Auf Mond und Mars bauen? Dafür brauchen Sie außerirdischen Zement

Eine nachhaltige Weltraumforschung wird eine Infrastruktur erfordern, die derzeit nicht vorhanden ist: Gebäude, Wohnungen, Raketenlandeplätze.

Also, wohin wenden Sie sich für Baumaterialien, wenn sie zu groß sind, um in Ihr Handgepäck zu passen, und es im Weltraum kein Home Depot gibt?

„Wenn wir auf einem anderen Planeten wie dem Mars oder dem Mond leben und arbeiten wollen, müssen wir Beton herstellen. Aber wir können keine Betonsäcke mitnehmen – wir müssen lokale Ressourcen nutzen“, sagte Norman Wagner, Unidel Robert L. Pigford Lehrstuhl für Chemie- und Biomolekulartechnik an der University of Delaware.

Forscher suchen nach Möglichkeiten, tonartige Mutterbodenmaterialien vom Mond oder Mars als Grundlage für außerirdischen Zement zu verwenden. Um erfolgreich zu sein, wird ein Bindemittel benötigt, um die außerirdischen Ausgangsmaterialien durch Chemie zusammenzukleben. Eine Anforderung an dieses nicht von dieser Welt stammende Konstruktionsmaterial ist, dass es für die vertikalen Startrampen robust genug sein muss, um künstliche Raketen während des Starts oder der Landung vor herumwirbelnden Steinen, Staub und anderen Trümmern zu schützen. Die meisten herkömmlichen Baumaterialien, wie gewöhnlicher Zement, sind unter Weltraumbedingungen nicht geeignet.

Wagner und Kollegen von UD arbeiten an diesem Problem und wandelten simulierte Mond- und Marsböden erfolgreich in Geopolymerzement um, der als guter Ersatz für herkömmlichen Zement gilt. Das Forschungsteam erstellte auch einen Rahmen, um verschiedene Arten von Geopolymerzementen und ihre Eigenschaften zu vergleichen, und berichtete über die Ergebnisse in Fortschritte in der Weltraumforschung. Die Arbeit wurde kürzlich in hervorgehoben Fortschritte im Ingenieurwesen.

Geopolymerzement

Geopolymere sind anorganische Polymere, die aus Alumosilikatmineralien gebildet werden, die in gewöhnlichen Tonen überall von Newark, Delawares White Clay Creek bis nach Afrika zu finden sind. Wenn der Ton mit einem Lösungsmittel mit hohem pH-Wert wie Natriumsilikat gemischt wird, kann er aufgelöst werden, wodurch das Aluminium und Silizium im Inneren freigesetzt werden, damit sie mit anderen Materialien reagieren und neue Strukturen bilden können – wie Zement.

Böden auf Mond und Mars enthalten auch gewöhnliche Tone.

Dies veranlasste Maria Katzarova, eine ehemalige assoziierte Wissenschaftlerin und Mitglied von Wagners Labor an der UD, sich zu fragen, ob es möglich sei, simulierte Mond- und Marsböden zu aktivieren, um mithilfe der Geopolymerchemie betonähnliche Baumaterialien zu werden. Sie schlug die Idee der NASA vor und erhielt Mittel über das Delaware Space Grant Consortium, um es mit der Hilfe und dem Fachwissen der damaligen UD-Doktorandin Jennifer Mills zu versuchen, die terrestrische Geopolymere für ihre Doktorarbeit untersuchte. Die Forscher stellten systematisch Geopolymer-Bindemittel aus einer Vielzahl bekannter simulierter Böden auf die gleiche exakte Weise her und verglichen die Leistung der Materialien, was zuvor noch nie geschehen war.

„Das ist keine triviale Sache. Sie können nicht einfach sagen, geben Sie mir irgendeinen alten Ton, und ich werde dafür sorgen, dass es funktioniert. Es gibt Metriken, Chemie, um die Sie sich kümmern müssen“, sagte Wagner.

Die Forscher mischten verschiedene simulierte Böden mit Natriumsilikat, gossen dann die Geopolymermischung in eiswürfelähnliche Formen und warteten, bis die Reaktion stattfand. Nach sieben Tagen maßen sie die Größe und das Gewicht jedes Würfels und zerkleinerten ihn dann, um zu verstehen, wie sich das Material unter Belastung verhält. Insbesondere wollten sie wissen, ob geringfügige Unterschiede in der Chemie zwischen simulierten Böden die Festigkeit des Materials beeinflussen.

„Wenn eine Rakete abhebt, drückt viel Gewicht auf den Landeplatz und der Beton muss halten, daher wird die Druckfestigkeit des Materials zu einer wichtigen Messgröße“, sagte Wagner. „Zumindest auf der Erde konnten wir Materialien in kleinen Würfeln herstellen, die die erforderliche Druckfestigkeit hatten, um die Arbeit zu erledigen.“

Die Forscher berechneten auch, wie viel terrestrisches Material Astronauten mitnehmen müssten, um einen Landeplatz auf der Oberfläche des Mondes oder Mars zu bauen. Es stellt sich heraus, dass die geschätzte Menge gut im Nutzlastbereich einer Rakete liegt, irgendwo zwischen Hunderten und Tausenden von Kilogramm.

