L'astronauta dell'Agenzia Spaziale Europea Alexander Gerst lavora all'esperimento MICS a bordo della Stazione Spaziale Internazionale. L'osservazione di come il cemento reagisce nello spazio durante il processo di indurimento può aiutare gli ingegneri a comprendere meglio la sua microstruttura e le proprietà del materiale, che potrebbero migliorare le tecniche di lavorazione del cemento sulla Terra e portare alla progettazione di strutture sicure, habitat spaziali leggeri. Credito:NASA
Quando gli umani vanno sulla Luna o su Marte per restare, avranno bisogno di costruire luoghi sicuri in cui vivere e lavorare. Il materiale da costruzione più utilizzato sulla Terra, calcestruzzo, potrebbe essere la risposta. È abbastanza forte e durevole da fornire protezione dalle radiazioni cosmiche e dai meteoriti e potrebbe essere possibile realizzarlo utilizzando materiali disponibili su questi corpi celesti.
Il calcestruzzo è una miscela di sabbia, ghiaia e rocce incollate tra loro con una pasta a base di acqua e polvere di cemento. Anche se sembra semplice, il processo è abbastanza complesso, e gli scienziati hanno ancora domande sulla chimica e sulle strutture microscopiche coinvolte e su come i cambiamenti nella gravità possono influenzare il processo.
Una recente indagine sulla Stazione Spaziale Internazionale ha esaminato la solidificazione del cemento in condizioni di microgravità per aiutare a rispondere a queste domande. Per il progetto Microgravity Investigation of Cement Solidification (MICS), ricercatori misti tricalcio silicato (Ca 3 SiO 5 o C 3 S) e acqua al di fuori della gravità terrestre per la prima volta. Il principale componente minerale della maggior parte del cemento disponibile in commercio, C 3 S controlla molte delle sue reazioni chimiche e proprietà. MICS ha esplorato se la solidificazione del cemento in microgravità avrebbe prodotto microstrutture uniche e ha fornito un primo confronto tra campioni di cemento lavorati a terra e in microgravità.
Gli investigatori hanno riportato i loro risultati in un articolo pubblicato su Frontiers in Materials, "Effetto della microgravità sullo sviluppo microstrutturale del silicato tricalcico (C 3 S) Incolla."
Queste immagini confrontano le paste cementizie miscelate nello spazio (sopra) ea terra (sotto). Il campione dallo spazio mostra più porosità, o spazi aperti nel materiale, che influisce sulla resistenza del calcestruzzo. Anche i cristalli nel campione della Terra sono più segregati. Credito:Penn State Materials Characterization Lab
"In missioni sulla Luna e su Marte, gli esseri umani e le attrezzature dovranno essere protetti da temperature e radiazioni estreme, e l'unico modo per farlo è costruire infrastrutture su questi ambienti extraterrestri, " ha detto il ricercatore principale Aleksandra Radlinska della Pennsylvania State University. "Un'idea è costruire con un materiale simile al cemento nello spazio. Il calcestruzzo è molto robusto e offre una protezione migliore rispetto a molti materiali."
Un altro vantaggio significativo del calcestruzzo è che gli esploratori potrebbero teoricamente farlo con le risorse disponibili su quei corpi extraterrestri, come polvere sulla Luna, noto anche come regolite lunare. Ciò eliminerebbe la necessità di trasportare materiali da costruzione sulla Luna o su Marte, riducendo notevolmente i costi.
Gli scienziati sanno come si comporta e si indurisce il cemento sulla Terra, ma non so ancora se il processo è lo stesso nello spazio. "Come si indurirà? Quale sarà la microstruttura?" disse Radlinska. "Queste sono le domande a cui stiamo cercando di rispondere".
I ricercatori hanno creato una serie di miscele che variavano il tipo di polvere di cemento, numero e tipo di additivi, Quantità d'acqua, e tempo concesso per l'idratazione. Mentre i granelli di polvere di cemento si dissolvono nell'acqua, la loro struttura molecolare cambia. I cristalli si formano in tutta la miscela e si incastrano tra loro. Alla prima valutazione, i campioni elaborati sulla stazione spaziale mostrano notevoli cambiamenti nella microstruttura del cemento rispetto a quelli elaborati sulla Terra. Una differenza primaria era l'aumento della porosità, o la presenza di più spazi aperti. "L'aumento della porosità ha un impatto diretto sulla resistenza del materiale, ma dobbiamo ancora misurare la forza del materiale formato dallo spazio, ", ha detto Radlinska.
"Anche se il cemento è stato usato per così tanto tempo sulla Terra, ancora non comprendiamo necessariamente tutti gli aspetti del processo di idratazione. Ora sappiamo che ci sono alcune differenze tra i sistemi basati sulla Terra e quelli spaziali e possiamo esaminare queste differenze per vedere quali sono utili e quali sono dannosi per l'utilizzo di questo materiale nello spazio, " disse Radlinska. "Inoltre, i campioni erano in buste sigillate, quindi un'altra domanda è se avrebbero ulteriori complessità in un ambiente open space".
L'ambiente di microgravità della stazione è fondamentale per questi primi sguardi su come il cemento può idratarsi sulla Luna e su Marte. Una centrifuga a bordo può simulare i livelli di gravità di quei corpi extraterrestri, qualcosa di impossibile sulla Terra. È attualmente in corso la valutazione di campioni di cemento contenenti particelle lunari simulate elaborati a bordo del laboratorio orbitante a diversi livelli di gravità.
Dimostrare che il cemento può indurirsi e svilupparsi nello spazio rappresenta un passo importante verso quella prima struttura costruita sulla Luna utilizzando materiali provenienti dalla Luna. "Abbiamo confermato l'ipotesi che si possa fare, " ha detto Radlinska. "Ora possiamo fare i prossimi passi per trovare leganti specifici per lo spazio e per livelli variabili di gravità, da zero g a Marte g e nel mezzo."
