Construire sur la Lune et Mars ? Vous aurez besoin de ciment extraterrestre pour cela

L’exploration spatiale soutenue nécessitera des infrastructures qui n’existent pas actuellement : bâtiments, logements, plateformes d’atterrissage de fusées.

Alors, où vous tournez-vous pour les matériaux de construction quand ils sont trop gros pour tenir dans votre bagage à main et qu’il n’y a pas de Home Depot dans l’espace ?

« Si nous allons vivre et travailler sur une autre planète comme Mars ou la Lune, nous devons faire du béton. Mais nous ne pouvons pas emporter de sacs de béton avec nous, nous devons utiliser les ressources locales », a déclaré Norman Wagner, Unidel. Chaire Robert L. Pigford de génie chimique et biomoléculaire à l’Université du Delaware.

Les chercheurs explorent des moyens d’utiliser des matériaux de terre végétale ressemblant à de l’argile provenant de la lune ou de Mars comme base pour du ciment extraterrestre. Pour réussir, il faudra un liant pour coller ensemble les matériaux de départ extraterrestres grâce à la chimie. L’une des exigences de ce matériau de construction hors du commun est qu’il doit être suffisamment durable pour les rampes de lancement verticales nécessaires pour protéger les fusées artificielles des tourbillons de roches, de poussière et d’autres débris lors du décollage ou de l’atterrissage. La plupart des matériaux de construction conventionnels, tels que le ciment ordinaire, ne conviennent pas dans les conditions spatiales.

Wagner et ses collègues d’UD travaillent sur ce problème et ont réussi à convertir des sols lunaires et martiens simulés en ciment géopolymère, qui est considéré comme un bon substitut au ciment conventionnel. L’équipe de recherche a également créé un cadre pour comparer différents types de ciments géopolymères et leurs caractéristiques et a rapporté les résultats dans Progrès de la recherche spatiale. Le travail a été mis en lumière récemment dans Avancées en ingénierie.

Ciment géopolymère

Les géopolymères sont des polymères inorganiques formés à partir de minéraux d’aluminosilicate trouvés dans les argiles communes partout de Newark, White Clay Creek du Delaware à l’Afrique. Lorsqu’elle est mélangée à un solvant à pH élevé, tel que le silicate de sodium, l’argile peut être dissoute, libérant l’aluminium et le silicium à l’intérieur pour réagir avec d’autres matériaux et former de nouvelles structures, comme le ciment.

Les sols sur la Lune et sur Mars contiennent également des argiles communes.

Cela a amené Maria Katzarova, ancienne scientifique associée et membre du laboratoire de Wagner à l’UD, à se demander s’il était possible d’activer des sols lunaires et martiens simulés pour devenir des matériaux de construction semblables à du béton en utilisant la chimie des géopolymères. Elle a proposé l’idée à la NASA et a obtenu un financement via le Delaware Space Grant Consortium pour essayer avec l’aide et l’expertise de Jennifer Mills, alors doctorante à l’UD, qui a étudié les géopolymères terrestres pour sa thèse de doctorat. Les chercheurs ont systématiquement préparé des liants géopolymères à partir d’une variété de sols simulés connus de la même manière exacte et ont comparé les performances des matériaux, ce qui n’avait jamais été fait auparavant.

« Ce n’est pas une chose triviale. Vous ne pouvez pas simplement dire donnez-moi de la vieille argile, et je ferai en sorte que ça marche. Il y a des paramètres, une chimie dont vous devez vous soucier », a déclaré Wagner.

Les chercheurs ont mélangé divers sols simulés avec du silicate de sodium, puis ont coulé le mélange de géopolymères dans des moules en forme de glaçons et ont attendu que la réaction se produise. Au bout de sept jours, ils ont mesuré la taille et le poids de chaque cube, puis l’ont broyé pour comprendre comment le matériau se comporte sous charge. Plus précisément, ils voulaient savoir si de légères différences de chimie entre les sols simulés affectaient la résistance du matériau.

« Lorsqu’une fusée décolle, il y a beaucoup de poids qui appuie sur la piste d’atterrissage et le béton doit tenir, de sorte que la résistance à la compression du matériau devient une mesure importante », a déclaré Wagner. « Au moins sur Terre, nous avons pu fabriquer des matériaux en petits cubes qui avaient la résistance à la compression nécessaire pour faire le travail. »

Les chercheurs ont également calculé la quantité de matériel terrestre que les astronautes auraient besoin d’emporter avec eux pour construire une piste d’atterrissage à la surface de la lune ou de Mars. Il s’avère que la quantité estimée se situe bien dans la plage de charge utile d’une fusée, allant de centaines à des milliers de kilogrammes.

