Europeiska rymdorganisationens astronaut Alexander Gerst arbetar med MICS-experimentet ombord på den internationella rymdstationen. Observationer av hur cement reagerar i rymden under härdningsprocessen kan hjälpa ingenjörer att bättre förstå dess mikrostruktur och materialegenskaper, som skulle kunna förbättra cementbearbetningstekniker på jorden och leda till utformningen av säkra, lätta rymdmiljöer. Kredit:NASA
När människor åker till månen eller Mars för att stanna, de kommer att behöva bygga säkra platser där de kan bo och arbeta. Det mest använda byggnadsmaterialet på jorden, betong, kan vara svaret. Det är tillräckligt starkt och hållbart för att ge skydd mot kosmisk strålning och meteoriter och det kan vara möjligt att göra det med hjälp av material tillgängliga på dessa himlakroppar.
Betong är en blandning av sand, grus och stenar limmade ihop med en pasta gjord av vatten och cementpulver. Även om det låter enkelt, processen är ganska komplex, och forskare har fortfarande frågor om kemi och mikroskopiska strukturer som är involverade och hur förändringar i gravitationen kan påverka processen.
En nyligen genomförd undersökning av den internationella rymdstationen undersökte cementstelning i mikrogravitation för att hjälpa till att svara på dessa frågor. För projektet Microgravity Investigation of Cement Solidification (MICS), forskare blandade trikalciumsilikat (Ca 3 SiO 5 eller C 3 S) och vatten utanför jordens gravitation för första gången. Den huvudsakliga mineralkomponenten i mest kommersiellt tillgänglig cement, C 3 S kontrollerar många av dess kemiska reaktioner och egenskaper. MICS undersökte huruvida stelning av cement i mikrogravitation skulle resultera i unika mikrostrukturer och gav en första jämförelse av cementprover bearbetade på marken och i mikrogravitation.
Utredarna rapporterade sina resultat i en artikel publicerad i Frontiers in Materials, "Mikrogravitationseffekt på mikrostrukturell utveckling av trikalciumsilikat (C 3 S) Klistra in."
Dessa bilder jämför cementpastor blandade i rymden (ovan) och på marken (nedan). Provet från rymden visar mer porositet, eller öppna ytor i materialet, vilket påverkar betongens hållfasthet. Kristaller i jordprovet är också mer segregerade. Kredit:Penn State Materials Characterization Lab
"På uppdrag till månen och Mars, människor och utrustning kommer att behöva skyddas från extrema temperaturer och strålning, och det enda sättet att göra det är genom att bygga infrastruktur på dessa utomjordiska miljöer, ", sa chefsutredaren Aleksandra Radlinska vid Pennsylvania State University. "En idé är att bygga med ett betongliknande material i rymden. Betong är mycket robust och ger bättre skydd än många material."
En annan betydande fördel med betong är att upptäcktsresande teoretiskt sett kan göra det med resurser tillgängliga på dessa utomjordiska kroppar, som damm på månen, även känd som månregolit. Det skulle eliminera behovet av att transportera byggmaterial till månen eller Mars, avsevärt minska kostnaderna.
Forskare vet hur betong beter sig och härdar på jorden, men vet ännu inte om processen är densamma i rymden. "Hur kommer det att härda? Vad blir mikrostrukturen?" sa Radlinska. "Det är frågorna vi försöker svara på."
Forskarna skapade en serie blandningar som varierade typen av cementpulver, antal och typ av tillsatser, mängd vatten, och tid för hydrering. När cementpulverkornen löses i vatten, deras molekylära struktur förändras. Kristaller bildas genom hela blandningen och låser sig med varandra. Vid första utvärderingen, proverna som bearbetats på rymdstationen visar betydande förändringar i cementmikrostrukturen jämfört med de som bearbetas på jorden. En primär skillnad var ökad porositet, eller närvaron av mer öppna ytor. "Ökad porositet har direkt betydelse för materialets styrka, men vi har ännu inte mätt styrkan hos det rymdformade materialet, sa Radlinska.
"Även om betong har använts så länge på jorden, vi förstår fortfarande inte nödvändigtvis alla aspekter av hydreringsprocessen. Nu vet vi att det finns vissa skillnader mellan jord- och rymdbaserade system och vi kan undersöka dessa skillnader för att se vilka som är fördelaktiga och vilka som är skadliga för att använda detta material i rymden, sade Radlinska. proverna låg i förseglade påsar, så en annan fråga är om de skulle ha ytterligare komplexitet i en öppen miljö."
Mikrogravitationsmiljön på stationen är avgörande för dessa första blickar på hur cement kan hydratiseras på månen och Mars. En centrifug ombord kan simulera gravitationsnivåer för dessa utomjordiska kroppar, något som inte är möjligt på jorden. Utvärdering av cementprover innehållande simulerade månpartiklar bearbetade ombord på det kretsande laboratoriet vid olika gravitationsnivåer pågår för närvarande.
Att visa att betong kan härda och utvecklas i rymden representerar ett viktigt steg mot den första strukturen byggd på månen med hjälp av material från månen. "Vi bekräftade hypotesen att detta kan göras, ", sa Radlinska. "Nu kan vi ta nästa steg för att hitta bindemedel som är specifika för rymden och för varierande gravitationsnivåer, från noll g till Mars g och däremellan."
