|
Строительство на Луне и Марсе. Вам понадобится внеземной цемент
|
|
|
|
Для устойчивого освоения космоса потребуется инфраструктура, которой в настоящее время не существует: здания, жилье, стартовые площадки для ракет. Итак, куда вы обращаетесь за строительными материалами, когда они слишком велики, чтобы поместиться в вашей ручной клади, а в космосе нет Home Depot? «Если мы собираемся жить и работать на другой планете, такой как Марс или Луна, нам нужно делать бетон. Но мы не можем брать с собой мешки с бетоном — нам нужно использовать местные ресурсы», — сказал Норман Вагнер, Unidel. Роберт Л. Пигфорд, заведующий кафедрой химической и биомолекулярной инженерии Делавэрского университета.
|
|
|
|
Исследователи изучают способы использования глиноподобных материалов верхнего слоя почвы с Луны или Марса в качестве основы для внеземного цемента. Для успеха потребуется связующее, чтобы склеить внеземные исходные материалы с помощью химии. Одно из требований к этому необычному строительному материалу заключается в том, что он должен быть достаточно прочным для вертикальных стартовых площадок, необходимых для защиты искусственных ракет от вращающихся камней, пыли и другого мусора во время взлета или посадки. Большинство обычных строительных материалов, таких как обычный цемент, не подходят для космических условий.
|
|
|
Вагнер и его коллеги из UD работают над этой проблемой и успешно преобразовали смоделированные лунные и марсианские грунты в геополимерный цемент, который считается хорошей заменой обычному цементу. Исследовательская группа также создала основу для сравнения различных типов геополимерных цементов и их характеристик и сообщила о результатах в журнале Advances in Space Research. Недавно эта работа была освещена в журнале Advances in Engineering.
|
|
|
|
Геополимеры представляют собой неорганические полимеры, образованные из алюмосиликатных минералов, встречающихся в обычных глинах повсюду от Ньюарка, Уайт-Клей-Крик в Делавэре до Африки. При смешивании с растворителем с высоким pH, таким как силикат натрия, глина может растворяться, высвобождая алюминий и кремний внутри для взаимодействия с другими материалами и образования новых структур, таких как цемент.
|
|
|
|
Почвы на Луне и Марсе также содержат обычные глины.
|
|
|
|
Это заставило Марию Кацарову, бывшего младшего научного сотрудника и члена лаборатории Вагнера в UD, задаться вопросом, можно ли активировать смоделированные лунные и марсианские почвы, чтобы они стали похожими на бетон строительными материалами, используя химию геополимеров. Она предложила эту идею НАСА и получила финансирование через Консорциум космических грантов Делавэра, чтобы попытаться с помощью и опытом тогдашней докторантки UD Дженнифер Миллс, которая изучала наземные геополимеры для своей докторской диссертации. Исследователи систематически готовили геополимерные вяжущие из множества известных смоделированных почв одним и тем же способом и сравнивали характеристики материалов, чего раньше не делали.
|
|
|
|
«Это не тривиальная вещь. Вы не можете просто сказать, дайте мне какую-нибудь старую глину, и я заставлю ее работать. У нее есть показатели, химия, о которой вам нужно беспокоиться», — сказал Вагнер.
|
|
|
|
Исследователи смешали различные смоделированные почвы с силикатом натрия, затем отлили геополимерную смесь в формы, похожие на кубики льда, и дождались реакции. Через семь дней они измерили размер и вес каждого кубика, а затем раздавили его, чтобы понять, как материал ведет себя под нагрузкой. В частности, они хотели знать, влияют ли небольшие различия в химическом составе смоделированных почв на прочность материала.
|
|
|
|
«Когда ракета взлетает, на посадочную площадку давит большой вес, и бетон должен держаться, поэтому прочность материала на сжатие становится важным показателем», — сказал Вагнер. «По крайней мере, на Земле мы могли создавать материалы в виде маленьких кубиков, обладающих прочностью на сжатие, необходимой для работы».
|
|
|
|
Исследователи также подсчитали, сколько земного материала потребуется взять с собой астронавтам, чтобы построить посадочную площадку на поверхности Луны или Марса. Оказывается, предполагаемое количество находится в пределах диапазона полезной нагрузки ракеты, от сотен до тысяч килограммов.
