Ay ve Mars’ta mı inşa ediyorsunuz? Bunun için dünya dışı çimentoya ihtiyacınız olacak

Sürekli uzay araştırmaları, şu anda var olmayan altyapıyı gerektirecek: binalar, konutlar, roket iniş rampaları.

Peki, bagajınıza sığmayacak kadar büyük olduklarında ve uzayda Home Depot olmadığında inşaat malzemeleri için nereye başvuruyorsunuz?

Unidel’den Norman Wagner, “Mars veya ay gibi başka bir gezegende yaşayacak ve çalışacaksak, beton yapmamız gerekiyor. Ancak yanımıza çuval dolusu beton alamıyoruz – yerel kaynakları kullanmamız gerekiyor” dedi. Robert L. Pigford Delaware Üniversitesi Kimya ve Biyomoleküler Mühendisliği Bölüm Başkanı.

Araştırmacılar, dünya dışı çimentonun temeli olarak ay veya Mars’tan gelen kil benzeri üst toprak malzemelerini kullanmanın yollarını araştırıyorlar. Başarılı olmak için, dünya dışı başlangıç ​​malzemelerini kimya yoluyla birbirine yapıştırmak için bir bağlayıcı gerekecektir. Bu dünya dışı yapı malzemesi için bir gereklilik, insan yapımı roketleri kalkış veya iniş sırasında dönen kayalardan, tozdan ve diğer döküntülerden korumak için gereken dikey fırlatma rampaları için yeterince dayanıklı olması gerektiğidir. Sıradan çimento gibi çoğu konvansiyonel yapı malzemesi uzay koşulları için uygun değildir.

UD’den Wagner ve meslektaşları bu sorun üzerinde çalışıyorlar ve simüle edilmiş Ay ve Mars topraklarını başarılı bir şekilde geleneksel çimentonun yerine iyi bir ikame olarak kabul edilen jeopolimer çimentoya dönüştürdüler. Araştırma ekibi ayrıca farklı tipteki jeopolimer çimentoları ve özelliklerini karşılaştırmak için bir çerçeve oluşturdu ve sonuçları raporladı. Uzay Araştırmalarındaki Gelişmeler. Çalışma son zamanlarda vurgulandı Mühendislikteki Gelişmeler.

jeopolimer çimento

Geopolimerler, Newark, Delaware’deki White Clay Creek’ten Afrika’ya kadar her yerde yaygın killerde bulunan alüminosilikat minerallerinden oluşan inorganik polimerlerdir. Sodyum silikat gibi yüksek pH’lı bir çözücü ile karıştırıldığında, kil çözülebilir, içindeki alüminyum ve silikonu diğer malzemelerle reaksiyona sokmak ve çimento gibi yeni yapılar oluşturmak için serbest bırakır.

Ay ve Mars’taki topraklar da yaygın killer içerir.

Bu, eski bir yardımcı bilim adamı ve Wagner’in UD’deki laboratuvarının üyesi olan Maria Katzarova’yı, jeopolimer kimyasını kullanarak beton benzeri yapı malzemeleri haline getirmek için simüle edilmiş ay ve Mars topraklarını etkinleştirmenin mümkün olup olmadığını merak etti. Fikri NASA’ya önerdi ve doktora tezi için karasal jeopolimerler üzerinde çalışan UD doktora öğrencisi Jennifer Mills’in yardım ve uzmanlığını denemek için Delaware Uzay Hibe Konsorsiyumu aracılığıyla fon aldı. Araştırmacılar, jeopolimer bağlayıcıları bilinen çeşitli simüle edilmiş topraklardan aynı şekilde sistematik olarak hazırladılar ve daha önce yapılmamış olan malzemelerin performansını karşılaştırdılar.

Wagner, “Bu önemsiz bir şey değil. Bana herhangi bir eski kil verin diyemezsiniz, ben de çalıştırayım. Bunun için metrikler, kimya hakkında endişelenmeniz gerekiyor,” dedi.

Araştırmacılar çeşitli simüle edilmiş toprakları sodyum silikat ile karıştırdıktan sonra jeopolimer karışımını buz küpü benzeri kalıplara döktü ve reaksiyonun gerçekleşmesini bekledi. Yedi gün sonra, her bir küpün boyutunu ve ağırlığını ölçtüler, ardından malzemenin yük altında nasıl davrandığını anlamak için ezdiler. Spesifik olarak, simüle edilmiş topraklar arasındaki kimyadaki küçük farklılıkların malzemenin gücünü etkileyip etkilemediğini bilmek istediler.

Wagner, “Bir roket havalandığında, iniş pistini aşağı iten çok fazla ağırlık vardır ve betonun tutması gerekir, bu nedenle malzemenin basınç dayanımı önemli bir metrik haline gelir” dedi. “En azından Dünya’da, işi yapmak için gerekli olan basınç dayanımına sahip küçük küpler halinde malzemeler yapabildik.”

Araştırmacılar ayrıca, ayın veya Mars’ın yüzeyinde bir iniş pisti inşa etmek için ne kadar karasal malzeme astronotlarının yanlarına almaları gerektiğini de hesapladılar. Görünen o ki, tahmini miktar, bir roketin taşıma kapasitesi aralığında, yüzlerce ila binlerce kilogram arasında herhangi bir yerde.

