Aanhoudende verkenning van de ruimte vereist infrastructuur die momenteel niet bestaat:gebouwen, woningen, raketlandingsplatforms.

Dus waar wend je je voor bouwmaterialen als ze te groot zijn om in je handbagage te passen en er geen Home Depot in de ruimte is?

"Als we op een andere planeet zoals Mars of de maan gaan wonen en werken, moeten we beton maken. Maar we kunnen geen zakken beton meenemen - we moeten lokale hulpbronnen gebruiken", zegt Norman Wagner, Unidel Robert L. Pigford Leerstoel Chemische en Biomoleculaire Engineering aan de Universiteit van Delaware.

Onderzoekers onderzoeken manieren om klei-achtige bovengrondse materialen van de maan of Mars te gebruiken als basis voor buitenaards cement. Om te slagen, is een bindmiddel nodig om de buitenaardse uitgangsmaterialen door middel van chemie aan elkaar te lijmen. Een vereiste voor dit buitenaardse constructiemateriaal is dat het duurzaam genoeg moet zijn voor de verticale lanceerplatforms die nodig zijn om door de mens gemaakte raketten te beschermen tegen wervelende stenen, stof en ander puin tijdens het opstijgen of landen. De meeste conventionele bouwmaterialen, zoals gewoon cement, zijn niet geschikt onder ruimteomstandigheden.

Wagner en collega's van UD werken aan dit probleem en hebben met succes gesimuleerde maan- en Marsbodems omgezet in geopolymeercement, dat wordt beschouwd als een goed alternatief voor conventioneel cement. Het onderzoeksteam creëerde ook een raamwerk om verschillende soorten geopolymeercementen en hun kenmerken te vergelijken en rapporteerde de resultaten in Advances in Space Research . Het werk werd onlangs belicht in Advances in Engineering .

Geopolymeer cement

Geopolymeren zijn anorganische polymeren gevormd uit aluminosilicaatmineralen die overal in gewone klei worden aangetroffen, van Newark, Delaware's White Clay Creek tot Afrika. Wanneer het wordt gemengd met een oplosmiddel met een hoge pH, zoals natriumsilicaat, kan de klei worden opgelost, waardoor het aluminium en silicium binnenin vrijkomt om te reageren met andere materialen en nieuwe structuren te vormen, zoals cement.

Bodems op de maan en Mars bevatten ook gewone klei.

Dit deed Maria Katzarova, een voormalig associate scientist en lid van Wagner's lab bij UD, zich afvragen of het mogelijk was om gesimuleerde maan- en Marsbodems te activeren om betonachtige bouwmaterialen te worden met behulp van geopolymeerchemie. Ze stelde het idee voor aan NASA en verkreeg financiering via het Delaware Space Grant Consortium om het te proberen met de hulp en expertise van de toenmalige UD-promovendus Jennifer Mills, die terrestrische geopolymeren bestudeerde voor haar proefschrift. De onderzoekers bereidden systematisch geopolymeerbindmiddelen op dezelfde exacte manier uit een verscheidenheid aan bekende gesimuleerde bodems en vergeleken de prestaties van de materialen, wat nog niet eerder was gedaan.

"Dit is geen triviaal iets. Je kunt niet zomaar zeggen geef me een oude klei, en ik zal het laten werken. Er zijn statistieken, chemie waar je je zorgen over moet maken," zei Wagner.

De onderzoekers mengden verschillende gesimuleerde bodems met natriumsilicaat en wierpen het geopolymeermengsel vervolgens in ijsblokjesachtige mallen en wachtten tot de reactie plaatsvond. Na zeven dagen maten ze de grootte en het gewicht van elke kubus en verpletterden ze vervolgens om te begrijpen hoe het materiaal zich onder belasting gedraagt. Ze wilden met name weten of kleine verschillen in chemie tussen gesimuleerde bodems de sterkte van het materiaal beïnvloedden.

"Wanneer een raket opstijgt, drukt er veel gewicht op het landingsplatform en het beton moet vasthouden, dus de druksterkte van het materiaal wordt een belangrijke maatstaf", zei Wagner. "In ieder geval op aarde waren we in staat om materialen te maken in kleine kubussen die de druksterkte hadden die nodig was om het werk te doen."

De onderzoekers berekenden ook hoeveel terrestrisch materiaal astronauten mee zouden moeten nemen om een ​​landingsplaats te bouwen op het oppervlak van de maan of Mars. Het blijkt dat de geschatte hoeveelheid ruim binnen het laadvermogen van een raket ligt, ergens tussen honderden en duizenden kilo's.