|
|
|
|
Исследовательская группа также подвергла образцы воздействию различных условий, присутствующих в космосе, включая вакуум, низкие и высокие температуры. То, что они нашли, было информативным.
|
|
|
|
В вакууме некоторые образцы материала действительно образовали цемент, в то время как другие оказались успешными лишь частично. Однако в целом прочность на сжатие геополимерного цемента в вакууме снизилась по сравнению с геополимерными кубиками, отвержденными при комнатной температуре и давлении. Это вызывает новые соображения в зависимости от назначения материала.
|
|
|
|
«Будет компромисс между тем, нужно ли нам отливать эти материалы в среде под давлением, чтобы гарантировать, что реакция образует самый прочный материал, или мы можем обойтись без формования их в вакууме, нормальной среде на Луне или Марсе, и достичь то, что достаточно хорошо», — сказала Миллс, получившая докторскую степень в области химического машиностроения в UD в мае 2022 года и сейчас работающая в Dow Chemical Company.
|
|
|
|
Между тем, при низких температурах около -80 градусов Цельсия геополимерные материалы вообще не реагировали.
|
|
|
|
«Это говорит нам о том, что нам, возможно, потребуется использовать какой-то ускоритель для достижения прочности, которую мы наблюдаем при комнатной температуре», — сказал Миллс. «Возможно, геополимер нужно нагреть, или, может быть, нам нужно добавить что-то еще в смесь, чтобы запустить реакцию для определенных приложений или сред».
|
|
|
|
При высоких температурах, около 600 градусов по Цельсию, исследователи обнаружили, что каждый луноподобный образец становился прочнее. По словам Миллса, в этом нет ничего удивительного, учитывая, насколько кинетика замедляется при низких температурах. Исследовательская группа также увидела изменения в физической природе геополимерного цемента под воздействием тепла.
|
|
|
|
«Геополимерные кирпичи становились гораздо более хрупкими, когда мы их нагревали, разрушаясь, а не сжимаясь или ломаясь надвое», — сказал Миллс. «Это может быть важно, если материал будет подвергаться любому внешнему давлению».
|
|
|
|
Основываясь на своих результатах, исследователи заявили, что химический состав и размер частиц могут играть важную роль в прочности материала. Например, более мелкие частицы увеличивают доступную площадь поверхности, облегчая их реакцию и потенциально повышая общую прочность материала. Другой возможный фактор: количество алюмосиликатов в исходных материалах, которое бывает сложно оценить, когда добавленные растворы также могут содержать небольшие концентрации этих материалов и вносить вклад в характеристики материала.
|
|
|
|
Что все это значит?
|
|
|
|
Ну, Amazon не предлагает двухдневную доставку в космос, поэтому разработка правильной рецептуры исходных материалов имеет значение. Понимание того, что влияет на прочность материала, также важно, поскольку астронавты будут получать материалы для верхнего слоя почвы из разных мест на планетах, а может быть, даже с разных планет.
|
|
|
|
Эти результаты также могут быть использованы для производства геополимерных цементов на Земле, которые лучше подходят для окружающей среды и могут быть получены из более широкого спектра местных материалов. Геополимерные цементы также требуют меньше воды, чем для производства традиционного цемента, потому что сама вода не расходуется в реакции. Вместо этого вода может быть извлечена и повторно использована, что является плюсом в условиях ограниченного количества воды, от засушливых земных ландшафтов до открытого космоса.
|
|
|
|
Сегодня двое нынешних аспирантов Вагнера изучают способы использования геополимерных цементов для 3D-печати домов и активации геополимерных материалов с помощью микроволновой технологии. Работа представляет собой совместный проект с исследователями из Северо-восточного и Джорджтаунского университетов. Подобно микроволнам, которые вы используете для разогрева утреннего кофе, микроволновый нагрев может ускорить отверждение геополимера и однажды может дать наземным строителям или астронавтам возможность целенаправленно отвердевать геополимерный бетон.
|
|
|
|
Источник
|
