Bygger du på månen og Mars? Du skal bruge udenjordisk cement til det

Vedvarende rumudforskning vil kræve infrastruktur, der ikke eksisterer i øjeblikket:bygninger, boliger, raketlandingspuder.

Så hvor henvender du dig efter byggematerialer, når de er for store til at passe i din håndbagage, og der ikke er noget Home Depot i det ydre rum?

"Hvis vi skal bo og arbejde på en anden planet som Mars eller månen, er vi nødt til at lave beton. Men vi kan ikke tage sække med beton med os - vi skal bruge lokale ressourcer," sagde Norman Wagner, Unidel Robert L. Pigford, formand for Chemical and Biomolecular Engineering ved University of Delaware.

Forskere udforsker måder at bruge lerlignende muldjordsmaterialer fra månen eller Mars som grundlag for udenjordisk cement. For at lykkes vil det kræve et bindemiddel til at lime de udenjordiske udgangsmaterialer sammen gennem kemi. Et krav til dette byggemateriale, der ikke er af denne verden, er, at det skal være holdbart nok til de lodrette affyringsramper, der er nødvendige for at beskytte menneskeskabte raketter mod hvirvlende sten, støv og andet snavs under løft eller landing. De fleste konventionelle byggematerialer, såsom almindelig cement, er ikke egnede under pladsforhold.

UD's Wagner og kolleger arbejder på dette problem og har med succes konverteret simuleret måne- og marsjord til geopolymercement, som anses for at være en god erstatning for konventionel cement. Forskerholdet skabte også en ramme til at sammenligne forskellige typer geopolymercementer og deres egenskaber og rapporterede resultaterne i Advances in Space Research . Arbejdet blev fremhævet for nylig i Advances in Engineering .

Geopolymercement

Geopolymerer er uorganiske polymerer dannet af aluminosilikatmineraler, der findes i almindelige lerarter overalt fra Newark, Delawares White Clay Creek til Afrika. Når det blandes med et opløsningsmiddel, der har en høj pH-værdi, såsom natriumsilikat, kan leret opløses, hvilket frigør aluminium og silicium indeni for at reagere med andre materialer og danne nye strukturer - som cement.

Jord på månen og Mars indeholder også almindeligt ler.

Dette fik Maria Katzarova, en tidligere associeret videnskabsmand og medlem af Wagners laboratorium ved UD, til at spekulere på, om det var muligt at aktivere simuleret måne- og marsjord til at blive betonlignende byggematerialer ved hjælp af geopolymerkemi. Hun foreslog ideen til NASA og opnåede finansiering via Delaware Space Grant Consortium for at prøve med hjælp og ekspertise fra den daværende UD-doktorand Jennifer Mills, som studerede jordbaserede geopolymerer til sin doktorafhandling. Forskerne forberedte systematisk geopolymerbindemidler fra en række kendte simulerede jordarter på nøjagtig samme måde og sammenlignede materialernes ydeevne, hvilket ikke var blevet gjort før.

"Dette er ikke en triviel ting. Du kan ikke bare sige giv mig noget gammelt ler, så får jeg det til at fungere. Der er målinger i det, kemi, som du skal bekymre dig om," sagde Wagner.

Forskerne blandede forskellige simulerede jordarter med natriumsilikat, støbte derefter geopolymerblandingen i isterninglignende forme og ventede på, at reaktionen skulle opstå. Efter syv dage målte de hver ternings størrelse og vægt og knuste den derefter for at forstå, hvordan materialet opfører sig under belastning. Specifikt ønskede de at vide, om små forskelle i kemi mellem simulerede jordarter påvirkede materialets styrke.

"Når en raket letter, er der en masse vægt, der skubber ned på landingspuden, og betonen skal holde, så materialets trykstyrke bliver en vigtig målestok," sagde Wagner. "I det mindste på Jorden var vi i stand til at lave materialer i små terninger, der havde den trykstyrke, der er nødvendig for at udføre arbejdet."

Forskerne beregnede også, hvor meget jordbaseret materiale astronauter skulle tage med sig for at bygge en landingsplads på månens eller Mars' overflade. Det viser sig, at den anslåede mængde ligger godt inden for nyttelastområdet for en raket, alt fra hundreder til tusindvis af kilogram.

