Elektronik fra månestøv: omdannelse af måne-regolith til printbare kredsløb

Det er dyrt og tidskrævende at sende reservedele fra Jorden – så hvad nu, hvis Månen selv kunne levere råmaterialerne? Et nyt ESA Discovery-projekt ledet af Dansk Teknologisk Institut (DTI) undersøger, hvordan man kan omdanne måneregolith – det lag af månestøv sten, der dækker Månens overflade – til de ledende blæk og pulvere, der er nødvendige for at printe elektroniske komponenter direkte på Månen.

Projektet 'Regolith to Repairs: ISRU for Additive Manufacturing of Electronics' bygger på en veletableret og elegant idé. Måneregolith indeholder 40–45 vægtprocent ilt, der er kemisk bundet i dens mineralstruktur. Når man udvinder dette ilt, som kan bruges til raketfremdrift eller til at forsyne astronauter med luft, efterlades der et metalrigt restprodukt. I stedet for at behandle dette restprodukt som affald undersøger projektet, om det kan omdannes til noget langt mere nyttigt: byggestenene til elektronik.

Fra iltudvinding til trykte kredsløb

Oxygenudvindingsprocessen, der er kernen i projektet, er elektrolyse af smeltet salt, en teknik, hvor regolith nedsænkes i en calciumchlorid-elektrolyt, der opvarmes til mellem 800 °C og 1000 °C. Når der tilføres spænding, frigives ilt fra materialet, hvilket efterlader en blanding af metallegeringer. Det britiske firma Metalysis, som er verdensførende inden for reduktion af måne-regolith, har siden 2019 forfinet denne proces i samarbejde med ESA og UK Space Agency og leverer simuleret regolith – både i sin oprindelige og deoxygeneret form – til projektets eksperimenter.

DTI bidrager med specialviden inden for syntese af ledende materialer og formulering af printbare blæk og metalpulvere. I dette projekt udvikler DTI metoder til at omdanne de metalrige rester, der er tilbage efter iltudvindingen, til to forskellige produkter: ledende blæk, der er egnet til trykning af elektroniske kredsløb, og metalpulvere til 3D-print af større komponenter.

Argumenterne for in-situ-produktion

Den økonomiske logik er overbevisende. "Hver gang man vil sende et kilo ud i rummet, skal man bruge 15 kilo brændstof til at flytte det," forklarer Christian Dalsgaard, seniorkonsulent hos DTI og projektets hovedforsker. "Der er en enorm fordel ved at kunne udnytte lokale materialer, der er tilgængelige på Månen – for eksempel til at reparere kritiske dele."

Muligheden for at fremstille elektroniske komponenter på stedet vil give fremtidige månemissioner en grad af autonomi, der simpelthen ikke er mulig, når hver eneste reservedel skal sendes fra Jorden. Anvendelsesmulighederne er brede – fra reparation af planetrobotter og vedligeholdelse af elektriske systemer i beboelsesmoduler til opbygning af kommunikationsnetværk og understøttelse af videnskabelige instrumenter.

"Projektets primære innovation er at omdanne den ledende del af regolith til et digitalt printbart materiale," siger Dalsgaard. "Dette åbner helt nye muligheder for fremstilling af elektronik uden for Jorden til fremtidige rummissioner."

Dr. Rita Palumbo, specialist i avanceret fremstilling af elektronik hos ESA, siger: "Jo længere menneskeheden bevæger sig ud i rummet, jo mindre har vi råd til at medbringe alt det, vi har brug for, fra Jorden. Avanceret fremstilling af elektronik er et af de områder, ESA udforsker for at forstå, hvordan fremtidige missioner kan bygge, reparere og tilpasse elektronik, hvad enten det er i kredsløb eller langt uden for det."

Bevis for konceptet

For at demonstrere, at tilgangen er realistisk, vil DTI og Metalysis producere ledende råmateriale fra deoxygeneret simuleret regolith og teste det i en additiv fremstillingsmetode, der er designet til at afspejle forholdene på Månen. "Vi producerer ledende blæk og pulver og tester, om de kan bruges til additiv fremstilling af et stykke ledende tråd," forklarer Andreas Weje Larsen, specialist i 3D-print hos DTI. "På den måde demonstrerer vi, at det ledende pulver f.eks. kan bruges til at fremstille antenner direkte på Månen."

Projektet er et proof of concept, men ambitionerne rækker langt ud over det. DTI ser dette som det første skridt i et bredere arbejdsprogram, der skal udnytte regolitens potentiale som råmateriale til elektriske komponenter – og store producenter af rumfarts- og forsvarsteknologi  i  iser allerede stor interesse for teknologien.

Projektet blev indsendt via ESA's Open Space Innovation Platform (OSIP), der søger lovende nye ideer til rumforskning, og finansieres af Discovery-elementet i ESA's Basic Activities.