Ученые предложили не летать на Марс со своим цементом

Для дальнейшего освоения космоса рано или поздно понадобится инфраструктура, которой пока не существует: различные космические здания, жилые дома и посадочные площадки для ракет.

Где взять для всего этого строительные материалы? Доставка слишком накладна, а на других планетах не продают ни вагонку, ни цемент.

Если мы собираемся жить и работать на другой планете, такой как Марс или Луна, нам нужно научиться делать бетон, причем делать его на местах, ведь мы не можем просто взять и привезти его с собой,

— отметил Норман Вагнер, завкафедрой химической и биомолекулярной инженерии университета Делавэра.

Ученым ничего другого не оставалось, как начать исследовать возможность использования глиноподобных материалов верхнего слоя почвы Луны или Марса в качестве основы для внеземного цемента. Чтобы все получилось, понадобится связующее вещество для склеивания внеземных исходных материалов химическим путем.

Одно из требования к такому материалу — достаточно высокая прочность, чтобы можно было возводить из него вертикальные стартовые площадки, необходимые для защиты ракет от каменных вихрей, пыли и другого мусора во время взлета или приземления.

Чтобы сразу снять этот вопрос: обычный цемент для использования в условиях космоса категорически не подходит.

Вагнер с коллегами из университета Делавэра успешно преобразовали смоделированные лунные и марсианские почвы в геополимерный цемент, который считается отличной альтернативой обычному цементу.

Также ученые создали фреймворк для сравнения разных типов геополимерных цементов и их характеристик.

Результаты опубликованы в издании Advances in Space Research. А еще работу осветили в издании Advances in Engineering.

Геополимерный цемент

Геополимеры — это неорганические полимеры, образованные из алюмосиликатных минералов, которые содержатся в обычных глинах. Алюмосиликатные минералы состоят из алюминия, кремния, кислорода и контркатионов.

При смешивании с растворителем с высоким pH, например, с силикатом натрия, глина растворяется, высвобождая алюминий и кремний, которые затем используют в реакции с другими материалами для получения новых структур, таких как цемент.

Почва Луны и Марса тоже содержит обычные глины. Этот факт заставил исследователя Марию Кацарову из университетской лаборатории задуматься о том, нельзя ли активировать с помощью геополимерной химии смоделированные лунные и марсианские почвы так, чтобы они стали похожи на бетон. Мария презентовала идею НАСА и получила грант на дальнейшее исследование. Вместе с докторантом Дженнифер Миллс они готовили геополимерные связующие из разных материалов и сравнивали их характеристики.

Все это не так уж просто. Нельзя заставить работать любую глину. В реакциях есть свои метрики, которые нельзя не учитывать,

— сообщил Вагнер.

Исследователи смешали разные варианты имитирующих глин с силикатом натрия, затем залили геополимерную смесь в формы, похожие не формы для льда, и стали ждать реакции.

Спустя семь дней ученые измерили размер и вес каждого кубика, а затем раздавили их все по очереди, чтобы понять как тот или иной кубик ведет себя под нагрузкой. В частности, исследователи хотели понять, влияют ли незначительные различия в химическом составе имитирующих почв на прочность материала.

Когда ракета взлетает, на стартовую площадку производится колоссальная нагрузка, которую строительный материал должен выдерживать. Именно поэтому прочность материала на сжатие становится едва ли не ключевым показателем, — заявил Вагнер.

— Нам удалось создать такие кубики, которые обладают необходимой прочностью.

Также ученые посчитали, сколько земных материалов астронавты должны будут взять с собой, чтобы построить посадочную площадку на поверхности Луны или Марса. Выяснилось, что расчетное количество (от сотен до тысяч килограммов) вполне укладывается в показатели грузоподъемности ракеты.

Имитация космических условий

Исследователи подвергали образцы условиям, которые наблюдаются в космосе, включая вакуум, а также низкие и высокие температуры. Результаты оказались весьма информативными.

В вакууме некоторые образцы действительно образовывали цемент, в то время как другие справлялись с задачей лишь частично.

В целом прочность образцов на сжатие в вакууме снизилась по сравнению с геополимерными кубиками, отвердевающими при комнатной температуре и земном атмосферном давлении. Это натолкнуло ученых на новые соображения.

Нам придется искать компромисс, как изготавливать внеземные стройматериалы — в среде под давлением, чтобы добиться максимальной прочности, или в условиях поверхности Марса или Луны, если удастся сделать достаточно хороший материал для наших задач,

— сообщила Миллс.

Не менее удивительным оказалось то, что при низких температурах около -80 градусов Цельсия геополимерные материалы вообще не вступали в реакцию.

Возможно, для достижения требуемой прочности, которую мы наблюдаем при комнатной температуре, придется использовать некий ускоритель, — добавила Миллс.

— Не исключено, что для достижения необходимых показателей геополимер нужно нагреть или добавить какие-то еще компоненты в смесь.

При высоких температурах, около 600 градусов Цельсия, ученые заметили увеличение прочности всех образцов геополимеров. Физическая природа геополимерного цемента также изменилась под воздействием тепла.

Геополимерные кубики стали гораздо более хрупкими и разрушались или разламывались пополам под воздействием силы,

— отметила Миллс.

Ученые сделали вывод, что важную роль в прочности материала могут играть химический состав и размер частиц. Например, частицы меньшего размера повышают прочность полученного материала.

Другой вероятный фактор: в исходных материалах сложно оценить содержание алюмосиликатов, которые также могут оказывать влияние на итоговые характеристики.

Что все это значит

Правильный рецепт имеет огромное значение. Очень важно понимать, что влияет на прочность материала, ведь астронавтам, возможно, придется набирать глину из разных мест на поверхности планет.

Результаты исследования можно использовать для изготовления геополимерных цементов на Земле. Они экологичнее и доступнее. Для их производства требуется меньше воды, поскольку, в отличие от традиционного цемента, вода в реакции не расходуется: ее можно будет очищать и использовать повторно, а это огромное преимущество в условиях дефицита воды на других планетах.

Сейчас ученые исследуют способы использования геополимерных цементов в 3D-печати домов, а также активацию геополимеров с помощью микроволновых технологий. Микроволны могут ускорить затвердевание геополимеров, что однажды, вероятно, поможет создавать твердый и прочный бетон — и в космосе, и на Земле.

10.08.2022