La microstructure et les propriétés mécaniques des micro-ondes

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 1804 (2023) Citer cet article

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Pour parvenir à une présence humaine durable sur la Lune, il est essentiel de développer des technologies utilisant les ressources locales (c'est-à-dire l'utilisation des ressources in situ ou ISRU) pour la construction et l'extraction des ressources. Dans cette étude, nous étudions la viabilité du chauffage par micro-ondes de deux simulants de sol lunaire (JSC-1A et OPRH3N) sous vide, pour simuler un environnement de surface lunaire par rapport aux études précédentes réalisées à pression atmosphérique. Tous les simulants sont traités thermiquement dans un appareil à micro-ondes sur mesure de 2,45 GHz utilisant trois puissances d'entrée : 1 000 W, 600 W et 250 W. Les microstructures et les propriétés mécaniques des échantillons micro-ondes sont analysées pour identifier leurs applications potentielles. Nos principales conclusions sont les suivantes : (i) des puissances d'entrée plus élevées génèrent des matériaux dans des délais de fabrication plus courts, avec des résistances mécaniques plus élevées et des rendements plus élevés malgré le même apport d'énergie total ; (ii) les microstructures des échantillons micro-ondes sous vide sont très différentes de celles dans des conditions atmosphériques en raison de la présence de vésicules/bulles répandues ; et (iii) différents taux de chauffage provoqués par différentes puissances d'entrée peuvent être utilisés à des fins spécifiques de l'ISRU : des puissances d'entrée plus élevées pour la construction extraterrestre et des puissances d'entrée plus faibles pour l'extraction des ressources. Les résultats de cette étude ont des implications significatives pour le développement d’une charge utile chauffante par micro-ondes pour les missions de démonstration lunaires de l’ISRU.

Dans le cadre de la stratégie européenne d'exploration spatiale, le Conseil de l'Agence spatiale européenne (ESA) a créé en 2016 le programme européen d'enveloppe d'exploration (E3P), désormais appelé Terrae Novae, qui signifie « Nouveau Monde ». Terrae Novae 2030+ est une stratégie d'exploration englobant trois destinations d'exploration de l'ESA : l'orbite terrestre basse (LEO), la Lune et Mars. Dans l’environnement de la Lune et de Mars, la construction d’habitats et l’extraction de ressources sont considérées comme deux des cinq éléments clés de la feuille de route stratégique pour la présence humaine sur la Lune et sur Mars. Une technologie clé la plus susceptible d’être utilisée dans de tels processus de construction lunaire est une plate-forme robotisée d’impression 3D1, utilisant du sol lunaire fritté/fondu comme matériau de construction en raison de son fonctionnement simple et autonome. En raison de l’efficacité du chauffage volumétrique intrinsèque au processus par micro-ondes, le frittage/fusion par micro-ondes est considéré comme une méthode de fabrication viable pour une plateforme d’impression 3D. Cette technique nécessite environ 23 % d’énergie par rapport au frittage laser et réduit les temps de fabrication, comme indiqué en 1,2,3.

Cet article rend compte des résultats d'une série d'expériences de chauffage par micro-ondes sur un simulant de sol lunaire JSC-1A et un simulant de sol lunaire OPRH3N. Les deux simulants ont été soumis à un chauffage par micro-ondes sous vide (10–4 Pa) pour imiter l’environnement lunaire. Cette recherche s’appuie sur les expériences précédentes menées dans des conditions atmosphériques3. Les échantillons ont été fondus en utilisant des puissances d'entrée de 1 000 W, 600 W et 250 W, en utilisant le même appareil micro-ondes sur mesure de 2, 45 GHz décrit en 3. L'objectif est d'étudier comment les microstructures et les résistances mécaniques des échantillons frittés/fondus sont affectées par le vide, en gardant tous les autres paramètres expérimentaux identiques à ceux des expériences précédentes.

Les résultats de ces travaux seront utilisés pour développer une charge utile de chauffage par micro-ondes, actuellement soutenue par l'Agence spatiale britannique (UKSA) et l'Agence spatiale européenne (ESA), qui pourrait potentiellement faire partie d'un démonstrateur d'utilisation des ressources in situ (ISRU). mission d'extraction de ressources basées sur le chauffage et de construction d'habitats à l'aide de la technologie d'impression 3D. Plus précisément, les résultats de ces travaux contribueront à déterminer la puissance d’entrée optimale pour le frittage/fusion par micro-ondes du sol lunaire pour l’impression 3D ; et la puissance d'entrée minimale pour l'extraction des ressources lunaires telles que l'oxygène, l'eau et le fer du sol.