Ruimteomstandigheden simuleren

Het onderzoeksteam heeft de monsters ook onderworpen aan verschillende omgevingen in de ruimte, waaronder vacuüm en lage en hoge temperaturen. Wat ze vonden was informatief.

Onder vacuüm vormden sommige materiaalmonsters wel cement, terwijl andere slechts gedeeltelijk succesvol waren. Over het algemeen nam de druksterkte van het geopolymeercement onder vacuüm echter af in vergelijking met kubussen van geopolymeer die bij kamertemperatuur en onder druk werden uitgehard. Dit roept nieuwe overwegingen op, afhankelijk van het doel van het materiaal.

"Er zal een afweging zijn tussen of we deze materialen in een omgeving onder druk moeten gieten om ervoor te zorgen dat de reactie het sterkste materiaal vormt, of dat we weg kunnen komen door ze onder vacuüm te vormen, de normale omgeving op de maan of Mars, en bereiken iets dat goed genoeg is", zegt Mills, die in mei 2022 haar doctoraat in chemische technologie behaalde aan de UD en nu werkt bij Dow Chemical Company.

Ondertussen reageerden de geopolymeermaterialen bij lage temperaturen van ongeveer -80 graden Celsius helemaal niet.

"Dit vertelt ons dat we misschien een soort versneller moeten gebruiken om de sterkte te bereiken die we bij kamertemperatuur zien," zei Mills. "Misschien moet het geopolymeer worden verwarmd, of misschien moeten we iets anders aan de mix toevoegen om de reactie voor bepaalde toepassingen of omgevingen op gang te brengen."

Bij hoge temperaturen, ongeveer 600 graden Celsius, ontdekten de onderzoekers dat elk maanachtig monster sterker werd. Dit was niet verrassend, zei Mills, gezien hoe de kinetiek werd belemmerd bij lage temperaturen. Het onderzoeksteam zag ook veranderingen in de fysieke aard van het geopolymeercement onder hitte.

"De geopolymeerstenen werden veel brozer toen we ze opwarmden, verbrijzelden in plaats van samengeperst te worden of in tweeën te breken," zei Mills. "Dat kan belangrijk zijn als het materiaal aan enige vorm van externe druk wordt blootgesteld."

Op basis van hun resultaten zeiden de onderzoekers dat chemische samenstelling en deeltjesgrootte een belangrijke rol kunnen spelen in de materiaalsterkte. Kleinere deeltjes vergroten bijvoorbeeld het beschikbare oppervlak, waardoor ze gemakkelijker reageren en mogelijk leiden tot een grotere algehele materiaalsterkte. Een andere mogelijke factor:de hoeveelheid aluminosilicaatgehalte in de uitgangsmaterialen, die lastig in te schatten kan zijn wanneer toegevoegde oplossingen ook kleine concentraties van deze materialen kunnen bevatten en bijdragen aan de materiaalprestaties.

Wat betekent het allemaal?

Welnu, Amazon biedt geen tweedaagse levering aan de ruimte, dus het ontwerpen van de juiste formulering van uitgangsmaterialen om zaken te doen. Begrijpen wat de materiële sterkte beïnvloedt, is ook belangrijk, aangezien astronauten onze bovengrondse materialen van verschillende plaatsen op planeten zullen betrekken - en misschien zelfs van verschillende planeten.

Deze resultaten kunnen ook worden gebruikt om geopolymeercementen op aarde te maken die beter zijn voor het milieu en die kunnen worden verkregen uit een grotere verscheidenheid aan lokale materialen. Geopolymeercementen hebben minder water nodig dan nodig is om ook traditioneel cement te maken, omdat het water zelf niet wordt verbruikt bij de reactie. In plaats daarvan kan het water worden teruggewonnen en hergebruikt, een pluspunt in waterarme omgevingen, van dorre aardse landschappen tot de ruimte.

Vandaag onderzoeken twee van de huidige afgestudeerde studenten van Wagner manieren om geopolymeercementen te gebruiken om huizen te 3D-printen en om geopolymeermaterialen te activeren met behulp van microgolftechnologie. Het werk is een samenwerkingsproject met onderzoekers van de universiteiten van Northeastern en Georgetown. Net als de microgolven die je gebruikt om je ochtendkoffie op te warmen, kan microgolfverwarming de uitharding van geopolymeer versnellen en op een dag een manier bieden voor terrestrische bouwers - of astronauten - om geopolymeerbeton op een gerichte manier te genezen. + Verder verkennen

Vliegas geopolymeerbeton:aanzienlijk verbeterde weerstand tegen extreme alkalische aanvallen