Att frakta byggmaterial från jorden till månen är ohållbart och kan kosta så mycket som en miljon dollar per kilo.
Aleksandra Radlińska, professor i bygg- och miljöteknik vid Pennsylvania State University
Ända sedan Apolloeran har forskare undersökt möjligheterna att bygga på månen. Men det är först under de senaste decennierna som riktigt stora framsteg har gjorts, tack vare nya material, ny simuleringsteknik och utvecklingen av 3D-printning. NASA och andra rymdorganisationer, som europeiska ESA, planerar nu för framtida månbaser som skulle kunna byggas med ett betongliknande material som tillverkas av månens eget stendamm, regolit.
– Regolit är det material vi tänker på när vi ser fotavtrycket från den första människan på månen: det lösa, fragmenterade lagret av småsten, grus och damm som täcker månens yta. Det är ett intressant byggmaterial eftersom det finns i så stora mängder på månen, säger Aleksandra Radlińska, professor i bygg- och miljöteknik, vid Pennsylvania State University.
Till skillnad från jordmånen på vår egen planet innehåller regolit inget organiskt material – det är helt sterilt och har bildats genom miljontals år av meteoritnedslag och solens strålning. På månen består regolit till stor del av krossat berg och glasliknande partiklar, medan det på mars är mer likt sand och vulkanisk aska.
Dyrt att frakta
Tillsammans med sina kollegor forskar Aleksandra Radlińska kring innovativa byggmaterial och metoder, med speciellt fokus på att anpassa dem för extrema miljöer som månen eller mars.
– Att frakta byggmaterial från jorden till månen är ohållbart och kan kosta så mycket som en miljon dollar per kilo. Därför är det avgörande att hitta alternativa material att bygga med på månen och att kunna skapa hållbara, lokala lösningar för framtida utforskande av rymden, säger Aleksandra Radlińska.
Det finns flera olika metoder som undersöks just nu – allt från att smälta regoliten med hög temperatur till att använda stärkelsebaserade bindemedel. Aleksandra Radlińska och hennes kollegor har fokuserat på en metod där man förvandlar regolit till ett hårt byggmaterial genom att tillsätta en kemisk vätska, en så kallad alkaliaktiverare.
– Regoliten reagerar med den kemiska vätskan och bildar ett material som påminner om geopolymerer, det vill säga en typ av icke-organiskt och icke-metalliskt material som kan producera hårda, keramikliknande material.
Funkar som betong
Geopolymerer är kända för sin förmåga att bilda bindemedel med egenskaper som liknar dem hos portlandcement.
– I praktiken fungerar det som betong – det härdar och blir starkt nog att bygga med. Vissa komponenter för den alkaliska lösningen kan extraheras direkt ur regoliten, men en del skulle behöva transporteras från jorden, dock i mycket mindre mängder jämfört med om man skulle transportera allt byggmaterial, påpekar hon.
Stora temperaturskillnader
Men en extra utmaning är att härda materialet på månen, där temperaturen kan variera mellan -173 och +127 grader Celsius och där det råder vakuum eftersom det saknas atmosfär. En möjlig lösning är att använda mikrovågor för att tillföra den energi som krävs för att få materialet att stelna mycket snabbt. Sven Bilén, professor i ingenjörsdesign, elektroteknik och flygteknik, samarbetar med Aleksandra Radlińska för att utveckla en metod där mikrovågor används för att förbehandla regoliten och få månbetongen att härda.
– Genom att använda kraftfull mikrovågsteknik kan vi smälta de vassa kanterna på regoliten, vilket gör den bättre lämpad för att tillverka månbetong – på samma sätt som natursand generellt är lättare att arbeta med än krossad sand i betong på jorden. Dessutom kräver geopolymerer värme för att härda, och vi kan hetta upp vår månregolit på ett sätt som liknar hur vi lagar mat i en vanlig mikrovågsugn, förklarar Sven Bilén.
Forskarna har även undersökt vid vilket tryck denna process måste ske, eftersom det inte kan ske i vakuum.
– Avsaknaden av atmosfär gör att de kemiska och fysikaliska reaktionerna förändras vid härdning. Därför har vi tittat på att sätta upp tillfälliga, uppblåsbara byggnader, där trycket är reducerat och som sedan kan fällas ihop och återanvändas, säger Sven Bilén.
3D-printade byggnader av månbetong
När regolitbetongen väl är tillverkad ska själva byggnaden uppföras med hjälp av 3D-printing. Via en robotarm skrivs byggnaden ut lager för lager direkt på plats. Den här tekniken gör det möjligt att bygga allt från bostäder till landningsbanor på månen.
– 3D-printning är perfekt för en miljö som månens, eftersom vi kan skapa strukturer utan att behöva montera byggnadsdelar för hand. En robotarm pressar ut den regolitbaserade betongen genom ett munstycke och formar konstruktionen, säger Sven Bilén.
Positiv trots utmaningar
Att bygga på månen skiljer sig på flera sätt från att bygga på jorden. Förutom att gravitationen bara är en sjättedel av jordens, vilket påverkar blandning, härdning och hållfasthet, så är vatten mycket sällsynt och måste därför ersättas eller kunna återvinnas.
– En annan stor utmaning är att konstruktionerna på månen kommer att ha ett inre övertryck eftersom det inte finns någon atmosfär utanför. Det betyder att väggarna måste klara av att hantera dragkrafter i stället för tryck, i motsats till hur det är när vi bygger på jorden, säger Aleksandra Radlińska.
Men trots utmaningarna ser hon och Sven Bilén ljust på framtiden och möjligheterna för människan kunna bosätta sig på månen inom en överskådlig tid.
– Jag ser det som fullt realistiskt att vi kommer ha mindre, regolitbaserade byggnader på månen redan inom det kommande decenniet. De första byggnaderna kommer sannolikt att vara skyddande kupoler och modulära bostäder, avslutar Aleksandra Radlińska.
Tack till Ingemar Lofgren på Thomas Betong AB som varit initiativtagare och faktagranskare av artikeln.
