A medida que la industria aeroespacial global entra en una nueva fase que otorga igual importancia al conocimiento y la utilización, los simulantes de regolito lunar de alta fidelidad se han convertido en el material base fundamental para la utilización de recursos in situ (ISRU) lunares y la construcción de bases en la superficie lunar. Aunque los procesos tradicionales de trituración mecánica y tamizado pueden simular las propiedades mecánicas macroscópicas del regolito lunar, no logran replicar las características microestructurales clave formadas durante su meteorización en el espacio profundo, como las partículas metálicas de hierro a nanoescala, los aglutinados y las esférulas vítreas. Esto provoca desviaciones significativas en propiedades físicas como la conductividad térmica y el comportamiento de adsorción/desorción en comparación con el regolito lunar real. La conductividad térmica de los simulantes de regolito lunar preparados mediante métodos tradicionales se desvía más del 100% de la del regolito lunar real, lo que limita gravemente la fiabilidad de la validación en tierra.
El equipo del profesor Tang Junyue y el profesor Jiang Shengyuan de la Universidad Politécnica de Harbin, en colaboración con el Instituto de Geoquímica de la Academia China de Ciencias, la empresa Xi'an North Qinghua Electromechanical Co., Ltd. y otras entidades, publicó los resultados de su investigación en la prestigiosa revista internacional "Aerospace". Presentaron por primera vez una técnica de preparación de simulantes de alta fidelidad basada en detonación de alta energía, logrando replicar con éxito las características de meteorización espacial y las propiedades termofísicas del regolito lunar real en el simulante. Este avance proporciona un punto de referencia material de alta fiabilidad para los proyectos de exploración del espacio profundo de China y ha sido calificado como un progreso histórico en el campo de la preparación de simulantes de regolito lunar.
Reproduciendo la "memoria traumática" de la superficie lunar con la fuerza de la detonación
Las características únicas de meteorización del regolito lunar se originan en la meteorización espacial impulsada por impactos de micrometeoritos. Basándose en este mecanismo de formación del regolito lunar, el equipo de investigación propuso utilizar el campo instantáneo de alta temperatura, alta presión e impacto de alta velocidad generado por la detonación de un explosivo de alta energía dentro de un recipiente sellado para lograr una modificación integral de la materia prima del simulante de regolito lunar.
Parámetros clave del proceso de detonación:
Para verificar la viabilidad de la modificación por detonación, el equipo realizó simulaciones numéricas utilizando el método de Hidrodinámica de Partículas Suavizadas (SPH). Los resultados revelaron con precisión la evolución física instantánea del simulante de regolito lunar bajo la acción de la onda de choque de detonación a escala de microsegundos. A los 4 microsegundos de la detonación, la presión del frente de onda de choque alcanzó los 25,85 GPa, cubriendo más del 50% del área de la muestra; a los 5 microsegundos, la temperatura máxima del sistema alcanzó los 1435,3 K (aproximadamente 1162 °C), superando el umbral de fusión de los minerales de la materia prima, mientras que la temperatura principal se mantuvo en el rango de 600-900 K. Este control de temperatura de alta precisión permite la formación de aglutinados y esférulas vítreas mediante fusión localizada, evitando al mismo tiempo la fusión excesiva que destruiría la composición mineral. Aproximadamente el 10% del área de la muestra mostró una fase vítrea altamente fundida, formando estructuras similares a los aglutinados típicos encontrados en las muestras lunares.
Bajo el control preciso del frente de onda de choque de 25,85 GPa y el campo de temperatura mencionado, se generaron con éxito en el simulante modificado por detonación los característicos aglutinados y esférulas vítreas del regolito lunar. Los aglutinados presentaron morfologías irregulares y una estructura porosa desarrollada. Las características morfológicas de ambos coinciden en gran medida con las muestras de regolito lunar traídas de la cara oculta de la Luna por la misión Chang'e-6, y la proporción de aglutinados y fase vítrea puede ajustarse con precisión regulando la energía de detonación.
Las pruebas de rendimiento termofísico también lograron avances significativos. Mediante el método de flash láser y calorimetría diferencial de barrido, se descubrió que, tras la modificación por detonación, la conductividad térmica del simulante disminuyó aproximadamente un 41% a temperatura ambiente y alrededor de un 50,4% en entornos de baja temperatura. Los valores de conductividad térmica tras la modificación se aproximaron a los valores medidos de las muestras de regolito lunar de las misiones Apolo. La optimización significativa de la conductividad térmica se atribuye a la gran cantidad de resistencia térmica interfacial introducida por las microestructuras de meteorización y al cambio fundamental en las trayectorias de transferencia de calor en fase sólida.
Un salto crucial de la precisión de laboratorio a la ingeniería del espacio profundo
La contribución principal de esta investigación reside en la introducción pionera de la tecnología de detonación de alta energía en la preparación de simulantes de regolito lunar, logrando en un solo paso la simulación integrada de todo el comportamiento de "trituración-fusión-cementación" del proceso de formación del regolito lunar. El simulante modificado preparado se aproxima al regolito lunar real tanto en morfología característica como en propiedades termofísicas, y puede proporcionar una base experimental fiable para tres escenarios clave:
Utilización de Recursos In Situ (ISRU) Lunares: Proporciona una base material realista para la calibración de precisión y la validación preliminar de tecnologías centrales como la extracción de hielo de agua, la producción de oxígeno y la impresión 3D de materiales de construcción.
Construcción en la Superficie Lunar: Cubre la carencia de materiales de prueba de alta fidelidad en la validación de prototipos terrestres para proyectos de construcción en la superficie lunar, como estructuras de protección contra la radiación, módulos de hábitat y pavimentación de plataformas de aterrizaje.
Calibración de Cargas Útiles para Detección de Hielo de Agua: Proporciona una referencia de calibración terrestre de alta fiabilidad para las cargas útiles de detección de hielo de agua de misiones de exploración lunar como la serie Chang'e.
A nivel de promoción industrial, este logro ya cuenta con el respaldo para su desarrollo de ingeniería del proyecto "Métodos y Tecnologías para la Utilización Eficiente de Recursos de Regolito Lunar", una especialidad clave del Plan Nacional de I+D de China "Ciencia de la Ingeniería e Integración Interdisciplinaria" (liderado por la Universidad Politécnica de Harbin con la participación conjunta de múltiples universidades e institutos de investigación). El equipo de investigación declaró que, en el futuro, optimizará sistemáticamente parámetros clave como la masa de la carga explosiva y la configuración del confinamiento para mejorar aún más la consistencia del rendimiento y la tasa de producción del simulante, impulsando la transición de la validación de principios en laboratorio a la aplicación práctica de ingeniería, proporcionando así un sólido soporte técnico para el avance continuo de las misiones de exploración lunar de la serie Chang'e y los proyectos de exploración del espacio profundo de China.