Uthållig utforskning av rymden kommer att kräva infrastruktur som för närvarande inte finns:byggnader, bostäder, raketlandningsplattor.

Så vart vänder du dig för byggmaterial när de är för stora för att få plats i din handbagage och det inte finns någon Home Depot i yttre rymden?

"Om vi ​​ska bo och arbeta på en annan planet som Mars eller månen måste vi tillverka betong. Men vi kan inte ta med oss ​​påsar med betong - vi måste använda lokala resurser", säger Norman Wagner, Unidel Robert L. Pigford, ordförande för kemi- och biomolekylär teknik vid University of Delaware.

Forskare undersöker sätt att använda lerliknande matjordsmaterial från månen eller Mars som grund för utomjordiskt cement. För att lyckas krävs ett bindemedel för att limma ihop de utomjordiska utgångsmaterialen genom kemi. Ett krav för detta konstruktionsmaterial som inte är den här världen är att det måste vara tillräckligt hållbart för de vertikala avfyrningsplattorna som behövs för att skydda konstgjorda raketer från virvlande stenar, damm och annat skräp under lyft eller landning. De flesta konventionella byggmaterial, såsom vanlig cement, är inte lämpliga under utrymmesförhållanden.

UD:s Wagner och kollegor arbetar med detta problem och har framgångsrikt omvandlat simulerad mån- och marsjord till geopolymercement, som anses vara ett bra substitut för konventionell cement. Forskargruppen skapade också ett ramverk för att jämföra olika typer av geopolymercement och deras egenskaper och rapporterade resultaten i Advances in Space Research . Arbetet uppmärksammades nyligen i Advances in Engineering .

Geopolymercement

Geopolymerer är oorganiska polymerer bildade av aluminiumsilikatmineraler som finns i vanliga leror överallt från Newark, Delawares White Clay Creek till Afrika. När den blandas med ett lösningsmedel som har ett högt pH, såsom natriumsilikat, kan leran lösas upp, vilket frigör aluminium och kisel inuti för att reagera med andra material och bilda nya strukturer – som cement.

Jordar på månen och Mars innehåller också vanliga leror.

Detta fick Maria Katzarova, en tidigare associerad forskare och medlem av Wagners labb vid UD, att undra om det var möjligt att aktivera simulerad mån- och marsjord för att bli betongliknande byggmaterial med hjälp av geopolymerkemi. Hon föreslog idén till NASA och fick finansiering via Delaware Space Grant Consortium för att försöka med hjälp och expertis från dåvarande UD-doktorand Jennifer Mills, som studerade markbundna geopolymerer för sin doktorsavhandling. Forskarna beredde systematiskt geopolymerbindemedel från en mängd olika kända simulerade jordar på exakt samma sätt och jämförde materialens prestanda, vilket inte hade gjorts tidigare.

"Det här är inte en trivial sak. Du kan inte bara säga ge mig någon gammal lera, så ska jag få det att fungera. Det finns mått på det, kemi som du måste oroa dig för," sa Wagner.

Forskarna blandade olika simulerade jordar med natriumsilikat och gjutna sedan geopolymerblandningen i iskubliknande formar och väntade på att reaktionen skulle inträffa. Efter sju dagar mätte de varje kubs storlek och vikt och krossade den sedan för att förstå hur materialet beter sig under belastning. Specifikt ville de veta om små skillnader i kemi mellan simulerade jordar påverkade materialets styrka.

"När en raket lyfter är det mycket vikt som trycker ner på landningsplattan och betongen måste hålla, så materialets tryckhållfasthet blir ett viktigt mått," sa Wagner. "Åtminstone på jorden kunde vi tillverka material i små kuber som hade den tryckhållfasthet som krävs för att göra jobbet."

Forskarna har också beräknat hur mycket jordbaserat material astronauter skulle behöva ta med sig för att bygga en landningsplatta på ytan av månen eller Mars. Det visar sig att den uppskattade mängden ligger väl inom nyttolastområdet för en raket, allt från hundratals till tusentals kilo.