Simulering af pladsforhold

Forskerholdet udsatte også prøverne for forskellige miljøer til stede i rummet, herunder vakuum og lave og høje temperaturer. Det, de fandt, var informativt.

Under vakuum dannede nogle af materialeprøverne cement, mens andre kun var delvist vellykkede. Men samlet set faldt geopolymercementens trykstyrke under vakuum sammenlignet med geopolymerterninger hærdet ved stuetemperatur og -tryk. Dette rejser nye overvejelser afhængigt af materialets formål.

"Der vil være en afvejning mellem, om vi skal støbe disse materialer i et tryksat miljø for at sikre, at reaktionen danner det stærkeste materiale, eller om vi kan slippe afsted med at danne dem under vakuum, det normale miljø på månen eller Mars, og opnå noget, der er godt nok," sagde Mills, der tog sin doktorgrad i kemiingeniør ved UD i maj 2022 og nu arbejder hos Dow Chemical Company.

I mellemtiden, under lave temperaturer på omkring -80 grader Celsius, reagerede geopolymermaterialerne slet ikke.

"Dette fortæller os, at vi muligvis skal bruge en slags accelerator for at opnå den styrke, vi ser ved stuetemperatur," sagde Mills. "Måske skal geopolymeren opvarmes, eller måske skal vi tilføje noget andet til blandingen for at kickstarte reaktionen til bestemte applikationer eller miljøer."

Ved høje temperaturer, omkring 600 grader Celsius, fandt forskerne ud af, at hver månelignende prøve blev stærkere. Dette var ikke overraskende, sagde Mills, i betragtning af hvordan kinetikken blev forhindret ved lave temperaturer. Forskerholdet så også ændringer i den fysiske natur af geopolymercementen under varme.

"Geopolymer-klodserne blev meget mere sprøde, når vi varmede dem op, knuste i modsætning til at blive komprimerede eller knække i to," sagde Mills. "Det kan være vigtigt, hvis materialet skal udsættes for enhver form for ydre pres."

Baseret på deres resultater sagde forskerne, at kemisk sammensætning og partikelstørrelse kan spille en vigtig rolle for materialets styrke. For eksempel øger mindre partikler det tilgængelige overfladeareal, hvilket gør dem lettere at reagere og potentielt føre til større samlet materialestyrke. En anden mulig faktor:mængden af ​​aluminosilikatindhold i udgangsmaterialerne, som kan være vanskelig at estimere, når tilsatte opløsninger også kan indeholde små koncentrationer af disse materialer og bidrage til materialets ydeevne.

Hvad betyder det hele?

Nå, Amazon tilbyder ikke to-dages levering til rummet, så design af den rigtige formulering af udgangsmaterialer til at tage sagen. Det er også vigtigt at forstå, hvad der påvirker materialets styrke, da astronauter vil hente vores muldjordsmaterialer fra forskellige steder på planeterne – og måske endda helt forskellige planeter.

Disse resultater kan også bruges til at fremstille geopolymercementer på Jorden, der er bedre for miljøet og kan hentes fra en bredere vifte af lokale materialer. Geopolymercementer kræver også mindre vand, end der er nødvendigt for at lave traditionel cement, fordi vandet i sig selv ikke forbruges i reaktionen. I stedet kan vandet genvindes og genbruges, et plus i vandbegrænsede miljøer fra tørre jordiske landskaber til det ydre rum.

I dag udforsker to af Wagners nuværende kandidatstuderende måder at bruge geopolymercementer til at 3D-printe huse på og til at aktivere geopolymermaterialer ved hjælp af mikrobølgeteknologi. Arbejdet er et samarbejdsprojekt med forskere ved Northeastern og Georgetown universiteter. I lighed med de mikrobølger, du bruger til at genopvarme din morgenkaffe, kan mikrobølgeopvarmning accelerere geopolymerhærdning og kan en dag give en måde for jordbaserede bygherrer - eller astronauter - til at hærde geopolymerbeton på en målrettet måde. + Udforsk yderligere

Flyveaske geopolymerbeton:Betydeligt forbedret modstandsdygtighed over for ekstremt alkaliangreb