I ricercatori dell'Università del Delaware hanno mescolato terreni lunari e marziani simulati con una soluzione ad alto pH per creare mattoni di geopolimero, quindi hanno frantumato i mattoni per vedere quanto fossero forti. Gli esperimenti li stanno aiutando a lavorare sui modi in cui gli astronauti possono creare materiali da costruzione nello spazio. Credito:illustrazioni fotografiche di Jeffrey C. Chase/ University of Delaware
L'esplorazione spaziale sostenuta richiederà infrastrutture che attualmente non esistono:edifici, alloggi, piattaforme di atterraggio dei razzi.
Allora, dove ti rivolgi per i materiali da costruzione quando sono troppo grandi per stare nel tuo bagaglio a mano e non c'è Home Depot nello spazio?
"Se abbiamo intenzione di vivere e lavorare su un altro pianeta come Marte o la luna, dobbiamo creare cemento. Ma non possiamo portare con noi sacchi di cemento, dobbiamo usare le risorse locali", ha affermato Norman Wagner, Unidel Robert L. Pigford Cattedra di Ingegneria Chimica e Biomolecolare presso l'Università del Delaware.
I ricercatori stanno esplorando i modi per utilizzare i materiali del terriccio argilloso della luna o di Marte come base per il cemento extraterrestre. Per avere successo sarà necessario un legante per incollare insieme i materiali di partenza extraterrestri attraverso la chimica. Un requisito per questo materiale da costruzione fuori dal mondo è che deve essere sufficientemente resistente per le piattaforme di lancio verticali necessarie per proteggere i razzi artificiali da rocce vorticose, polvere e altri detriti durante il decollo o l'atterraggio. La maggior parte dei materiali da costruzione convenzionali, come il cemento ordinario, non sono adatti in condizioni di spazio.
Wagner e colleghi di UD stanno lavorando su questo problema e hanno convertito con successo i suoli lunari e marziani simulati in cemento geopolimerico, che è considerato un buon sostituto del cemento convenzionale. Il team di ricerca ha anche creato una struttura per confrontare diversi tipi di cementi geopolimerici e le loro caratteristiche e ha riportato i risultati in Advances in Space Research . Il lavoro è stato evidenziato di recente in Advances in Engineering .
Cemento geopolimerico
I geopolimeri sono polimeri inorganici formati da minerali di alluminosilicato che si trovano nelle argille comuni ovunque da Newark, White Clay Creek del Delaware all'Africa. Quando viene miscelata con un solvente che ha un pH elevato, come il silicato di sodio, l'argilla può essere sciolta, liberando l'alluminio e il silicio all'interno per reagire con altri materiali e formare nuove strutture, come il cemento.
Anche i terreni sulla luna e su Marte contengono argille comuni.
Ciò ha indotto Maria Katzarova, un'ex scienziata associata e membro del laboratorio di Wagner all'UD, a chiedersi se fosse possibile attivare la luna simulata e i suoli marziani per diventare materiali da costruzione simili al cemento usando la chimica dei geopolimeri. Ha proposto l'idea alla NASA e ha ottenuto finanziamenti tramite il Delaware Space Grant Consortium per provare con l'aiuto e l'esperienza dell'allora dottoranda Jennifer Mills, che ha studiato i geopolimeri terrestri per la sua tesi di dottorato. I ricercatori hanno preparato sistematicamente leganti geopolimerici da una varietà di suoli simulati noti nello stesso modo esatto e hanno confrontato le prestazioni dei materiali, che non erano mai state fatte prima.
"Questa non è una cosa banale. Non puoi semplicemente dire dammi della vecchia argilla e io la farò funzionare. Ci sono metriche, chimica di cui devi preoccuparti", ha detto Wagner.
I ricercatori hanno mescolato vari terreni simulati con silicato di sodio, quindi hanno gettato la miscela di geopolimeri in stampi simili a cubetti di ghiaccio e hanno aspettato che si verificasse la reazione. Dopo sette giorni, hanno misurato le dimensioni e il peso di ogni cubo, quindi lo hanno frantumato per capire come si comporta il materiale sotto carico. In particolare, volevano sapere se lievi differenze chimiche tra i terreni simulati influissero sulla resistenza del materiale.
"Quando un razzo decolla, c'è molto peso che spinge verso il basso sulla piattaforma di atterraggio e il calcestruzzo deve resistere, quindi la resistenza alla compressione del materiale diventa una metrica importante", ha detto Wagner. "Almeno sulla Terra, siamo stati in grado di realizzare materiali in piccoli cubetti che avevano la resistenza alla compressione necessaria per svolgere il lavoro."