Simulerar utrymmesförhållanden

Forskargruppen utsatte också proverna för olika miljöer i rymden, inklusive vakuum och låga och höga temperaturer. Det de hittade var informativt.

Under vakuum bildade vissa av materialproverna cement, medan andra bara var delvis framgångsrika. Men totalt sett minskade geopolymercementens tryckhållfasthet under vakuum, jämfört med geopolymerkuber härdade vid rumstemperatur och tryck. Detta väcker nya överväganden beroende på materialets syfte.

"Det kommer att finnas en avvägning mellan om vi behöver gjuta dessa material i en trycksatt miljö för att säkerställa att reaktionen bildar det starkaste materialet eller om vi kan komma undan med att bilda dem under vakuum, den normala miljön på månen eller Mars, och uppnå något som är tillräckligt bra", säger Mills, som tog sin doktorsexamen i kemiteknik vid UD i maj 2022 och nu arbetar på Dow Chemical Company.

Under tiden, under låga temperaturer på cirka -80 grader Celsius, reagerade inte geopolymermaterialen alls.

"Detta säger oss att vi kan behöva använda någon form av accelerator för att uppnå styrkan vi ser vid rumstemperatur," sa Mills. "Kanske måste geopolymeren värmas upp, eller så kanske vi måste lägga till något annat till mixen för att kickstarta reaktionen för vissa applikationer eller miljöer."

Vid höga temperaturer, cirka 600 grader Celsius, fann forskarna att varje månliknande prov blev starkare. Detta var inte förvånande, sa Mills, med tanke på hur kinetiken hindrades vid låga temperaturer. Forskargruppen såg också förändringar i geopolymercementens fysiska natur under värme.

"Geopolymertegelstenarna blev mycket sprödare när vi värmde upp dem, splittrade i stället för att bli komprimerade eller bryts i två," sa Mills. "Det kan vara viktigt om materialet ska utsättas för någon typ av yttre tryck."

Baserat på sina resultat sa forskarna att kemisk sammansättning och partikelstorlek kan spela en viktig roll för materialstyrkan. Till exempel ökar mindre partiklar den tillgängliga ytan, vilket gör dem lättare att reagera och potentiellt leda till större total materialstyrka. En annan möjlig faktor:mängden aluminiumsilikat i utgångsmaterialen, vilket kan vara svårt att uppskatta när tillsatta lösningar också kan innehålla små koncentrationer av dessa material och bidra till materialets prestanda.

Vad betyder det hela?

Tja, Amazon erbjuder inte två dagars leverans till rymden, så designa rätt formulering av utgångsmaterial för att ta saken. Att förstå vad som påverkar materiell styrka är också viktigt, eftersom astronauter kommer att hämta våra matjordsmaterial från olika platser på planeter – och kanske till och med olika planeter helt och hållet.

Dessa resultat kan också användas för att göra geopolymercement på jorden som är bättre för miljön och som kan hämtas från ett större utbud av lokala material. Geopolymercement kräver mindre vatten än vad som behövs för att göra traditionell cement också, eftersom vattnet i sig inte förbrukas i reaktionen. Istället kan vattnet återvinnas och återanvändas, ett plus i vattenbegränsade miljöer från torra jordiska landskap till yttre rymden.

Idag undersöker två av Wagners nuvarande doktorander sätt att använda geopolymercement för att 3D-printa hus och att aktivera geopolymermaterial med hjälp av mikrovågsteknik. Arbetet är ett samarbetsprojekt med forskare vid Northeastern och Georgetown university. I likhet med mikrovågorna du använder för att värma upp ditt morgonkaffe, kan mikrovågsuppvärmning påskynda geopolymerhärdningen och kan en dag ge ett sätt för markbyggare – eller astronauter – att härda geopolymerbetong på ett målinriktat sätt. + Utforska vidare

Flygaska geopolymerbetong:Betydligt förbättrad motståndskraft mot extrema alkaliangrepp