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Recycling für den Mond: Plastikmüll und Mondstaub werden zu 3D-Druckmaterial
Recycling im All: Ein Gemisch aus wiederverwertetem Hochleistungskunststoff und künstlichem Mondstaub lässt sich im 3D-Drucker zu Werkzeugen und stoßdämpfenden Bauteilen formen. Die mineralischen Körnchen verhindern zudem, dass sich die gedruckten Teile bei der Wärmebehandlung stark verziehen. Allerdings wird der Verbundwerkstoff spröder, und seine Eignung unter echten Mondbedingungen ist noch ungeprüft.
Montréal (Kanada). Raumfahrt zum Mond hat ein Materialproblem: Für Reparaturen, technische Anlagen und künftige Außenposten muss fast alles zunächst von der Erde anreisen. Auf einer Mondbasis wäre es deshalb hilfreich, verschlissene Kunststoffteile nicht wegzuwerfen, sondern direkt zu neuen Gegenständen zu verarbeiten. Doch dafür braucht es ein Verfahren, das auch unter knappen Ressourcen zuverlässig funktioniert.
Ein naheliegender Rohstoff liegt bereits an Ort und Stelle: Regolith, die staubige und körnige Gesteinsschicht auf der Mondoberfläche. Dieser könnte zusammen mit Kunststoffabfällen als Ausgangsstoff für den 3D-Druck dienen. Bisher war allerdings unklar, wie sich eine solche Mischung verarbeiten lässt und welche Belastungen das fertige Material aushält.
Forscher der Concordia University um Farshad Malekpour haben nun untersucht, ob sich bereits verwendeter Polyetherketonketon-Kunststoff (PEKK) mit einem künstlichen Mondboden mischen lässt. PEKK ist ein hitzebeständiger Hochleistungskunststoff, der auch für Raumfahrtanwendungen interessant ist. Die Wissenschaftler wollten daraus nicht nur neue Teile drucken, sondern auch prüfen, ob das Ausgangsmaterial nach der Wiederverwertung wichtige Eigenschaften behält.
Als Ausgangsstoff nutzte das Team PEKK aus ausgedienten sogenannten Opferstrukturen. Solche Bauteile sollen bei einer Belastung gezielt nachgeben und dabei Bewegungsenergie aufnehmen, etwa als denkbare Dämpfungselemente bei einer Mondlandung. Die Forscher zerkleinerten den Kunststoff, trockneten ihn und mischten ihm 30 Gewichtsprozent künstlich hergestellten Regolith bei.
Anschließend verarbeiteten sie die Mischung zu einem dünnen Kunststofffaden, der sich im 3D-Drucker schichtweise auftragen lässt. Daraus entstanden standardisierte Prüfstücke, eine gitterförmige Struktur mit verschlungenen Hohlräumen und ein Schraubenschlüssel mit Ratschenmechanismus. So ließ sich sowohl die Belastbarkeit des Werkstoffs als auch seine praktische Formbarkeit untersuchen.
Das Team prüfte die Proben auf Wärmebeständigkeit, Zugfestigkeit, Biegsamkeit und Druckbelastung. Einige Bauteile wurden zusätzlich nachträglich erhitzt, um ihre innere Kunststoffstruktur zu verändern. Der Mondstaub-Ersatz zeigte dabei eine besondere Wirkung, die für den 3D-Druck entscheidend sein könnte.
Die zugesetzten Gesteinskörner verringerten das Schrumpfen und Verziehen der gedruckten Teile während der Wärmebehandlung. Zugleich setzte die Kristallbildung im PEKK schon bei niedrigeren Temperaturen ein. Das könnte die Nachbehandlung erleichtern, während die grundlegende thermische Stabilität und das viskoelastische Verhalten, also die Reaktion auf Verformung, erhalten blieben.
Doch die mineralische Beimischung hatte einen Preis: Im Verbundwerkstoff bildeten sich mehr kleine Hohlräume als im reinen Kunststoff. Dadurch wurde das Material spröder. Wie viel Zug- und Biegebelastung es aushielt, hing außerdem davon ab, in welcher Richtung die einzelnen Druckschichten verliefen und wie gut sie miteinander verbunden waren.
Auch bei den gedruckten Gittern zeigte sich ein deutlicher Unterschied. Ohne nachträgliche Wärmebehandlung konnten sie sich unter langsam steigendem Druck schrittweise zusammendrücken und dabei viel Energie aufnehmen. Nach dem Erhitzen waren die Strukturen steifer, verloren aber an Verformbarkeit. Für Bauteile, die einen Stoß abfedern sollen, ist das ein wichtiger Zielkonflikt.