I ricercatori hanno anche calcolato quanto materiale terrestre gli astronauti avrebbero dovuto portare con sé per costruire una piattaforma di atterraggio sulla superficie della luna o di Marte. Si scopre che l'importo stimato rientra ampiamente nell'intervallo di carico utile di un razzo, da centinaia a migliaia di chilogrammi.
Simulazione delle condizioni spaziali
Il team di ricerca ha inoltre sottoposto i campioni a diversi ambienti presenti nello spazio, inclusi il vuoto e le basse e alte temperature. Quello che hanno trovato è stato informativo.
Sotto vuoto, alcuni dei campioni di materiale hanno formato cemento, mentre altri hanno avuto successo solo parzialmente. Tuttavia, nel complesso, la resistenza alla compressione del cemento geopolimerico è diminuita sotto vuoto, rispetto ai cubetti di geopolimero polimerizzati a temperatura e pressione ambiente. Ciò solleva nuove considerazioni a seconda dello scopo del materiale.
"Ci sarà un compromesso tra la necessità di fondere questi materiali in un ambiente pressurizzato per garantire che la reazione formi il materiale più forte o se possiamo farla franca formandoli sotto vuoto, il normale ambiente sulla luna o su Marte, e raggiungere qualcosa che è abbastanza buono", ha affermato Mills, che ha conseguito il dottorato in ingegneria chimica presso l'UD a maggio 2022 e ora lavora presso la Dow Chemical Company.
Nel frattempo, a basse temperature di circa -80 gradi Celsius, i materiali geopolimerici non hanno reagito affatto.
"Questo ci dice che potremmo aver bisogno di usare una sorta di accelerante per ottenere la forza che vediamo a temperatura ambiente", ha detto Mills. "Forse il geopolimero deve essere riscaldato, o forse dobbiamo aggiungere qualcos'altro alla miscela per avviare la reazione per determinate applicazioni o ambienti."
A temperature elevate, circa 600 gradi Celsius, i ricercatori hanno scoperto che ogni campione simile a una luna diventava più forte. Ciò non sorprende, ha detto Mills, dato che la cinetica è stata ostacolata alle basse temperature. Il team di ricerca ha anche visto cambiamenti nella natura fisica del cemento geopolimerico sotto calore.
"I mattoni in geopolimero sono diventati molto più fragili quando li abbiamo riscaldati, frantumando invece di comprimersi o rompersi in due", ha detto Mills. "Questo potrebbe essere importante se il materiale sarà sottoposto a qualsiasi tipo di pressione esterna."
Sulla base dei loro risultati, i ricercatori hanno affermato che la composizione chimica e la dimensione delle particelle possono svolgere un ruolo importante nella resistenza del materiale. Ad esempio, le particelle più piccole aumentano la superficie disponibile, rendendole più facili da reagire e potenzialmente portando a una maggiore resistenza complessiva del materiale. Un altro possibile fattore:la quantità di contenuto di alluminosilicato nei materiali di partenza, che può essere difficile da stimare quando le soluzioni aggiunte possono contenere anche piccole concentrazioni di questi materiali e contribuire alle prestazioni del materiale.
Cosa significa tutto questo?
Bene, Amazon non offre la consegna in due giorni nello spazio, quindi progettare la giusta formulazione dei materiali di partenza per prendere le cose. Anche capire cosa influenza la forza materiale è importante, dal momento che gli astronauti acquisteranno i nostri materiali del terriccio da luoghi diversi sui pianeti e forse anche pianeti completamente diversi.
Questi risultati possono anche essere utilizzati per produrre cementi geopolimerici sulla Terra che sono migliori per l'ambiente e possono essere ottenuti da una più ampia varietà di materiali locali. I cementi geopolimerici richiedono meno acqua di quella necessaria per produrre anche il cemento tradizionale, perché l'acqua stessa non viene consumata nella reazione. Invece, l'acqua può essere recuperata e riutilizzata, un vantaggio in ambienti con limitazioni d'acqua, dagli aridi paesaggi terrestri allo spazio esterno.
Oggi, due degli attuali studenti laureati di Wagner stanno esplorando modi per utilizzare i cementi geopolimerici per le case di stampa 3D e per attivare i materiali geopolimerici utilizzando la tecnologia a microonde. Il lavoro è un progetto di collaborazione con ricercatori delle università del nordest e di Georgetown. Simile ai microonde che usi per riscaldare il caffè mattutino, il riscaldamento a microonde può accelerare la polimerizzazione del geopolimero e un giorno potrebbe fornire un modo per i costruttori terrestri - o gli astronauti - di curare il calcestruzzo del geopolimero in modo mirato. + Esplora ulteriormente