Weltraumbedingungen simulieren

Das Forschungsteam setzte die Proben auch verschiedenen im Weltraum vorhandenen Umgebungen aus, darunter Vakuum sowie niedrigen und hohen Temperaturen. Was sie fanden, war informativ.

Unter Vakuum bildeten einige der Materialproben Zement, während andere nur teilweise erfolgreich waren. Insgesamt nahm jedoch die Druckfestigkeit des Geopolymer-Zements unter Vakuum ab, verglichen mit Geopolymer-Würfeln, die bei Raumtemperatur und -druck ausgehärtet wurden. Dies wirft je nach Verwendungszweck des Materials neue Überlegungen auf.

„Es wird einen Kompromiss geben, ob wir diese Materialien in einer unter Druck stehenden Umgebung gießen müssen, um sicherzustellen, dass die Reaktion das stärkste Material bildet, oder ob wir damit davonkommen können, sie unter Vakuum, der normalen Umgebung auf dem Mond oder Mars, zu formen und zu erreichen etwas, das gut genug ist“, sagte Mills, die im Mai 2022 ihren Doktortitel in Chemieingenieurwesen an der UD erwarb und jetzt bei Dow Chemical Company arbeitet.

Unterdessen reagierten die Geopolymermaterialien bei niedrigen Temperaturen von etwa -80 Grad Celsius überhaupt nicht.

„Dies sagt uns, dass wir möglicherweise eine Art Beschleuniger verwenden müssen, um die Festigkeit zu erreichen, die wir bei Raumtemperatur sehen“, sagte Mills. „Vielleicht muss das Geopolymer erhitzt werden, oder wir müssen der Mischung etwas anderes hinzufügen, um die Reaktion für bestimmte Anwendungen oder Umgebungen anzukurbeln.“

Bei hohen Temperaturen, etwa 600 Grad Celsius, stellten die Forscher fest, dass jede mondähnliche Probe stärker wurde. Dies sei nicht überraschend, sagte Mills, wenn man bedenkt, wie die Kinetik bei niedrigen Temperaturen behindert wurde. Das Forschungsteam sah auch Veränderungen in der physikalischen Natur des Geopolymer-Zements unter Hitze.

„Die Geopolymer-Steine ​​wurden viel spröder, als wir sie erhitzten, sie zerbrachen, anstatt zusammengedrückt zu werden oder in zwei Teile zu brechen“, sagte Mills. „Das könnte wichtig sein, wenn das Material äußerem Druck ausgesetzt wird.“

Basierend auf ihren Ergebnissen sagten die Forscher, dass die chemische Zusammensetzung und Partikelgröße eine wichtige Rolle bei der Materialfestigkeit spielen könnten. Beispielsweise vergrößern kleinere Partikel die verfügbare Oberfläche, wodurch sie leichter reagieren und möglicherweise zu einer größeren Gesamtmaterialfestigkeit führen. Ein weiterer möglicher Faktor: die Menge des Alumosilikatgehalts in den Ausgangsmaterialien, die schwierig abzuschätzen sein kann, wenn hinzugefügte Lösungen auch geringe Konzentrationen dieser Materialien enthalten und zur Materialleistung beitragen können.

Was soll das alles heißen?

Nun, Amazon bietet keine zweitägige Lieferung in den Weltraum an, also ist es wichtig, die richtige Formulierung von Ausgangsmaterialien zu entwerfen. Es ist auch wichtig zu verstehen, was die Materialstärke beeinflusst, da Astronauten unsere Mutterbodenmaterialien von verschiedenen Orten auf Planeten beziehen werden – und vielleicht sogar von verschiedenen Planeten insgesamt.

Diese Ergebnisse können auch verwendet werden, um Geopolymerzemente auf der Erde herzustellen, die besser für die Umwelt sind und aus einer größeren Vielfalt lokaler Materialien bezogen werden können. Auch Geopolymer-Zemente benötigen weniger Wasser als zur Herstellung von herkömmlichem Zement, da das Wasser selbst bei der Reaktion nicht verbraucht wird. Stattdessen kann das Wasser zurückgewonnen und wiederverwendet werden, ein Plus in wasserarmen Umgebungen, von trockenen irdischen Landschaften bis hin zum Weltraum.

Heute untersuchen zwei von Wagners derzeitigen Doktoranden Möglichkeiten, Geopolymerzemente für den 3D-Druck von Häusern zu verwenden und Geopolymermaterialien mit Mikrowellentechnologie zu aktivieren. Die Arbeit ist ein Gemeinschaftsprojekt mit Forschern an den Universitäten Northeastern und Georgetown. Ähnlich wie die Mikrowellen, die Sie zum Aufwärmen Ihres Morgenkaffees verwenden, kann die Mikrowellenheizung die Aushärtung von Geopolymeren beschleunigen und eines Tages terrestrischen Bauherren – oder Astronauten – eine Möglichkeit bieten, Geopolymerbeton gezielt auszuhärten.