Als mensen naar de maan of Mars gaan om te blijven, ze zullen veilige plekken moeten bouwen om te wonen en te werken. Het meest gebruikte bouwmateriaal op aarde, beton, kan het antwoord zijn. Het is sterk en duurzaam genoeg om bescherming te bieden tegen kosmische straling en meteorieten en het kan mogelijk zijn om het te maken met behulp van materialen die beschikbaar zijn op deze hemellichamen.

Beton is een mengsel van zand, grind en rotsen aan elkaar gelijmd met een pasta gemaakt van water en cementpoeder. Hoewel dat eenvoudig klinkt, het proces is vrij ingewikkeld, en wetenschappers hebben nog steeds vragen over de chemie en microscopische structuren die erbij betrokken zijn en hoe veranderingen in de zwaartekracht het proces kunnen beïnvloeden.

Een recent onderzoek op het internationale ruimtestation ISS onderzocht cementstolling in microzwaartekracht om die vragen te helpen beantwoorden. Voor het project Microgravity Investigation of Cement Solidification (MICS), onderzoekers gemengd tricalciumsilicaat (Ca ₃ SiO ₅ of C ₃ S) en voor het eerst water buiten de zwaartekracht van de aarde. Het belangrijkste minerale bestanddeel van het meeste in de handel verkrijgbare cement, C ₃ S regelt veel van zijn chemische reacties en eigenschappen. MICS onderzocht of het stollen van cement in microzwaartekracht zou resulteren in unieke microstructuren en zorgde voor een eerste vergelijking van cementmonsters die op de grond en in microzwaartekracht werden verwerkt.

De onderzoekers rapporteerden hun resultaten in een paper gepubliceerd in Frontiers in Materials, "Microzwaartekrachteffect op microstructurele ontwikkeling van tricalciumsilicaat (C ₃ S) Plakken."

"Op missies naar de maan en Mars, mensen en apparatuur moeten worden beschermd tegen extreme temperaturen en straling, en de enige manier om dat te doen is door infrastructuren te bouwen op deze buitenaardse omgevingen, "Zei hoofdonderzoeker Aleksandra Radlinska van de Pennsylvania State University. "Een idee is bouwen met een betonachtig materiaal in de ruimte. Beton is erg stevig en biedt een betere bescherming dan veel materialen."

Een ander belangrijk voordeel van beton is dat ontdekkingsreizigers het theoretisch zouden kunnen maken met middelen die beschikbaar zijn op die buitenaardse lichamen, zoals stof op de maan, ook wel maanregoliet genoemd. Dat zou de noodzaak elimineren om bouwmaterialen naar de maan of Mars te transporteren, kosten aanzienlijk verminderen.

Wetenschappers weten hoe beton zich gedraagt ​​en uithardt op aarde, maar weet nog niet of het proces hetzelfde is in de ruimte. "Hoe zal het uitharden? Wat zal de microstructuur zijn?" zei Radlinska. "Dat zijn de vragen die we proberen te beantwoorden."

De onderzoekers creëerden een reeks mengsels die het type cementpoeder varieerden, aantal en soort additieven, hoeveelheid water, en tijd toegestaan ​​voor hydratatie. Aangezien de korrels van cementpoeder oplossen in water, hun moleculaire structuur verandert. Kristallen vormen zich door het mengsel en grijpen in elkaar. Bij de eerste evaluatie, de monsters die op het ruimtestation zijn verwerkt, vertonen aanzienlijke veranderingen in de microstructuur van cement in vergelijking met die op aarde. Een primair verschil was verhoogde porositeit, of de aanwezigheid van meer open ruimtes. "Verhoogde porositeit heeft directe invloed op de sterkte van het materiaal, maar we moeten de sterkte van het in de ruimte gevormde materiaal nog meten, ' zei Radlinska.

"Hoewel beton al zo lang op aarde wordt gebruikt, we begrijpen nog steeds niet noodzakelijk alle aspecten van het hydratatieproces. Nu weten we dat er enkele verschillen zijn tussen systemen op aarde en in de ruimte en we kunnen die verschillen onderzoeken om te zien welke gunstig zijn en welke nadelig zijn voor het gebruik van dit materiaal in de ruimte. "zei Radlinska. "Ook, de monsters zaten in verzegelde zakjes, dus een andere vraag is of ze extra complexiteit zouden hebben in een open ruimte-omgeving."

De microzwaartekrachtomgeving van het station is van cruciaal belang voor deze eerste blikken op hoe cement kan hydrateren op de maan en Mars. Een centrifuge aan boord kan de zwaartekracht van die buitenaardse lichamen simuleren, iets wat op aarde niet mogelijk is. Evaluatie van cementmonsters met gesimuleerde maandeeltjes die aan boord van het in een baan om de aarde draaiende laboratorium op verschillende zwaartekrachtniveaus zijn verwerkt, is momenteel aan de gang.

Aantonen dat beton kan uitharden en zich in de ruimte kan ontwikkelen, is een belangrijke stap in de richting van die eerste structuur die op de maan is gebouwd met materialen van de maan. "We hebben de hypothese bevestigd dat dit kan, "Zei Radlinska. "Nu kunnen we volgende stappen nemen om bindmiddelen te vinden die specifiek zijn voor de ruimte en voor variabele niveaus van zwaartekracht, van nul g tot Mars g en daartussenin."