Com a entrada da indústria aeroespacial global numa nova fase de "ênfase igual em conhecimento e utilização", os simulantes de regolito lunar de alta similaridade tornaram-se materiais de base essenciais para a Utilização de Recursos In-Situ Lunares (ISRU) e a construção de bases na superfície lunar. Embora os processos tradicionais de britagem e peneiramento mecânico possam simular as propriedades macro-mecânicas do regolito lunar, não conseguem replicar as suas características microestruturais chave, como as partículas metálicas de ferro à nanoescala, os aglutinantes e as esférulas vítreas formadas durante o processo de meteorização espacial profunda. Isto leva a desvios significativos nas propriedades físicas do simulante, como a condutividade térmica e o comportamento de adsorção/dessorção, em comparação com o regolito lunar real. A condutividade térmica dos simulantes de regolito lunar preparados por métodos tradicionais desvia-se mais de 100% da do regolito lunar real, limitando severamente a fiabilidade da validação em terra.

A equipa dos Professores Tang Junyue e Jiang Shengyuan do Instituto de Tecnologia de Harbin, em colaboração com o Instituto de Geoquímica da Academia Chinesa de Ciências, a Xi'an North Qinghua Electromechanical Co., Ltd. e outras entidades, publicou resultados de investigação na revista internacional de renome "Aerospace", propondo pela primeira vez uma técnica de preparação de simulantes de alta similaridade baseada em detonação de alta energia. Esta técnica replica com sucesso as características de meteorização espacial e as propriedades termofísicas do regolito lunar real no simulante. Este avanço fornece uma referência material de alta confiabilidade para os projetos de exploração do espaço profundo da China, sendo considerado um progresso marcante no campo da preparação de simulantes de regolito lunar.

Recriando a "memória traumática" da superfície lunar com o poder da detonação

As características únicas de meteorização do regolito lunar resultam da meteorização espacial impulsionada por impactos de micrometeoritos. Com base neste mecanismo de formação do regolito lunar, a equipa de investigação propôs a utilização do campo instantâneo de alta temperatura, alta pressão e impacto de alta velocidade gerado pela detonação de um alto explosivo num recipiente selado para conseguir a modificação integrada da matéria-prima do simulante de regolito lunar.

Parâmetros centrais do processo de detonação:

Para verificar a viabilidade da modificação por detonação, a equipa utilizou o método de Hidrodinâmica de Partículas Suavizadas (SPH) para simulação numérica. Os resultados revelaram com precisão a evolução física instantânea do simulante de regolito lunar sob a ação da onda de choque de detonação à escala de microssegundos. Aos 4 microssegundos de detonação, a pressão na frente da onda de choque pode atingir 25,85 GPa, cobrindo mais de 50% da área da amostra; aos 5 microssegundos, a temperatura de pico do sistema atinge 1435,3 K (aproximadamente 1162 °C), excedendo o limiar de fusão dos minerais da matéria-prima, enquanto a temperatura do corpo principal se mantém no intervalo de 600-900 K. Este controlo de temperatura de alta precisão permite a formação de aglutinantes e esférulas vítreas através de fusão localizada, evitando ao mesmo tempo a fusão excessiva que destruiria a composição mineral — cerca de 10% da área da amostra apresentou uma fase vítrea altamente fundida, formando estruturas semelhantes aos aglutinantes típicos encontrados em amostras lunares.

Sob o controlo preciso da frente de onda de choque de 25,85 GPa e do campo de temperatura acima mencionado, o simulante modificado por detonação gerou com sucesso os aglutinantes e esférulas vítreas característicos do regolito lunar. Os aglutinantes apresentam morfologia irregular e uma estrutura porosa desenvolvida. As características morfológicas de ambos são altamente consistentes com as amostras de regolito lunar do lado oculto da Lua trazidas pela missão Chang'e-6, e a proporção de aglutinantes e fase vítrea pode ser ajustada com precisão através do controlo da energia de detonação.

Os testes de desempenho termofísico também registaram progressos significativos. Testes utilizando o método de flash de laser e calorimetria diferencial de varrimento revelaram que, após a modificação por detonação, a condutividade térmica do simulante à temperatura ambiente diminuiu cerca de 41%, e a condutividade térmica em ambiente de baixa temperatura diminuiu cerca de 50,4%. Os valores de condutividade térmica após a modificação aproximaram-se dos valores medidos em amostras de regolito lunar das missões Apollo. A otimização significativa da condutividade térmica é atribuída à introdução de numerosas resistências térmicas interfaciais pelas microestruturas de meteorização e à alteração fundamental dos caminhos de transferência de calor na fase sólida.

O salto crucial da precisão laboratorial para a engenharia do espaço profundo

A contribuição central deste estudo reside na introdução pioneira da tecnologia de detonação de alta energia na preparação de simulantes de regolito lunar, conseguindo, numa única etapa, a simulação integrada de todo o comportamento de "fragmentação-fusão-aglutinação" do processo de formação do regolito lunar. O simulante modificado preparado aproxima-se do regolito lunar real tanto na morfologia característica como nas propriedades termofísicas, podendo fornecer uma base de teste fiável para três cenários-chave:

Utilização de Recursos In-Situ Lunares (ISRU): Fornece uma base material realista para a calibração de precisão e validação preliminar de tecnologias essenciais como a extração de gelo de água, produção de oxigénio e materiais de construção por impressão 3D;

Construção na superfície lunar: Preenche a lacuna de materiais de teste de alta similaridade na prototipagem e validação em terra de projetos de engenharia de construção na superfície lunar, como estruturas de proteção contra radiação, módulos de habitat e pavimentação de plataformas de aterragem;

Calibração de cargas úteis para deteção de gelo de água: Fornece uma referência de calibração e aferição em terra de alta confiabilidade para as cargas úteis de deteção de gelo de água das missões de exploração lunar, como a série Chang'e.

A nível de promoção industrial, este resultado já recebeu apoio para engenharia do projeto "Métodos e Tecnologias para a Utilização Eficiente de Recursos de Regolito Lunar", uma especialidade-chave do "Cruzamento entre Ciências da Engenharia e Abordagens Integradas" do Programa Nacional de I&D da China (liderado pelo Instituto de Tecnologia de Harbin com a participação conjunta de várias universidades e institutos de investigação). A equipa de investigação afirmou que, no futuro, irá otimizar sistematicamente parâmetros-chave como a massa da carga explosiva e a configuração do confinamento, para melhorar ainda mais a consistência do desempenho e o rendimento da preparação do simulante, promovendo a transição da validação do princípio laboratorial para a aplicação prática em engenharia, fornecendo um suporte técnico sólido para o avanço contínuo das missões de exploração lunar da série Chang'e e dos projetos de exploração do espaço profundo da China.