعامل معها. في دراستهم، يقترح الفريق أن النسخ المستقبلية من طريقتهم، بدلاً من أن تعمل بالطاقة الكهربائية، يمكن أن تعتمد على أنظمة الطاقة الشمسية أو الهجينة. ومع ذلك، فإن الإمكانيات لاستكشاف الفضاء واضحة، وللتكنولوجيا أيضًا تطبيقات للحياة هنا على الأرض. أوضحت سارة وولف، أستاذ مساعد في الهندسة الميكانيكية والفضائية، وكاتبة رئيسية في الدراسة:

هناك ظروف تحدث في الفضاء يصعب تقليدها في محاكاة. قد تعمل في المختبر، ولكن في بيئة تفتقر إلى الموارد، يجب عليك تجربة كل شيء لتعظيم مرونة الآلة لمختلف السيناريوهات. إذا استطعنا تصنيع الأشياء في الفضاء باستخدام موارد قليلة جدًا، فهذا يعني أننا يمكن أن نحقق أيضًا استدامة أفضل على الأرض. لتحقيق ذلك، تحسين مرونة الآلة لمختلف السيناريوهات هو هدف نعمل جاهدين لتحقيقه.

كما يقول المثل، “حل المشاكل في الفضاء يحل المشاكل على الأرض.” في البيئات التي تكون فيها المواد والموارد محدودة، تعتبر الطباعة ثلاثية الأبعاد المعتمدة على الليزر واحدة من عدة تقنيات يمكن أن تدعم العيش المستدام. وهذا ينطبق على حد سواء على البيئات الخارجية وعلى المناطق على الأرض التي تعاني من آثار تغير المناخ.

تعتبر الطباعة ثلاثية الأبعاد بالليزر خطوة مهمة نحو تحقيق الاستكشاف المستدام للفضاء، مع فوائد محتملة على الأرض أيضًا.