Simulation des conditions spatiales

L’équipe de recherche a également soumis les échantillons à différents environnements présents dans l’espace, notamment le vide et des températures basses et élevées. Ce qu’ils ont trouvé était instructif.

Sous vide, certains des échantillons de matériaux ont formé du ciment, tandis que d’autres n’ont réussi que partiellement. Cependant, dans l’ensemble, la résistance à la compression du ciment géopolymère a diminué sous vide, par rapport aux cubes géopolymères durcis à température et pression ambiantes. Cela soulève de nouvelles considérations en fonction de la destination du matériau.

« Il va y avoir un compromis entre si nous devons couler ces matériaux dans un environnement sous pression pour garantir que la réaction forme le matériau le plus résistant ou si nous pouvons nous en sortir en les formant sous vide, l’environnement normal sur la lune ou Mars, et atteindre quelque chose qui est assez bon », a déclaré Mills, qui a obtenu son doctorat en génie chimique à l’UD en mai 2022 et travaille maintenant chez Dow Chemical Company.

Pendant ce temps, à des températures basses d’environ -80 degrés Celsius, les matériaux géopolymères n’ont pas du tout réagi.

« Cela nous indique que nous pourrions avoir besoin d’utiliser une sorte d’accélérateur pour atteindre la force que nous voyons à température ambiante », a déclaré Mills. « Peut-être que le géopolymère doit être chauffé, ou peut-être devons-nous ajouter quelque chose d’autre au mélange pour déclencher la réaction pour certaines applications ou certains environnements. »

À des températures élevées, environ 600 degrés Celsius, les chercheurs ont découvert que chaque échantillon semblable à la lune devenait plus fort. Ce n’était pas surprenant, a déclaré Mills, étant donné la façon dont la cinétique était entravée à basse température. L’équipe de recherche a également constaté des changements dans la nature physique du ciment géopolymère sous l’effet de la chaleur.

« Les briques géopolymères sont devenues beaucoup plus fragiles lorsque nous les avons chauffées, se brisant au lieu de se comprimer ou de se casser en deux », a déclaré Mills. « Cela pourrait être important si le matériau doit être soumis à tout type de pression externe. »

Sur la base de leurs résultats, les chercheurs ont déclaré que la composition chimique et la taille des particules peuvent jouer un rôle important dans la résistance des matériaux. Par exemple, des particules plus petites augmentent la surface disponible, ce qui facilite leur réaction et conduit potentiellement à une plus grande résistance globale du matériau. Autre facteur possible : la quantité d’aluminosilicate contenue dans les matériaux de départ, qui peut être difficile à estimer lorsque les solutions ajoutées peuvent également contenir de petites concentrations de ces matériaux et contribuer aux performances des matériaux.

Qu’est-ce que tout cela veut dire?

Eh bien, Amazon n’offre pas de livraison en deux jours dans l’espace, donc concevoir la bonne formulation de matériaux de départ pour prendre les choses en main. Il est également important de comprendre ce qui affecte la résistance des matériaux, car les astronautes s’approvisionneront en matériaux de terre végétale à différents endroits sur les planètes, et peut-être même sur des planètes complètement différentes.

Ces résultats peuvent également être utilisés pour fabriquer des ciments géopolymères sur Terre qui sont meilleurs pour l’environnement et peuvent provenir d’une plus grande variété de matériaux locaux. Les ciments géopolymères nécessitent également moins d’eau qu’il n’en faut pour fabriquer du ciment traditionnel, car l’eau elle-même n’est pas consommée dans la réaction. Au lieu de cela, l’eau peut être récupérée et réutilisée, un plus dans les environnements limités en eau, des paysages terrestres arides à l’espace extra-atmosphérique.

Aujourd’hui, deux des étudiants diplômés actuels de Wagner explorent des moyens d’utiliser des ciments géopolymères pour imprimer des maisons en 3D et d’activer des matériaux géopolymères à l’aide de la technologie des micro-ondes. Le travail est un projet collaboratif avec des chercheurs des universités du Nord-Est et de Georgetown. Semblable aux micro-ondes que vous utilisez pour réchauffer votre café du matin, le chauffage par micro-ondes peut accélérer le durcissement des géopolymères et pourrait un jour fournir un moyen aux constructeurs terrestres – ou aux astronautes – de durcir le béton géopolymère de manière ciblée.