A microestrutura e propriedades mecânicas do microondas

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 1804 (2023) Citar este artigo

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Para alcançar uma presença humana sustentável na Lua, é fundamental desenvolver tecnologias que utilizem os recursos locais (também conhecidos como utilização de recursos in-situ ou ISRU) para construção e extracção de recursos. Neste estudo, investigamos a viabilidade do aquecimento por microondas de dois simuladores de solo lunar (JSC-1A e OPRH3N) sob condições de vácuo, para simular um ambiente de superfície lunar em comparação com estudos anteriores realizados à pressão atmosférica. Todos os simuladores são tratados termicamente em um aparelho de micro-ondas personalizado de 2,45 GHz usando três potências de entrada: 1000 W, 600 W e 250 W. As microestruturas e propriedades mecânicas das amostras submetidas a micro-ondas são analisadas para identificar suas aplicações potenciais. Nossas principais conclusões são: (i) maiores potências de entrada geram materiais em tempos de fabricação mais curtos, com maiores resistências mecânicas e maiores rendimentos, apesar do mesmo consumo total de energia; (ii) as microestruturas das amostras submetidas a microondas sob vácuo são muito diferentes daquelas sob condições atmosféricas devido às vesículas/bolhas generalizadas; e (iii) diferentes taxas de aquecimento causadas por diferentes potências de entrada podem ser utilizadas para fins específicos de ISRU: potências de entrada mais altas para construção extraterrestre e potências de entrada mais baixas para extração de recursos. As descobertas deste estudo têm implicações significativas para o desenvolvimento de uma carga útil de aquecimento por microondas para missões de demonstração lunares ISRU.

Como parte da estratégia de exploração espacial da Europa, o Conselho da Agência Espacial Europeia (ESA) criou o Programa Europeu de Envelope de Exploração (E3P) em 2016, agora denominado Terrae Novae, que significa “Novo Mundo”. Terrae Novae 2030+ é uma estratégia de exploração que abrange três destinos de exploração da ESA: Órbita Terrestre Baixa (LEO), a Lua e Marte. No ambiente da Lua e de Marte, a construção de habitats e a extração de recursos são consideradas dois dos cinco elementos-chave do roteiro estratégico para a presença humana na Lua e em Marte. Uma tecnologia chave com maior probabilidade de ser empregada em tais processos de construção lunar é uma plataforma robótica de impressão 3D1, utilizando solo lunar sinterizado/fundido como material de construção devido à sua operação descomplicada e autônoma. Devido à eficiência do aquecimento volumétrico intrínseco ao processo de micro-ondas, a sinterização/fusão por micro-ondas é considerada um método de fabricação viável para uma plataforma de impressão 3D. Esta técnica requer ~ 23% da energia em comparação com a sinterização a laser e reduz os tempos de fabricação, conforme discutido em 1,2,3.

Este artigo relata o resultado de uma série de experimentos de aquecimento por microondas em um simulador de solo de égua lunar JSC-1A e um simulador de solo de terras altas lunares OPRH3N. Ambos os simuladores foram submetidos a aquecimento por microondas sob condições de vácuo (10–4 Pa) para imitar o ambiente lunar. Esta pesquisa baseia-se em experimentos anteriores conduzidos em condições atmosféricas3. As amostras foram fundidas usando potências de entrada de 1000 W, 600 W e 250 W, usando o mesmo aparelho de microondas de 2,45 GHz personalizado descrito em 3. O objetivo é investigar como as microestruturas e resistências mecânicas das amostras sinterizadas/fundidas são afetadas pelo vácuo, mantendo todos os demais parâmetros experimentais iguais aos dos experimentos anteriores.

As conclusões deste trabalho serão utilizadas para desenvolver uma carga útil de aquecimento por microondas, atualmente apoiada pela Agência Espacial do Reino Unido (UKSA) e pela Agência Espacial Europeia (ESA), que poderia potencialmente fazer parte de um Demonstrador de Utilização de Recursos In-Situ (ISRU). missão para extração de recursos baseados em aquecimento e construção de habitat usando tecnologia de impressão 3D. Mais especificamente, as descobertas deste trabalho contribuirão para determinar a potência de entrada ideal para sinterização/derretimento por microondas do solo lunar para impressão 3D; e a potência mínima de entrada para extração de recursos lunares como oxigênio, água e ferro do solo.