Uzay koşullarının simülasyonu

Araştırma ekibi ayrıca örnekleri, vakum ve düşük ve yüksek sıcaklıklar dahil olmak üzere uzayda bulunan farklı ortamlara da maruz bıraktı. Buldukları şey bilgilendiriciydi.

Vakum altında, bazı malzeme numuneleri çimento oluştururken, diğerleri sadece kısmen başarılı olmuştur. Bununla birlikte, genel olarak, jeopolimer çimentonun basınç dayanımı, oda sıcaklığında ve basıncında kürlenen jeopolimer küplere kıyasla vakum altında azaldı. Bu, malzemenin amacına bağlı olarak yeni hususları gündeme getirir.

“Reaksiyonun en güçlü malzemeyi oluşturmasını sağlamak için bu malzemeleri basınçlı bir ortamda dökmemiz gerekip gerekmeyeceği veya bunları vakum altında, ay veya Mars’taki normal ortam altında şekillendirmekten kurtulup başaramayacağımız arasında bir değiş tokuş olacak. Yeterince iyi bir şey,” dedi, Mayıs 2022’de UD’de kimya mühendisliği alanında doktora derecesini alan ve şu anda Dow Chemical Company’de çalışan Mills.

Bu arada, yaklaşık -80 santigrat derece gibi düşük sıcaklıklarda, jeopolimer malzemeler hiç reaksiyona girmedi.

Mills, “Bu bize, oda sıcaklığında gördüğümüz gücü elde etmek için bir tür hızlandırıcı kullanmamız gerekebileceğini söylüyor.” Dedi. “Belki jeopolimerin ısıtılması gerekiyor veya belki de belirli uygulamalar veya ortamlar için reaksiyonu başlatmak için karışıma başka bir şey eklememiz gerekiyor.”

Yüksek sıcaklıklarda, yaklaşık 600 santigrat derece, araştırmacılar, her ay benzeri örneğin daha da güçlendiğini buldular. Mills, düşük sıcaklıklarda kinetiğin nasıl engellendiği göz önüne alındığında, bunun şaşırtıcı olmadığını söyledi. Araştırma ekibi ayrıca jeopolimer çimentonun fiziksel yapısında ısı altında değişiklikler gördü.

Mills, “Jeopolimer tuğlalar, onları ısıttığımızda çok daha kırılgan hale geldi, sıkıştırılmak veya ikiye ayrılmak yerine paramparça oldu” dedi. “Malzeme herhangi bir dış basınca maruz kalacaksa bu önemli olabilir.”

Araştırmacılar, sonuçlarına dayanarak, kimyasal bileşimin ve parçacık boyutunun malzeme mukavemetinde önemli bir rol oynayabileceğini söyledi. Örneğin, daha küçük parçacıklar mevcut yüzey alanını artırarak reaksiyona girmelerini kolaylaştırır ve potansiyel olarak daha büyük toplam malzeme mukavemetine yol açar. Bir başka olası faktör: başlangıç ​​malzemelerindeki, eklendiğinde tahmin edilmesi zor olabilen alüminosilikat içeriği miktarı, bu malzemelerin küçük konsantrasyonlarını da içerebilir ve malzeme performansına katkıda bulunabilir.

Tüm bunların anlamı ne?

Amazon, uzaya iki günlük teslimat sunmuyor, bu nedenle başlangıç ​​malzemelerinin doğru formülasyonunu tasarlamak önemli. Maddi gücü neyin etkilediğini anlamak da önemlidir, çünkü astronotlar üst toprak materyallerimizi gezegenlerin farklı yerlerinden ve hatta belki de tamamen farklı gezegenlerden tedarik edeceklerdir.

Bu sonuçlar aynı zamanda Dünya üzerinde çevre için daha iyi olan ve daha geniş çeşitlilikteki yerel malzemelerden elde edilebilen jeopolimer çimentolar yapmak için de kullanılabilir. Geopolimer çimentolar da geleneksel çimento yapmak için gerekenden daha az su gerektirir, çünkü suyun kendisi reaksiyonda tüketilmez. Bunun yerine, su geri kazanılabilir ve yeniden kullanılabilir, bu da kurak dünyevi manzaralardan uzaya kadar suyla sınırlı ortamlarda bir artı.

Bugün, Wagner’in mevcut lisansüstü öğrencilerinden ikisi, jeopolimer çimentoları 3D baskı evlerinde kullanmanın ve mikrodalga teknolojisini kullanarak jeopolimer malzemeleri etkinleştirmenin yollarını araştırıyor. Çalışma, Northeastern ve Georgetown üniversitelerindeki araştırmacılarla ortak bir projedir. Sabah kahvenizi yeniden ısıtmak için kullandığınız mikrodalgalara benzer şekilde, mikrodalga ısıtma jeopolimer kürleşmesini hızlandırabilir ve bir gün karasal inşaatçılar veya astronotlar için jeopolimer betonu hedeflenen bir şekilde kürlemeleri için bir yol sağlayabilir.